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Querverweis auf bezogene Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr.
US 62/436,144 , die am 19. Dezember 2016 unter der Bezeichnung „Batteriekühler-Stützkonstruktion“ eingereicht wurde. Der Inhalt der vorgenannten Patentanmeldung wird hierdurch ausdrücklich in die detaillierte Beschreibung hiervon einbezogen.
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Gebiet
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Die Beschreibung bezieht sich auf eine Kühleranordnung mit einem Batteriekühler und einer Stützkonstruktion.
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Hintergrund
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Personenkraftwagen, die durch elektrische Energie angetrieben werden, die durch erneuerbare Energie erzeugt wurde, versprechen, die globale Erwärmung zu verringern. Elektrische Batterien, die auf elektrochemischen Lithium-Ionen-Batterien basieren, sind die bevorzugte Bordspeichervorrichtung für Energie bei Personenkraftwagen. Die Fahrzeug-Lebensdauer von Lithiumbatterien hängt stark davon ab, dass die Batterie zwischen 5 °C und 40 °C sowie im Leerlauf als auch im Betrieb gehalten wird. Die Batteriezellentemperatur wird durch die Temperatur ihrer Umgebung und durch Selbsterwärmung während des Betriebs beeinflusst. Die Erwärmung durch den Betrieb ist abhängig von dem inneren elektrischen Widerstand (Re ) und dem elektrischen Strom (I), den die Batterie liefert, um das Fahrzeug anzutreiben. Die Batterielebensdauer ist ein Schlüsselmaßstab, durch den Hersteller der ursprünglichen Ausrüstung (OEM) die Fahrzeuggarantie definieren. Die Batterielebensdauer ist definiert als die Garantieperiode in Jahren, während der die Batterie 80 % ihrer Nennenergie-Speicherfähigkeit beibehält. Die Lebensdauer heißer Batterien wird verkürzt, wenn unerwünschte chemische Reaktionen, die allgemein als Seitenreaktionen bezeichnet werden, wirksam sind, um die elektrochemische Funktion herabzusetzen. Die Lebensdauer kalter Batterien wird verkürzt, wenn Lithiumionen aus der Lösung in den Elektrolyten austreten und eine dendritische Struktur aus metallischem Lithium bilden. Da die Menge von Lithium in den Elektrolyten ein Maßstab für die Batteriespeicherkapazität ist, führt sein Verlust zu einer verkürzten Lebensdauer. In schwerwiegenden Fällen können die wachsenden Lithiumdentriten die Batteriemembran durchstoßen, wodurch sie einen elektrischen Kurzschluss mit einem Totalverlust der Batteriefunktion bewirken.
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Es besteht eine Motivation zur Steuerung der elektrochemischen Batterietemperatur sowohl während des Betriebs als auch während des Leerlaufs des Fahrzeugs. Lithium-Ionen-Batterien sind in Batteriezellen angeordnet. Jede Zelle besteht aus einer geschichteten Struktur von elektrischen Leitern, Elektrochemie und lonenmembranen. Diese geschichtete Struktur ist in einem Behälter aufgenommen, der eine hermetische Abdichtung mit der Atmosphäre bildet, was für ein verlängertes Leben wesentlich ist. Das Regulieren der elektrochemischen Temperatur innerhalb der geschichteten und eingeschlossenen Struktur von Batteriezellen erfordert die Handhabung der Wärmeströmung sowohl in die als auch aus der Zelle.
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Um eine garantiefreie nützliche Lebensdauer von Batterien für elektrische Fahrzeuge zu gewährleisten, ist ein Mittel zum Einführen und Ausführen von Wärme in die und aus den Batteriezellen ein Erfordernis der Batteriekonstruktion. Um eine Batteriegarantiezeit von 8 Jahren zu erzielen, die als die Periode definiert ist, während der die Batterie 80 % ihrer Nennenergie-Speicherkapazität beibehält, werden Grenzen für die Temperatur und die Temperaturgleichförmigkeit innerhalb jeder Zelle und für die Gesamtheit aller Zellen innerhalb der Batterie gesetzt. Typische Grenzen bestehen darin, dass die gesamte Batterie und jede Zelle in dem Betriebsbereich von (5-35 °C) verbleiben müssen, während gleichzeitig der Temperaturbereich innerhalb jeder individuellen Zelle innerhalb 2 °C und der Gesamtheit der Zellen innerhalb 5 °C bleiben muss.
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Der sehr niedrige Pegel der Temperaturgleichförmigkeit sowohl der individuellen Zellen (2 °C) als auch der Gesamtheit der Zellen (5 °C) erfordert, dass das thermische System in engem körperlichem Kontakt mit der äußeren Oberfläche jeder Zelle sein muss. Thermische Systeme, die einen größeren Bereich des Zellenäußeren kontaktieren, führen zu niedrigeren Pegeln der Temperaturveränderung, was wünschenswert ist. Ein enger körperlicher Kontakt des thermischen Systems mit jeder individuellen Zelle in einer Fahrzeugbatterie wird herausgefordert durch die Abmessungsveränderung der Komponenten und funktionale Grenzen der körperlichen Batteriekonstruktion.
