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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein alleinstehendes Batteriemodul
von nebeneinander gestellten elektrochemischen Zellen gerichtet.
Eine Mehrzahl von Modulen ist der Reihe nach zusammen angeordnet,
um eine Batteriepackung zu bilden. Obwohl die Zellen jeden Typs
sein können,
sind Lithium-Ionen-Zellen besonders brauchbar, wenn das Modul in
einer Batteriepackung für
ein elektrisches Fahrzeug verwendet wird.
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2. Stand der
Technik
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US 5,378,555 von Waters
et al. offenbart eine Batteriepackung für ein elektrisches Fahrzeug, wobei
eine Mehrzahl von Batterien in eine Abstützwanne gesetzt ist und mechanisch
zusammen durch Verriegelungsstecker verbunden ist. Die Verriegelungsstecker
weisen Passagen für
eine elektrische Verbindung zwischen Batterien durch Kabel auf,
sowie für
Kühlrohre
und für
Verdrahtungssysteme für elektronische
Steuerungen der Pakete. Jedoch hat die in Waters offenbarte Batteriepackung
die Nachteile, dass sie ein großes
Volumen hat und komplexe mechanische, elektrische sowie thermische
Verbindungen zwischen den Batterien in der Batteriepackung hat.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es die Vorteile des Standes
der Technik zu überwinden.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriemodul
zum Halten einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen für die bequeme
Verwendung als eine Batterie bereitzustellen. Ein anderes Ziel ist es
ein Batteriemodul bereitzustellen, das Komponententeile hat, die
einfach herzustellen sind. Ein weiteres Ziel ist es ein Batteriemodul
bereitzustellen, das einfach zu montieren ist. Ein weiteres Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es ein einfach konstruiertes Batteriemodul
bereitzustellen, das unterschiedlich große Zellen unterbringen kann,
während
Rattern verhindert ist, wobei eine zweckmäßige thermische Betriebstemperatur
aufrechterhalten ist und es einfache elektrische Verbindungen hat.
Ein weiteres Ziel ist es ein Batteriemodul bereitzustellen, dessen
Volumen und Gewicht reduziert ist.
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Das
allein stehende Batteriemodul der vorliegenden Erfindung weist eine
Konfiguration auf, die das Gesamtvolumen des Moduls reduziert sowie
die Verbindung mit einer Mehrzahl von Modulen erleichtert, um eine
Batteriepackung zu bilden. Ferner reduziert die Konfiguration des
Moduls das Gesamtgewicht des Moduls, wodurch das Leistungsgewichtsverhältnis und
das Energiegewichtsverhältnis
sowohl des Moduls als auch das einer jeden Batteriepackung erhöht ist,
in das es enthalten ist. Außerdem,
die Teile, die das Modul ausmachen, sind konstruiert ihre Herstellung
zu vereinfachen, sowie die Montage des Moduls zu vereinfachen.
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Das
alleinstehende Batteriemodul der vorliegenden Erfindung weist auf:
(a) eine mechanische Konfiguration; (b) eine Thermal-Management-Konfiguration;
(c) eine Elektrikverbindungskonfiguration; und (d) eine Elektronikkonfiguration.
Ein derartiges Modul ist voll austauschbar in einer Batteriepackungsanordnung,
mechanisch, aus der Sicht des Thermal-Managements, und elektrisch.
Mit der gleichen Hardware kann das Modul unterschiedliche Zellengrößen unterbringen
und kann dadurch unterschiedliche Kapazitäten haben, weil Saft-Zellen
mit dem gleichen Durchmesser, jedoch mit unterschiedlichen Längen für unterschiedliche
Kapazitäten,
konstruiert sind. Die Modulstruktur ist konstruiert, um die Elektroniküberwachung,
Schutz und bestückte
Leiterplatten (PWAs) unterzubringen sowie einen Luftstrom durch
das Modul zu ermöglichen.
Eine Mehrzahl von Modulen kann einfach miteinander verbunden werden,
um eine Batteriepackung zu bilden. Die Batteriepackung ist insbesondere
nützlich
als eine Leistungsquelle für
ein elektrisches Fahrzeug.
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a) Mechanische Konfiguration
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In
dem Batteriemodul der vorliegenden Erfindung ist eine Zellanordnung
einer Mehrzahl von Zellen, die zwischen einem Paar Zellhaltetafeln
gehalten sind, die beispielsweise der Reihe nach durch Verbindungsstangen
verbunden sind. Die Zellen sind ausgerichtet, so dass ihre Längsachsen
parallel zueinander sind und senkrecht zu den Haltetafeln sind.
Die Zellanordnung ist innerhalb einer Schale enthalten. Eine Endkappe
ist dann an jeder Haltetafel befestigt mit Raum zwischen der Endkappe
und der Haltetafel. Innerhalb jeder Endkappe sind zwei Mündungen.
Auf der einen Seite des Moduls sind die Mündungen in einer Endkappe für den Lufteintritt,
wohingegen die Mündungen
in der gegenüberliegenden
Endkappe für
den Austritt sind. Auf der Eintrittsseite ist der Raum zwischen
der Endkappe und der Haltetafel ein Luftverteiler. Da die Mündungen
in den Endkappen gleich sind, kann die Endkappe entweder die Eintrittsseite
oder die Austrittsseite des Moduls sein.
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Jede
Haltetafel hat eine erste Seite, eine zweite Seite und dazwischen
eine Stärke.
Auf der ersten Seite ist eine Mehrzahl von Hohlräumen, die in die Haltetafel
sich erstrecken, jedoch bis zu einem Ausmaß, das weniger als die Stärke der
Haltetafel ist, um einen Hohlraumboden zu bilden. Die Umfangsgestalt
eines jeden Hohlraums passt mit der Umfangsgestalt der Zelle zusammen,
um darin gehalten zu werden. Bevorzugt haben die Zellen und die
Hohlräume
eine kreisförmige
Umfangsgestalt, die eine gute Volumenreduktion des Moduls aufgrund
der Erleichterung des miteinander Verschachtelns der Zellen bereitstellt.
Eine Mehrzahl von Hohlräumen
ist entlang der Länge
der Haltetafel ausgerichtet, um eine erste Linie zu bilden. Eine
zweite Linie weist eine Mehrzahl von Hohlräumen auf, die bezüglich der Hohlräume der
ersten Linie gestaffelt sind. Eine dritte Linie weist eine Mehrzahl
von Hohlräumen
auf, die bezüglich
der Hohlräume
der zweiten Linie gestaffelt sind, die jedoch bezüglich der
Hohlräume
der ersten Linie ausgerichtet sind. Die vorhergehende Anordnung
der kreisförmigen
Hohlräume
erlaubt, dass die Zellen einfach zusammen verschachtelt sind, wodurch
das gesamte Volumen des Moduls reduziert ist. Da die zweite Linie
sowohl von der ersten als auch von der dritten Linie versetzt ist,
formt sie in dem Modul einen Vorsprung auf der einen Seite und eine
Aussparung auf der anderen Seite. Der Vorsprung und die Aussparung
helfen beim Zusammenverriegeln der Module, um eine Batteriepackung
zu bilden, die ein reduziertes Gesamtvolumen hat, als auch eine
erhöhte
Stabilität.
D. h., wenn der Vorsprung an einem Modul mit der Aussparung an einem benachbarten
Modul ausgerichtet wird, werden die Module zusammen verschachtelt
und werden gegenseitig stabil gehalten, während ein minimales Gesamtvolumen
der Batteriepackung erzielt wird.
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Innerhalb
des Umfangs eines jeden Hohlraums ist ein erstes Durchgangsloch,
in dem ein Anschluss der von dem Hohlraum gehaltenen Zelle untergebracht
ist. Einige der Hohlräume
weisen auch ein zweites Durchgangsloch auf, das ein Füllrohr der Zelle
unterbringt. Das zweite Durchgangsloch ist in den Hohlräumen, die
das negative Ende der Zelle halten, weil dieses Ende der Zelle das
Füllrohr
aufweist. Der Hohlraumboden kann einen ausgesparten Abschnitt aufweisen,
um eine Anschlussplatte der Zelle unterzubringen. Jeder Hohlraum
kann an seinem Umfang auch eine Mehrzahl von Keilen aufweisen. Jeder
Keil kann als dreieckiger Steg geformt sein, der zwischen der Seitenwand
und des Hohlraumbodens sich erstreckt. Die Keile helfen beim Halten
einer Zelle innerhalb eines Hohlraums der Haltetafel. Bei Aufbringen
von Druck und/oder von Wärme
an den rechten Stellen während
der Montage der Zellen zwischen den Zellhaltetafeln sind die Keile geformt,
um Rütteln
der Zelle innerhalb des Hohlraums zu eliminieren und unterschiedliche
Zellhöhen unterzubringen.