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Die Spannung von Automobilbatterien kann im Bereich von 360 bis 460 Volt liegen, was für eine menschliche Berührung gefährlich ist. Um die Sicherheit in einer Automobilbatterieanordnung zu verbessern, werden Zellen in Module, die jeweils unterhalb der Sicherheitsgrenze von 60 Volt liegen, gruppiert. Jedes Modul kann aus 15 bis 25 Batteriezellen bestehen. Die Automobilbatteriekonstruktion basiert auf der Bestückung mit einer Anzahl von Modulen (üblicherweise 6 bis 18 Module oder mehr) in Abhängigkeit von der erforderlichen Batterieenergiekapazität.
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Fahrzeughersteller haben die körperliche Form und Größe von Batteriezellen standardisiert. Aus diesen Zellen hergestellte Module (4) sind in Bezug auf die körperlichen Abmessungen und die Struktur ebenfalls sehr ähnlich. Eine typische Struktur von Zellen (2) ist in 1 gezeigt. In ähnlicher Weise ist eine typische Struktur von Modulen (4) in 2 gezeigt.
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Das Modul (4) enthält Zellen (2), die durch schwere Endrahmen und große, schmale Seitenwände zusammengehalten werden. Die Struktur dieses Modulrahmens (6) ist erforderlich, um alle Zellen während des Fahrzeugbetriebs zu stützen, bei dem Kräfte auftreten, die durch Stöße, Vibrationen, Beschleunigung, thermische und mechanische Lasten ausgeübt werden. Das Modul (4) ist „steif“ gegenüber einer Auslenkung anhand dieser Kräfte, um die unteren Oberflächen der Zellen ausgerichtet zu halten, sodass eine Kontaktfläche für eine Batteriekühlvorrichtung als Teil der in 3 gezeigten Batteriekonstruktion präsentiert wird.
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Bei näherer Betrachtung (4) fixieren Eckenbolzen in den steifen Endrahmen das Modul auf Stützschienen. Die Stützschienen sind förderlich für die strukturelle Festigkeit der Batterieumhüllung, die Sicherheit beim Fahrzeuggebrauch und Schutz bei Missbrauch gewährleisten. Auf diese Weise stellen Modullieferanten eine sichere Batteriezelle bereit, die in einem steifen Modul verpackt ist, das eine Batteriekonstruktion gewährleistet, das einfach, sicher und modular ist.
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Wenn es in der Batteriekonstruktion (4) installiert ist, stellt jedes Modul (4) (2) eine Oberfläche jeder Zelle in Ausrichtung mit allen anderen Zellen dar, sodass ein Batteriekühler (8) (5) in der Batteriekonstruktion (6) benachbart dem Modul vorpositioniert werden, sodass der Kühler jede Zelle kontaktiert. Kleine Ausrichtungsabweichungen von individuellen Zellen und kleine Veränderungen in der Oberflächenflachheit des Kühlers werden aufgenommen durch Anordnen eines mechanisch nachgiebigen Materials, das in der Lage ist, Wärme zwischen den Zellen und dem Kühler zu leiten. Durch Zusammendrücken dieses nachgiebigen thermischen Schnittstellenmaterials (TIM) (nicht gezeigt) wird diesen Oberflächenunregelmäßigkeiten genügt, sodass der gesamte Oberflächenbereich (s) des Zellenbodens in thermischen Kontakt mit dem Kühler gelangt.
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Typische Kühler haben eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 mm. Module haben typischerweise eine Breite von 100 mm bis 200 mm, eine Höhe von 100 mm bis 200 mm und eine Länge im Bereich von 300 mm bis über 1600 mm. Da er viel dünner als das Modul ist, typischerweise nur 1 bis 5 % der Modulhöhe, kann das Modul als ein starrer Körper im Vergleich zu dem Kühler angesehen werden. Abhängig von der TIM-Materialsteifigkeit kann ein Schnittstellendruck, der ausreichend ist, 1 mm relativer Oberflächenunregelmäßigkeit aufzunehmen, im Bereich von 0,2 MPa bis 2 MPa liegen.
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Wünschenswerterweise erzeugt der Kühler mit seiner Befestigungsstruktur einen gleichförmigen TIM-Kompressionsdruck, um das TIM in Spalte zu drücken, die durch Oberflächenunregelmäßigkeiten des Kühlers und benachbarten Oberflächen der kontaktierenden Zellen bewirkt werden. Um dieses zu erfüllen, müssen der Kühler und sein Befestigungssystem eine ausreichende mechanische Biegefestigkeit haben, um Auslenkungen der Kühleroberfläche auf viel weniger als die 0,2 mm bis 1 mm Kontaktspalte, die durch die Oberflächenunregelmäßigkeiten bewirkt werden, zu begrenzen. Typischerweise sollten die Biegeauslenkungen der Kühleroberfläche, die durch TIM-Druckbelastung bewirkt werden, unter 100 Mikrometer fallen, siehe 8.
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Gewichtseinsparungen von elektrischen Fahrzeugen haben einen höheren relativen Einfluss auf den Fahrzeug-Fahrbereich als bei Fahrzeugen mit fossilen Kraftstoffen, einfach aufgrund der verringerten Menge von Gesamtenergie, die in einer elektrischen Batterie im Vergleich zu einem Tank für fossilen Kraftstoff gespeichert ist. Dies bedeutet, dass elektrische Fahrzeuge einen höheren Verbraucherwert auf Gewichtseinsparungen legen. Dieser Wunsch hat einen Einfluss auf Batteriekühler-Gestaltungsmöglichkeiten dahingehend, dass ein typisches Fahrzeuggewicht in dem Bereich von 3 bis 7 kg Gewicht einsparen kann durch Minimieren der Masse des Kühlers und seiner Stützstruktur. Dies ist ein Antrieb für die Gestaltungsmöglichkeit für den Kühler und seine Stützstruktur.
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Es besteht im Stand der Technik ein Bedarf für eine Batteriekühler-Stützkonstruktion, die helfen kann, eine Batteriekühlerbiegung zu verhindern oder zu verringern. Zusätzlich besteht im Stand der Technik ein Bedarf für eine Batteriekühler-Stützstruktur, die eine Stütze für den Batteriekühler bereitstellen kann. Weiterhin besteht im Stand der Technik ein Bedarf für eine Batteriekühler-Stützkonstruktion, die der Stützstruktur ein minimales Gewicht hinzufügt, während sie für den Batteriekühler eine Stütze und/oder Hilfe zur Verhinderung einer Batteriekühlerbiegung bereitstellt.
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Kurzfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt bezieht sich die Beschreibung auf eine Batteriekühleranordnung, welche aufweist:
- einen Rahmen mit einem Paar von gegenüberliegenden, parallelen Wänden, wobei jede der Wände eine Leiste hat, die sich von einer der Wände auswärts zu der anderen Wand hin erstreckt;
- einen Wärmetauscher, der zwischen den gegenüberliegenden, parallelen Wänden positioniert ist, wobei der Wärmetauscher ein Plattenpaar hat, das Plattenpaar eine erste Platte und eine zweite Platte hat, die miteinander gekoppelt sind, die erste Platte und die zweite Platte zusammen einen Fluidströmungskanal definieren, der ermöglicht, dass Fluid von einem Einlass an dem Wärmetauscher zu einem Auslass an dem Wärmetauscher strömt; und
- mehrere Stützstrukturen, die in Eingriff mit dem Wärmetauscher und zwischen den gegenüberliegenden parallelen Wänden positioniert sind, und sich von einer erste Kante des Wärmetauschers zu einem zweiten Ende des Wärmetauschers erstrecken, wobei die erste Kante Wärmetauscher nahe einer der gegenüberliegenden, parallelen Wänden ist und die zweite Kante des Wärmetauschers nahe der anderen gegenüberliegenden, parallelen Wand ist; und die mehreren Stützstrukturen in Eingriff mit dem einen oder mehreren Batteriemodulen sind, wodurch sie die Beanspruchung des Wärmetauschers reduzieren.
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Figurenliste
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Es wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung zeigen und bei denen:
- 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer typischen Batteriezelle ist;
- 2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines typischen Batteriemoduls ist;
- 3 eine schematische, perspektivische Ansicht einer typischen Batteriekonstruktion ist;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine typische Batteriemodulinstallation ist;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines typischen Batteriekühlers ist;
- 6 eine schematische, perspektivische Ansicht einer typischen Batteriekühlerstütze ist;
- 7 eine Draufsicht auf eine typische Batteriekühlerstütze ist;
- 8 eine Skizze der Auslenkung eines nichtgestützten Batteriekühlers zeigt,
- 9 die Auslenkung eines nichtgestützten Batteriekühlers zeigt;
- 10 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Batteriekühler-Stützkonstruktion gemäß der Beschreibung zeigt;
- 11 eine andere perspektivische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer Batteriekühler-Stützkonstruktion gemäß der Beschreibung zeigt;
- 12 eine perspektivische Ansicht eines Stützträgers zur Verwendung in einer Batteriekühler-Stützkonstruktion nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Beschreibung zeigt;
- 13 eine perspektivische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels einer Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt;
- 14 eine perspektivische Unteransicht des zweiten Ausführungsbeispiels einer Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt;
- 15 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel einer Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt;
- 16 die Belastung eines horizontalen Endes eines installierten Batteriekühler-Stützträgers nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
- 17 die Belastung eines kowinkeligen Endes eines installierten Batteriekühler-Stützträgers nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
- 18 den Batteriekühlerträger-Kontaktdruck auf ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) zeigt,
- 19 den Batteriekühlermodulträger-Kontaktdruck zeigt;
- 20 eine Querschnitts-Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt;
- 21 eine andere Querschnitts-Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt; und
- 22 eine weitere Querschnitts-Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Batteriekühler-Stützkonstruktion nach der Beschreibung zeigt.
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Ähnliche Bezugszahlen werden in verschiedenen Figuren verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Das Aufrechterhalten eines thermischen Kontakts über die Gesamtheit des Kühlers und angrenzende Zellenoberflächenbereiche unter den Lastbedingungen, die während der Kühler- und Modulmontage erzeugt werden, führt zu einer Stützstruktur für den Kühler wie hier offenbart.