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Jede
Haltetafel weist auch auf eine Mehrzahl von Löchern durch ihre Stärke auf,
die jedoch nicht innerhalb des Umfangs jeden Hohlraums platziert sind.
Einige der Durchgangslöcher
bringen einen Luftstrom durch die Haltetafel unter. Dieser Typ Durchgangslöcher kann
verschiedene Größen haben,
abhängig
von seiner Anordnung relativ zu den Hohlräumen auf der Haltetafel, und
kann beispielsweise eine Schlitztypkonfiguration haben. Dieser Typ Durchgangslöcher, in
Verbindung mit den Öffnungen in
den Endkappen, stellt einen einfach herzustellenden Mechanismus
zum Steuern des Thermal-Managements des Moduls bereit. Natürlich können auch andere
brauchbare Formen der Luftstromdurchgangslöcher verwendet werden. Andere
Durchgangslöcher
bringen Verbindungsstangen unter, oder andere zweckmäßige Mittel,
die zwischen dem Paar von Haltetafeln sich erstrecken, um die Haltetafeln zusammenzubefestigen
mit den Zellen dazwischen.
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Die
zweite Seite einer jeden Haltetafel weist Laschen zur Befestigung
einer Endkappe auf. Da die Laschen als ein Teil der Haltetafel gebildet
sind, ist eine reduzierte Anzahl von separaten Teilen für die Montage
des Moduls notwendig, was dadurch erleichtert wird. Die Laschen
können
unterschiedliche Konfigurationen haben, abhängig davon, wie die Endkappe
und die Haltetafel verbunden sind. In einer ersten Konfiguration
weisen die Laschen darin mit Gewinde versehene Einsätze auf,
die Schrauben aufnehmen. Die Schrauben sind durch die eine Endkappe
eingesetzt und in dem mit Gewinde versehenen Einsatz in der Lasche
eingesetzt, um die Verbindung zu bilden. In einer zweiten Konfiguration
weisen die Laschen darin Sacklöcher
auf, in die Nieten eingesetzt sind. Die Nieten sind durch die eine
Endkappe und das Loch der Lasche eingesetzt. Die Nieten sind dann
innerhalb des Lochs in der Lasche aufgeweitet, um die Verbindung
zu bilden. In einer dritten Konfiguration weisen die Laschen zwei
Abschnitte auf. Ein erster Abschnitt erstreckt sich von der zweiten
Seite der Haltetafel. Ein zweiter Abschnitt, der etwas kleiner im
Umfang als der erste Abschnitt ist, erstreckt sich von dem ersten
Abschnitt. Da der zweite Abschnitt im Umfang kleiner als der erste
Abschnitt ist, ist eine Schulter oder ein gestufter Abschnitt gebildet,
um an eine Endkappe anzustoßen.
Der zweite Abschnitt ist durch eine Öffnung in einer Endkappe eingesetzt,
um davon sich zu erstrecken. Dann wird der zweite Abschnitt erwärmt und
deformiert durch einen plastischen Nietvorgang, um die Verbindung
zu bilden. In der ersten und in der zweiten Konfiguration bestimmt
die Höhe
der Laschen die Höhe
des Luftverteilers, wohingegen in der dritten Konfiguration die Höhe des ersten
Abschnitts dieses tut. Deshalb stellen die Laschen auch eine einfache
Art und Weise bereit, die Endkappen mit den Haltetafeln zu verbinden,
insbesondere in der dritten Ausführungsform, während auch
einfach eine genaue Höhe
des Verteilers aufrechterhalten wird.