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Um eine Batterie ordnungsgemäß auf die erzielte kleine Temperaturveränderung der Elektrochemie der Batterie, typischerweise 2 °C bis 5 °C, zu kühlen, ist ein relativ dünner Batteriekühler im Bereich von 1 mm bis 5 mm Gesamtdicke ausreichend. Derartige dünne Kühler werden stärker ausgelenkt als die gewünschte Grenze von 100 Mikrometern unter dem gewünschten Bereich von 0,2 bis 2 MPa von TIM-Kompressionsdruck über die Installationsspannen von 200 mm bis 500 mm, die für typische Batteriemodule verfügbar sind (siehe 8 und 9). Ein zusätzliches Biegeteil ist erforderlich, um den Kühler dort zu stützen, wo er ausgelenkt wird. Diese Stützstruktur wird gestützt durch die und erstreckt sich zwischen den Schienen, auf denen die Module installiert sind. Auf diese Weise erzeugt die Stützstruktur einen gleichförmigen Druck auf den Kühler, der ihn zu einem Kontakt mit dem Modul zwingt.
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Zwei Variationen einer derartigen Struktur werden offenbart. Die erste (10 und 11) verbindet den Kühler mit dem Rahmen des Moduls, um bestehendes Material auszunutzen, sodass die Gesamtgewichtseinsparungen größer sind. Die zweite (12-15 und 20-22) fügt eine Trägerstruktur unter dem Kühler hinzu, die sich zwischen den Modulbefestigungsschienen erstreckt. Eine Kombination dieser Trägerstruktur, die mit den Modulseitenschienen verbunden ist, ist eine natürliche Kombination dieser Wirkungen.
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Die 10 und 11 offenbaren ein erstes Ausführungsbeispiel der Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 gemäß einem hier offenbarten ersten Ausführungsbeispiel. Die Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 hat einen Rahmen 102, einen Batteriekühler 108 und einen Stützträger 110, um die Batteriemodule 4 zu stützen und die Beanspruchung des Batteriekühlers 108 zu reduzieren.
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Der in der Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 verwendete Rahmen 102 ist nicht besonders beschränkt und für einen Fachmann bekannt. Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 102 mit einem Paar von parallelen, hochstehenden Wänden 104 versehen, wobei jede eine Leiste 106 hat, die sich zu der gegenüberliegenden Wand 104 hin erstreckt. Dies führt zu einem Spalt zwischen der Leiste 106 an einer Wand 104 und der anderen Leiste 106 an der gegenüberliegenden, parallelen Wand 104, wo das Batteriemodul nicht gestützt wird. Die Leiste 106 stellt eine Oberfläche für das Anordnen des Batteriekühlers 108 bereit und kann auch mit Mitteln versehen sein, wie beispielsweise und ohne Beschränkung Öffnungen oder Schweißansätzen, für den Eingriff mit geeigneten Mitteln in dem Batteriekühler 108, um den Batteriekühler 108 in seiner Position auf dem Rahmen 102 zu halten. Dies bedeutet, dass das Positionieren und Halten der Position des Batteriekühlers 108 nicht besonders beschränkt und einem Fach bekannt ist.
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Der hier offenbarte Batteriekühler (oder Wärmetauscher)
108 ist nicht besonders beschränkt und einem Fachmann bekannt. Nichtbeispiele von Batteriekühlern
108 sind offenbart in internationalen PCT-Patentveröffentlichungen
WO 2016168932 ,
WO 2012055044 ,
WO 2016109881 ,
WO 2016015156 und
WO 2016113161 , die hier einbezogen werden.
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Der Batteriekühler 108 ist durch ein Paar von Platten 112 gebildet, die zusammen einen Fluiddurchgang 114 für eine Strömung eines Kühlmittelfluids für den Wärmeaustausch mit den Batteriemodulen 4 definieren. Der Batteriekühler ist auch mit einem Einlass 116 und einem Auslass 118 für den Eintritt und den Austritt der Kühlmittelströmung von innerhalb des Batteriekühler-Durchgangs 114 versehen. Obgleich der Einlass 116 und der Auslass 118 so gezeigt sind, dass sie auf derselben Platte 112 des Wärmetauschers 108 vorhanden sind, ist einem Fachmann bekannt, dass eine der Platten 112 mit dem Einlass 116 und die andere des Paares von Platten 112 mit dem Auslass 118 versehen sein können. Alternativ können der Einlass 116 und der Auslass 118 entlang einer Kante des Batteriekühlers 108 durch Ausrichten des Paares von Platten 112 gebildet sein.
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Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel hat der Wärmetauscher 108 eine rechteckige Form mit einer ersten Kante 120, die einer parallelen zweiten Kante 122 gegenüberliegt. Die erste Kante 120 und die zweite Kante 122 bilden die Längskante des Batteriekühlers 108, die sich von der dritten Kante 124 zu der vierten Kante 126 des Batteriekühlers 108 erstreckt. Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, ist der Batteriekühler 108 mit Vorsprüngen 128 versehen, die sich seitlich von der ersten und der zweiten Kante 120, 122 des Batteriekühlers 108 weg erstrecken. Die Vorsprünge 128 liegen allgemein in der Ebene des Batteriekühlers 108 und können mit Mitteln versehen sein wie beispielsweise und ohne Beschränkung einem Loch 130 für die Aufnahme eines Schweißansatzes (nicht gezeigt), der sich von der Leiste 106 des Rahmens 102 weg erstreckt für das Positionieren und Halten des Batteriekühlers 108 in seiner Lage.