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Die
zweite Seite einer jeden Haltetafel weist auch Aussparungen auf,
die gestaltet sind elektrische Bus-Verbinder unterzubringen, die
zwischen Paaren von Zellen sich erstrecken. Die Aussparungen erstrecken
sich nicht durch die gesamte Stärke der
Haltetafel, sind aber tief genug, so dass die Bus-Verbinder unterhalb
der zweiten Seite der Haltetafel sind. In einer derartigen Art und
Weise stellt die Haltetafel selbst eine elektrische Isolation zwischen den
Verbindern bereit, von denen jeder zwischen einem Paar von Zellanschlüssen sich
erstreckt. Die Haltetafel selbst stellt also eine Isolation zwischen den
Verbindern und den Zellengehäusen
bereit, die negativ geladen sind. Da die Zellhaltetafeln die notwendige
Isolation bereitstellen, sind separate Isoliermaterialien eliminiert,
wodurch das Gewicht des Moduls reduziert ist. Ferner sind die Aussparungen
gestaltet, um einen komplementär
gestalteten Bus-Verbinder unterzubringen. Deshalb dienen die Haltetafeln
als eine Schablone oder ein Abbild zum Bewerkstelligen der elektrischen
Verbindungen zwischen Zellen und des Moduls. Da die Aussparungen
nur einen komplementär
gestalteten Bus-Verbinder unterbringen, ist die Montage des Moduls
vereinfacht.
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Die
Zellmontage, die eine Mehrzahl von zwischen zwei Haltetafeln gehaltenen
Zellen aufweist, wird in eine Schale eingesetzt und dann werden
die Endkappen an die Haltetafeln befestigt. Die Schale ist dimensioniert,
so dass sie etwas kürzer
ist als der Abstand zwischen den Endkappen, nachdem sie mit den
Haltetafeln befestigt wurden. In einer derartigen Art und Weise
nimmt die Schale keine Spannungsbelastung auf, die an den Endkappen
anliegt. D. h., es ist ermöglicht,
dass die Schale zwischen den Endkappen „schwimmt". Deshalb kann die Schale dünn hergestellt
sein, wodurch das Gewicht des Moduls weiter reduziert ist. Außerdem hat
die dünne
Schale eine einfache Gesamtgestalt, die einfach hergestellt werden
kann. Da die Endkappen eine Kraftbelastung aufnehmen, können sie
auf ihrer Oberfläche
Versteifungsrippen aufweisen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist nur eine Haltetafel vorgesehen. Mit dieser Anordnung ist das
Modul nicht alleinstehend, wird jedoch als ein Teil einer Batteriepackung
verwendet.
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b)Thermal-Management-Konfiguration
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In
dem Modul sind die Zellen im Abstand voneinander durch einen Zelle-zu-Zelle-Abstand angeordnet,
der zwischen dem Außenumfang
der einen Zelle und dem Außenumfang
einer benachbarten Zelle gemessen wird. Die der Schale benachbarten Zellen
sind davon durch einen Zelle-zu-Schale-Abstand im Abstand voneinander
angeordnet. Die Temperaturdifferenz zwischen der inneren Oberfläche (an einem
innseitigen Durchmesser einer Zelle mit einem hohlen Kern) und einer äußeren Oberfläche (an
einem außenseitigen
Durchmesser einer Zelle mit einem hohlen Kern) einer jeden Zelle
ist ΔT.
Eine Endkappe ist an jeder Haltetafel mit einem Raum zwischen der
Endkappe und der Haltetafel befestigt. Innerhalb einer jeden Endkappe
sind zwei Mündungen. Auf
der einen Seite des Moduls sind die Mündungen in einer Endkappe für den Lufteintritt,
wohingegen die Mündungen
in der gegenüberliegenden
Endkappe für
den Austritt sind. Auf der Eintrittsseite ist der Raum zwischen
der Endkappe und der Haltetafel ein Luftverteiler.
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1) Erste Ausführungsform
der Thermal-Management-Konfiguration des Moduls:
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Eine
Batteriemodulanordnung, wobei eine einheitliche Luftgeschwindigkeit
innerhalb des Moduls erzielt wird. Um eine gleichförmige Luftgeschwindigkeitsverteilung
an allen Spalten sowohl zwischen den Zellen als auch zwischen den
Zellen und der Schale innerhalb der Wand zu erzielen, ist ein Lufteintrittsverteiler
konstruiert – sowohl
analytisch als auch experimentell – mit zwei Mündungen als
Lufteintritt auf der eintrittsseitigen Endkappe; jede Mündung hat
einen Satz von Öffnungen
mit speziell ausgewählter
Geometrie und Größe auf der
Seitenwand und dem Boden. Die Lufteintrittsgeschwindigkeitsverteilung
wird durch die Größe und die
Anordnung einer jeden Eintrittsmündung
gesteuert, die Höhe
des Luftverteilers, die zwischen der inneren Oberfläche der
Endkappe und der oberen Oberfläche der
Zellentafel gebildet wird, die Größe sowie die Geometrie und
die Anordnung einer jeden Öffnung
auf der Seitenwand und/oder dem Boden einer jeden Lufteintrittsmündung. Als
nicht einschränkendes
Beispiel sind der Verteiler und die Eintrittsmündungen konstruiert, so dass
Eintrittsluft, die mit 5 m/s eintritt, auf der Austrittsseite des
Moduls mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 3,5 und 4,5
m/s austritt und an dem Austrittspunkt der Zelle-zu-Zelle- oder Zelle-zu-Schale-Spalten
gemessen wird. Dies wurde experimentell für eine ausgewählte Verteilerkonstruktion
verifiziert. Der Luftverteiler, der einfach und genau von der Verbindung
zwischen der Zellhaltetafel und der Endkappe gebildet wird, ermöglicht die
Steuerung der Temperatur innerhalb der Zelle durch Steuern des Luftdurchsatzes.