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Wie vorstehend bemerkt ist, ist die Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 auch mit einer Stützstruktur 110 versehen, die sich von einer Leiste 106 an einer der hochstehenden Wände 104 des Rahmens 102 zu einer gegenüberliegenden Leiste 106 der anderen hochstehenden Wand 104 erstreckt. Die Stützstruktur 110 kann entweder über dem Batteriekühler 108, wie in den 10 und 11 gezeigt ist, oder unter dem Batteriekühler 108, wie in den 12-15 und 20-22 gezeigt ist, positioniert sein.
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Bei dem in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur 110 durch eine Struktur vom Geländertyp gebildet, mit einem gebogenen Träger 138 und einer Basis 132 mit entgegengesetztem ersten und zweiten Ende (134, 136); wobei das erste Ende 134 und das zweite Ende 136 der Basis 132 auf der Leiste 106 des Rahmens 102 positioniert sind. Der bogenförmige 138 hat eine im Allgemeinen halbkreisförmige Form und erstreckt sich von dem ersten Ende 134 zu dem zweiten Ende 136 der Basis 132. Mehrere Stege 140 erstrecken sich von der Basis 132 bis zu dem bogenförmigen Träger 138, um eine strukturelle Integrität der bogenförmigen Stützstruktur zu erhalten, während der Gewichtseinfluss der Stützstruktur 110 minimiert wird.
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Die Stützstruktur 110 ist auch mit einem Sockel 142 versehen, der sich von der Basis 132 des Geländers aus erstreckt. Der Sockel 142 ist eben und erstreckt sich von der Basis 132 des Geländers seitlich auswärts. Die Länge des Sockels 142 ist nicht besonders beschränkt und bei einem Ausführungsbeispiel (wie in den 10 und 11 gezeigt) beispielsweise und ohne Beschränkung erstreckt sich der Sockel 142 von der ersten Kante 120 des Batteriekühlers 108 zu der zweiten Kante 122 des Batteriekühlers 108. Die Breite des Sockels 142 ist auch nicht besonders beschränkt und kann in Abhängigkeit von Gestaltungs- und Anwendungsanforderungen verändert werden, solange wie der Sockel 142 ausreichend starr ist, um eine Auslenkung des Batteriekühlers 108 aufgrund des Gewichts des Batteriemoduls 4 zu vermeiden oder zu verringern, wie hier beschrieben ist.
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Bei dem in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Stützstruktur 110 mit zumindest einem Sockel 142 versehen. Insbesondere ist die Stützstruktur 110 nahe der dritten oder vierten Kante (124, 126) des Batteriekühlers 108 vorhanden, und ein Sockel 142 ist vorgesehen, der sich zu dem Fluiddurchgang 114 des Batteriekühlers 108 hin erstreckt. Mit anderen Worten, für die Stützstruktur 110, die nahe der dritten Kante 124 des Batteriekühlers 108 vorhanden ist, erstreckt sich der Sockel 142 von der Seite der Basis 132 nahe dem Fluiddurchgang zu der vierten Kante 126 des Batteriekühlers 108 hin. Zusätzlich ist für die Stützstruktur 110, die zwischen der dritten und der vierten Kante (124, 126) des Batteriekühlers 108 positioniert ist, ein Paar von Sockeln 142 vorgesehen, wobei sich einer der Sockel 142 zu der dritten Kante 124 des Batteriekühlers 108 hin erstreckt und der andere Sockel 142 sich zu der vierten Kante 126 des Batteriekühlers 108 hin erstreckt.
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Das Batteriemodul 4 ist zwischen einem Paar von Stützstrukturen 110 positioniert und sitzt auf dem Sockel 142 der Stützstruktur. Dieses kann dazu beitragen, die Beanspruchung des Batteriekühlers 108 herabzusetzen, und kann dazu beitragen, eine Auslenkung des Batteriekühlers 108 zu vermeiden. Daher sollte der Sockel ausreichend starr sein, um zu einer Verringerung der Beanspruchung des Batteriekühlers 108 beizutragen. Ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) (nicht gezeigt) ist zwischen dem Batteriemodul 4 und dem Batteriekühler 108 und auch zwischen einem Paar von Stützstrukturen 110 positioniert, um zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Batteriekühlers 108 durch Wärmeaustausch zwischen dem Batteriekühler 108 und dem Batteriemodul 4 beizutragen.
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Das erste Ausführungsbeispiel (10 und 11) bezieht auch die Errichtung einer mechanischen Verbindung zwischen dem Batteriekühler 108 und den modulseitigen Schienen ein. Gemäß der Beschreibung können Verfahren zur körperlichen Verbindung zwischen dem Kühler und den Seitenschienen variieren, und können im Bereich von der Hinzufügung einfacher Gewindeschweißansätze, die zu den Batteriemodul-Seitenschienen hinzugefügt sind, bis zu Mitteln, die auf den Modulseitenschienen und den Kühler gebildet sind und eine Befestigung durch Gleiten des Kühlers auf der Modulstützschiene ermöglichen, liegen. Bei einer Konfiguration ist die Modulseitenschiene eine Trägerstruktur, um weiterhin ihre Masse gegenüber den massiven rechteckigen Teilen im gegenwärtigen Gebrauch herabzusetzen, 11.