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2) Zweite Ausführungsform
der Thermal-Management-Konfiguration des Moduls:
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Eine
Batteriemodulanordnung, wobei eine gleichförmige Temperaturverteilung
quer zur Zelle erzielt wird. Um eine gleichförmige Temperaturverteilung
zu erzielen, ist die Höhe
des Verteilers minimiert, während
dieser dennoch die Zellen, notwendige Hardware und Zellen-zu-Zellen-Verbindern
unterbringt. Die Lufteintrittsmündungen
brauchen keine spezialisierte Gestalt zu haben. Die Zelle-zu-Zelle- und
die Zelle-zu-Schale-Abstände wurden
experimentell und analytisch ausgewählt, um eine gleichmäßige Luftgeschwindigkeit
durch die Zellanordnung mit einem Minimum an Druckabfall quer zu
dem Modul und einem Minimum an Luftdurchsatz aufrechtzuerhalten.
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Da
hier keine spezialisierte Gestalt für die Lufteintrittsmündungen
notwendig ist, herrscht hier kein bestimmter Lufteintritt und Austritt.
D. h., jede Seite des Moduls kann Eintritt/Austritt sein und Luft kann
durch das Modul in jede Richtung strömen. In der vorhergehenden
Konfiguration kann jede Zelle innerhalb des Moduls bei einem vorher
bestimmten ΔT aufrechterhalten
werden, abhängig
von dem Lufteintrittsdurchsatz.
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c) Elektrikverbinderkonfiguration
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Es
gibt zwei Typen von Elektrikverbindern innerhalb des Moduls. Ein
erster Typ des Verbinders erstreckt sich zwischen den Zellen des
Moduls. Ein zweiter Typ des Verbinders erstreckt sich zwischen zwei
gemeinsamen Potentialen der elektrisch verbundenen Gruppen von Zellen
in dem Modul und der gewünschten
Lastanwendung außerhalb
des Moduls.
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Der
erste Typ Verbinder ist ein elektrisch leitender Bus-Verbinder.
Jeder Bus-Verbinder ist ein Materialstreifen mit einem ersten Ende
und einem zweiten Ende. Sowohl auf dem ersten Ende als auch dem
zweiten Ende ist ein Loch, um einen Zellschlusszapfen unterzubringen.
Der erste Typ Verbinder kann entweder gerade sein oder einen gekrümmten Bereich
aufweisen. Die Gestaltungen der Verbinder sind komplementär zu der
Gestalt der Aussparungen in den Zellhaltetafeln, um sicherzustellen,
dass die Zellen richtig verbunden sind. Ein Fahnenanschluss ist zwischen
dem ersten und dem zweiten Ende des Streifens befestigt. Der Fahnenanschluss
stellt eine einfache Verbindung zwischen den Modulzellen und dem
elektronischen Modulsteuersystem bereit. Die Verbinder sind antikorrosionsbehandelt.
Wegen ihrer Konfiguration sind die Bus-Verbinder einfach herzustellen.
Außerdem,
wegen der einfachen Verbindung, die durch den Fahnenanschluss auf
den Bus-Verbinder bereitgestellt ist, ist die Montage des Moduls
vereinfacht.
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Der
zweite Typ Verbinder, ein Leistungsverbinder, weist einen L-förmigen elektrisch
leitenden Block auf. In dem Ende eines ersten Schenkels des L-förmigen Blocks
ist ein mit einem Gewinde versehenes Sackloch. Der erste Schenkel
erstreckt sich durch ein Vierkantloch in einer Endkappe des Moduls,
um die Verbindung mit dem mit einem Gewinde versehenen Loch von
außerhalb
des Moduls zu ermöglichen.