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Das zweite Ausführungsbeispiel (12-15 und 20-22) der hier offenbarten Kühlerstützkonstruktion 100 bezieht eine Stützstruktur 110 ein, die eine Trägergestaltung hat, und die eine gleichförmige TIM-Oberflächendruckbelastung erzeugen kann, wenn sie bei der Modulmontage vollständig unter dem Kühler 108 ausgelenkt wird. Um dies zu erreichen, hat der Träger 144 eine eindeutige Krümmungsform in Verbindung mit der Stützform des Trägerendes 146, 12. Der Biegequerschnitt des Trägers ist gewellt, um eine Basisbiegefestigkeit für die gewünschten TIM-Belastungs- und Trägerüberspannungsabmessungen zu erzeugen. Der Abschnitt des Trägers 144 kann im Allgemeinen aus Blechmaterial von gleichförmiger Dicke gestanzt werden. Der große mittlere Bogen 148 ist iterativ ausgewählt, um eine gleichförmige TIM-Oberflächenbelastung zu erzeugen, während das Trägermaterial unter relativ konstanter Beanspruchung in diesem Bereich des Bogens 148 angeordnet wird, 16 und 17.
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Beanspruchungen an den Enden des Trägers 144, an denen er an Schienen in der Batterie befestigt ist, können bemerkenswert ansteigen, wenn sich die Enden nicht in einer winkelmäßigen Weise ähnlich der winkelmäßigen Auslenkung der Enden des großen mittleren Trägerbogens 148 bewegen. Im Allgemeinen ist die Spitzenbeanspruchung in dem Träger 144 an der Schienenkante, an der der Träger 144 beginnt, sich zwischen den Schienen zu erstrecken. Eine Herabsetzung dieser Spitzenbeanspruchung von 400 MPa bis 200 MPa wird erzielt, wenn die Trägerenden 146 unter nahezu dem gleichen Winkel wie die Enden des mittleren Trägerbogens 148 vorgebogen werden. Gemäß 15 wird der Träger während der Batteriemontage so ausgelenkt, dass der Bogen eine flache Ebene wird, sodass der Kühler 108 zwischen dem Träger 144 und dem Modul 4 eingeklemmt wird, was den Schienen angepasst ist. In diesem abgeflachten Zustand übt der Träger 144 eine ausreichende Kraft auf die Unterseite des Kühlers 108 aus, sodass die TIM-Schicht einem weitgehend gleichförmigen Kompressionsdruck ausgesetzt ist.
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In vielen Fällen sind der Kühler 108 und der Träger 144 sowie ihre Befestigungsorte während des letzten Montagevorgangs, in welchem das Modul 4 zusammengesetzt wird, weder sichtbar noch zugänglich. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass der Kühler 108 und die Träger 144 vormontiert sind und vor der Modulmontage an den Batterieumschließungsschienen 106 befestigt werden. In einem derartigen Fall wird ein mittlerer Befestigungspunkt an dem Träger 144 in der Mitte der Überspannung geschaffen, der ausreichend ist, den Kühler 108 und seine(n) Träger 144 zusammen und in einer relativen Position für die Ausrichtung zu den Trägerbefestigungsorten für eine ordnungsgemäße Montage in einem einstufigen Vorgang zu halten. 14 illustriert einen Fall, in welchem ein einzelner Kühler sich unterhalb von vier Modulen erstreckt und somit erforderlich ist, dass er vor der Montage mit vier Trägern vorinstalliert wird.
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18 illustriert, dass annehmbare Werte von TIM-Druck und TIM-Druckeinförmigkeit mit diesem neuen Stützträger erzielt werden, während 19 das Gleiche illustriert, wenn der Kühler 108 an den Modulseitenschienen befestigt wird.
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Die 12-15 und 20-22 offenbaren ein zweiten Ausführungsbeispiel einer Batteriekühler-Stützkonstruktion 100. die Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel hat ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel einen Batteriekühler 108 und einen Rahmen 102, wobei der Rahmen 102 eine Wand 104 und eine Leiste 106 hat, wie vorstehend mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel (10 und 11) beschrieben ist, und der Leser wird auf die anderen Teile der Offenbarung für das Verständnis solcher Teile der Batteriekühler-Stützkonstruktion 100 verwiesen. Jedoch ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Kühlerstützstruktur 110 zwischen dem Batteriekühler 108 und den Leisten 106 des Rahmens 102 positioniert. Daher klemmen der Batteriekühler 108 und die Leisten 106 der Wand 104 (Teil des Rahmens 102) die Stützstruktur 110 ein.
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Die Stützstruktur 110 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Träger 144, der sich von einer Leiste 104 des Rahmens 102 zu der gegenüberliegenden Leiste 104 des Rahmens 102 erstreckt. Der Träger 144 hat einen mittleren bogenförmigen Trägerabschnitt 148, der sich von einer ebenen Oberfläche 150 nahe den Ende 146 des Trägers 144 erstreckt. Die konvexe Fläche des mittleren bogenförmigen Trägerabschnitts 148 kontaktiert den Batteriekühler 108, wobei die ebene Oberfläche 150 des Trägers 144 nahe den Enden 146 des Trägers 144 für die Positionierung über der Leiste 104 des Rahmens 102 vorhanden ist. Daher ergibt sich vor der vollständigen Montage der Batteriekühler-Stützkonstruktion die Form des mittleren bogenförmigen Trägerabschnitts 148 in der Mitte des mittleren bogenförmigen Trägerabschnitts 148, der in Kontakt mit dem Batteriekühler 108 ist, während der andere Bereich des mittleren bogenförmigen Trägerabschnitts 148 sich von dem Batteriekühler 108 weg bewegt, wenn er sich zu den Leisten 104 des Rahmens 102 hin erstreckt.
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Eine Biegung 152 ist in dem Träger 144 zwischen der ebenen Oberfläche 150 und dem mittleren bogenförmigen Trägerabschnitt 148, die dazu führt, dass die Krümmung des Trägers 144 nahe der ebenen Oberfläche 150 in einer Richtung, die sich zu dem Batteriekühler 108 hin erstreckt, gebogen ist. Dies ergibt einen Träger 144 mit einer im Allgemeinen W-förmigen Struktur, wenn er von der Seite aus betrachtet wird.
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Bei einem hier offenbarten Ausführungsbeispiel hat der Träger 144 eine Welligkeit, wenn der Träger 144 von der Seite aus entlang seiner Länge betrachtet wird. Mit anderen Worten, der Träger 144 ist mit Rippen 154 versehen, die entlang der Länge des Trägers 144 gebildet sind, und hat daher einen gewellten Querschnitt. Derartigen Rippen tragen dazu bei, der Kühlerstützstruktur 100 (12-15 und 20-22) weitere Festigkeit zu verleihen.
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Um eine geeignete Positionierung des Trägers 144 unter dem Batteriekühler 108 sicherzustellen, derart, dass der Träger 144 eine angemessene Stützung des Moduls erzielen kann, ist bei einem Ausführungsbeispiel der Träger 144 mit einer Öffnung 156 versehen, während der Kühler 108 mit einem Vorsprung 158 versehen ist, der mit der Öffnung 156 in dem Träger 144 in Eingriff treten kann (14, 15 und 20-22), um eine geeignete Positionierung des Trägers unter dem Kühler sicherzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist, wie in den 14, 15 und 20 gezeigt ist, die Öffnung 156 in dem Träger 144 zentral in dem mittleren Bogenabschnitt 148 positioniert, wobei der Vorsprung 158 auch zentral positioniert ist und sich von dem Batteriekühler 108 weg erstreckt. Die ebene Oberfläche 150 des Trägers 144 kann auf den Leisten 106 der Batteriepaket-Stützstruktur 100 ruhen, und die gesamte Anordnung wird während der Zellenmodulmontage abwärts auf die kalte Platte gedrückt. Der mittlere gebogene Trägerabschnitt 148 wirkt den Auslenkungskräften in der Mitte der relativ geringer starren kalten Platte entgegen, derart, dass ein gleichförmigerer Kontaktdruck zwischen den Zellenmodulen 4 und dem Batteriekühler 108 aufrechterhalten wird.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können, beispielhaft und ohne Beschränkung, Öffnungen 156 in der ebenen Oberfläche 150 gebildet sein (12, 14, 21 und 22), um ein Befestigungsmittel aufzunehmen wie, beispielhaft und ohne Beschränkung, einen Schweißansatz oder anderen Vorsprung 158.
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Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann ein Ende des Trägers 144 mit dem Batteriekühler 108 gekoppelt sein (21). Beispielsweise können Befestigungsmittel verwendet werden, die mit der Öffnung 156 an einem Ende des Trägers und auch einem Ende des Batteriekühlers 108 in Eingriff treten können, während das andere Ende des Trägers 144 ungekoppelt bleibt. Bei Anordnung des trägergekoppelten Kühlers auf dem Rahmen können das freie Ende des Trägers 144 und der Batteriekühler 108 zur Befestigung und zur Bereitstellung einer strukturellen Stütze des Batteriekühlers 108 in seiner gekoppelt werden. Während der Zellenmodulmontage wird die Anordnung aus kalter Platte und Träger zusammengedrückt (wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel); der gebogene Träger 144 übt einen Gegendruck auf die andernfalls ausgelenkte kalte Platte 108 aus, um einen gleichförmigeren Kontaktdruck des Zellenmoduls 4 auf die kalte Platte 108 über die gesamte Ausdehnung der kalten Platte 108 aufrechtzuerhalten.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel (22) ist eine Trägeranordnung gezeigt, die an beiden Enden der kalte Platte 108 vorbefestigt ist. Da fixierte Vorbefestigungen an jedem Ende eine Vorkompression der Anordnung vor der Installation des Zellenmoduls 4 erfordern, kann dies zu einer Verformung der dünneren und weniger starren kalten Platten 108 führen, bei der die kalte Platte plastisch verformt (Krümmung) werden kann, wodurch die Integrität der Zellenkontakt-Schnittstelle in der späteren Zellenmodul-Montagestufe verschlechtert wird. Um dies zu vermeiden, kann, wie in dem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, die Trägeranordnung ein oder beide Enden frei haben, um vertikal zu gleiten (22 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem freien gleitenden Ende), damit eine Kompression des Trägers 144 nur während der Montage des Zellenmoduls 4 stattfindet und somit die kalte Platte 108 flach bleibt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem Gleitstifte an beiden Enden verwendet werden, ist es möglich (abhängig von der Gestaltung der Kantenrahmenschiene), dass die Stiftverlängerung nach der Kompression durch benachbarte Strukturen oder eine Befestigungsleiste behindert wird. Ein optionaler Weg zur Lösung dieses Problems Abbrechstifte zu verwenden, die sich anfänglich entweder in der Aufwärts- oder der Abwärtsrichtung erstrecken, mit der Idee, dass die übermäßige Stiftlänge abgebrochen wird, wenn das Gleiten / die Zellenmodulkompression erzielt wurde.