Der zweite Schenkel des L-förmigen Blocks
weist ein Durchgangsloch in einer seiner Seitenflächen auf.
Ein Draht ist mit dem Loch in dem zweiten Schenkel verbunden und
mit einer Lap penverbindung. Die Lappenverbindung ist dann mit dem gemeinsamen
Potential von allen Zellen innerhalb des Moduls verbunden.
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d) Elektronik-Konfiguration
des Moduls
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Das
Modul weist ein elektronisches Steuersystem auf, das mit den Zellen
innerhalb des Moduls verbunden ist, um die Spannung und die Temperatur einer
jeden Zelle zu überwachen.
Das elektronische Steuersystem wird auch zur Kommunikation mit anderen
Modulen verwendet, sowie zur Zellbalance während des Aufladezykluses des
Moduls.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
hervorgehenden und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden noch deutlicher durch die detaillierte Beschreibung ihrer bevorzugten
Ausführungsformen
bezüglich
der anhängenden
Zeichnung, wobei:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung
des Moduls der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Unteransicht einer eintrittsseitigen
Zellhaltetafel gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine Draufsicht der eintrittsseitigen Zellhaltetafel
aus 2 mit elektrochemischen Zellen
und daran befestigten Bus-Verbinder zeigt;
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4 eine Draufsicht der eintrittsseitigen Zellhaltetafel
aus 2 zeigt;
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5 eine Schnittdarstellung der eintrittsseitigen
Zellhaltetafel entlang der Linie I-I aus 4;
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6 eine Unteransicht der eintrittsseitigen Zellhaltetafel
aus 2;
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7 eine Unteransicht der austrittsseitigen Zellhaltetafel
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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8 eine Unteransicht einer eintrittsseitigen
Endkappe gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9 eine Unteransicht der eintrittsseitigen Endkappe
wie in 8 zeigt;
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10a bis c eine
Draufsicht, eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht
eines langen Bus-Verbinders gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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11a bis c eine
Draufsicht, eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht
eines kurzen Bus-Verbinders gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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12a bis f einen
Leistungsverbinder der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei in 12a eine perspektivische Ansicht mit einem
Kabel gezeigt ist, das an eine Ausführungsform des Leistungsverbinders
befestigt ist, und 12b bis c eine Draufsicht und eine Seitenansicht
des in 12a gezeigten Leistungsverbinders
gezeigt ist und 12d bis f einen Grundriss, eine Draufsicht und
Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
des Leistungsverbinders gezeigt ist;
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13 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen
Zelle zeigt; und
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14a bis d Seitenansichten
einer ersten bis dritten Ausführungsform
einer Lasche zum Verbinden einer Zellhaltetafel mit einer Endkappe
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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15A bis C Ansichten
einer zweiten Ausführungsform
der Zellhaltetafel zeigen, wobei in 15A eine
Draufsicht, in 15B eine Querschnittsdarstellung
entlang der Linie des II-II aus 15A und
in 15C eine perspektivische Ansicht
gezeigt ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist das Modul
der vorliegenden Erfindung eine Zellanordnung 2 auf, die in einer
Schale 80 eingesetzt ist, die ihrerseits von Endkappen 50, 50' verschlossen ist.
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Die
Zellanordnung 2 ist von einer Mehrzahl von Zellen 4 gebildet, die
zwischen einem Paar von Zellhaltetafeln 20, 20' gehalten sind, die ihrerseits durch
die Verbindungsstangen 14 und Muttern 16 verbunden sind. Die Zellen
4 sind zylindrisch und ausgerichtet, so dass ihre Längsachsen
zueinander parallel sind und senkrecht zu den Haltetafeln 20, 20' sind. Die Zellen
4 sind in drei gestaffelten Reihen ausgerichtet, so dass sie verschachtelt
sind, um das Gesamtvolumen des Moduls zu reduzieren. Die Zellanordnung
2 ist innerhalb einer Schale 80 enthalten. Die Endkappen 50, 50' sind dann mit den
Haltetafeln 20, 20' mit
einem Abstand zwischen jeder Endkappe und der jeweiligen Haltetafel
20, 20' befestigt.