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Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Merkmale des Trägers 144 zum Steuern die zum Aufrechterhalten eines gleichförmigen Kontaktdrucks (proportional zur Trägerspannlänge) benötigte Krümmung und die Notwendigkeit zum Aufrechterhalten der Parallelität zwischen der äußeren Lippe und dem angrenzenden parallelen gekrümmten Endbereich des Trägers 144. Der hier offenbarte Träger (oder die strukturelle Stütze) kann ein geringes Profil / eine dünne Struktur haben aufgrund von Systemraum-Montagebeschränkungen. Daher können bei einigen Ausführungsbeispielen getrennte, leichte Träger (oder strukturelle Stützen) verwendet werden anstelle des Hinzufügens von Materialdicke oder Standardversteifungsrippen zu der Dicke der kalten Platte. Darüberhinaus kann die gewählte Trägerform weiterhin dazu beitragen, Steifigkeit in einer zu der durch den Wärmetauscher definierten Ebene senkrechten Richtung bereitzustellen. Wie durch einen Fachmann erkannt wird, sind andere Formen (anstelle eines gewellten Trägers) ebenfalls denkbar.
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Der Träger ist normalerweise vorzugsweise über die kürzere Spanne in einem rechteckigen Zellenpaket orientiert, und bei einem Ausführungsbeispiel befindet sich ein Träger 144 unter jedem Zellenmodul 4. Jedoch können alternative Orientierungen und eine geringere Anzahl von Trägern verwendet werden, abhängig von Gestaltungskompromissen zwischen Graden der benötigten Zellenkontaktgleichförmigkeit und Material- oder Komponentenkosten. Komplexere Trägerformen sind auch möglich, um Kräfte unter Verwendung von weniger Trägern zu versuchen und auszugleichen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden, beispielhaft und ohne Beschränkung, hybride Anordnungen verwendet, bei denen unter der kalte Platte 108 Träger 144 in Verbindung mit Versteifungsschienen oder Bögen über der kalten Platte (Kombination aus dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel) verwendet werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel kann in besonders langen Zellenpaketen (kalten Platten) nützlich sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel trägt, wie hier offenbart ist, ein einzelner Träger 144 zum Stützen der Oberfläche eines unter einem einzelnen Modul 4 positionierten Kühlers 108 bei. Daher können mehrere Träger 144 unter einem einzelnen Kühler 108 positioniert werden, wobei jeder Träger 144 unter einem Modul 4 positioniert ist, um eine strukturelle Stützung für den Kühler 108 bereitzustellen.
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Der Kühler 108 ist, wie hier offenbart ist, nicht besonders beschränkt und einem Fachmann bekannt. Der Kühler 108 (oder Wärmetauscher) bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Batteriezellenkühler mit zwei Platten, die zusammen einen Fluidströmungskanal zwischen den Platten definieren. Die Platten des Kühlers sind auch mit einem Einlass und einem Auslass versehen, die einem Fluid (Kühlmittel) ermöglichen, von dem Einlass zu dem Fluidströmungskanal zu strömen und durch den Auslass aus dem Kühler auszutreten.
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Gewisse Anpassungen und Modifikationen können bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden. Daher sind die vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batteriezelle
- 4
- Batteriemodul
- 6
- Batteriemodulrahmen
- 8
- Batteriekühler
- 100
- Kühlerstützkonstruktion
- 102
- Rahmen
- 104
- Wand des Rahmens
- 106
- Leiste
- 108
- Wärmetauscher (Kühler)
- 110
- Stützstruktur
- 112
- Kühlerplattenpaar
- 114
- Fluiddurchgang
- 116
- Kühlereinlass
- 118
- Kühlerauslass
- 120
- Erste Kante des Kühlers
- 122
- Zweite Kante des Kühlers
- 124
- Dritte Kante des Kühlers
- 126
- Vierte Kante des Kühlers
- 128
- Vorsprünge
- 130
- Löcher in Vorsprüngen
- 132
- Basis der Stützstruktur
- 134
- Erstes Ende der Basis
- 136
- Zweites Ende der Basis
- 138
- Gebogener Träger
- 140
- Ansätze in Stützstruktur
- 142
- Sockel
- 144
- Träger
- 146
- Trägerende
- 148
- Mittlerer Bogen des Trägers
- 150
- Ebene Oberfläche des Trägers
- 152
- Biegung im Träger
- 154
- Rippen
- 156
- Öffnung im Träger
- 158
- Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/436144 [0001]
- WO 2016168932 [0024]
- WO 2012055044 [0024]
- WO 2016109881 [0024]
- WO 2016015156 [0024]
- WO 2016113161 [0024]