Die Endkappen 50, 50' und
die Haltetafeln 20, 20' weisen jeweils
gleiche Vorsprünge
auf einem Ende und Aussparungen an einem gegenüberliegenden Ende auf. Die
Vorsprünge
und die Endkappen 50, 50' und
die Haltetafeln 20, 20' sind
in einem Vorsprungsunterbringungsabschnitt 86 der Schale 80 aufgenommen, so
dass ein Vorsprung auf einem Ende des Moduls gebildet ist. Die Aussparungen
der Endkappen 50, 50' und
der Haltetafeln 20, 20' nehmen
eine Einbuchtung 88 in der Schale 80 auf. Deshalb weist das Modul
eine Aussparung an dessen einem Ende gegenüberliegend demjenigen auf,
an dem der Vorsprung angeordnet ist. Der Vorsprung kann daher einfach
in der Aussparung eines ausgerichteten Moduls aufgenommen werden,
wodurch die Module zur festen Verbindung zwischen den Modulen einer
Batterie packung verriegelt werden können. Ferner ist das Gesamtvolumen
der Batteriepackung reduziert, da benachbarte Module verriegelt
sind.
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Die
Schale 80 ist dimensioniert, so dass sie etwas kürzer ist als der Abstand zwischen
den Endkappen 50, 50',
nachdem sie mit den Haltetafeln 20, 20' befestigt wurden. Mit einer derartigen
Anordnung nimmt die Schale 80 keine Spannungsbelastung auf, die
den Endkappen 50, 50' auferlegt
wird. D. h., der Schale 80 ist es ermöglicht zu „schwimmen" zwischen den Endkappen 50, 50'. Deshalb kann die Schale
80 dünner
gemacht sein, wodurch das Gewicht des Moduls reduziert ist. Da Saft-Zellen
mit dem gleichen Durchmesser konstruiert sind, jedoch mit unterschiedlichen
Längen
für unterschiedliche Kapazitäten, kann
die Kapazität
des Moduls einfach variiert werden durch lediglich Variieren der
Länge der
Schale 80 und der der Verbindungsstangen 14, die die Haltetafeln
20, 20' auf jede
der Seiten der Zellen 4 halten.
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Außerdem weisen
die Zellhaltetafeln 20, 20' bzw.
die Endkappen 50, 50' gleiche
Aussparungen 46 bzw. 58' entlang
jeder Längsseite
auf. Siehe 4 und 9.
Die Schale 80 weist korrespondierende Einbuchtungen 85 auf, die
sowohl in den Aussparungen 46 der Zelltafeln 20, 20' als auch in den
Aussparungen 58' der
Endkappen 50, 50' aufgenommen sind.
Die vorhergehende Anordnung reduziert das Gewicht der Zelltafeln
20, 20' und der
Endkappen 50, 50',
während
gleichzeitig die Schale 80 verstärkt wird.
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Jedes
Teil, das das Modul ausmacht, wird jetzt im Folgenden detaillierter
beschrieben.
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Zelle
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer elektrochemischen Zelle zur Verwendung in einem Modul ist
in 13 gezeigt. Jede elektrochemische Zelle
weist ein positives Ende 3 und ein negatives Ende 5 auf. Das negative
Ende 5 der Zelle weist eine Sicherheitsentlüftung 6, eine Anschlussplatte
8, eine mit einem Gewinde versehenen Zapfen 10 und ein Füllrohr 12
auf. Die Sicherheitsentlüftung
6 ermöglicht
das Austreten von übermäßigem Druck,
der sich innerhalb der Zelle aufbaut. Die Anschlussplatte 8, die
als Stromschiene dient, ist mit der negativen Elektrode (nicht gezeigt)
innerhalb der Zelle 4 und mit dem mit einem Gewinde versehenen Anschlusszapfen
10 verbunden. Der mit einem Gewinde versehene Anschlusszapfen 10
wird dann dafür
verwendet, die Zelle mit anderen Zellen innerhalb des Moduls oder mit
einem Leistungsverbinder 60 des Moduls zu verbinden. Das Füllrohr 12
wird während
der Herstellung der Zelle zum Einführen von Elektrolyt in das
Zellgehäuse
verwendet. Ferner kann die Zelle einen hohlen Kern 13 haben, um
bei dem Thermal-Management des Moduls zu helfen. Die Zelle 4 kann
von jedem gewünschten
Typ sein, z. B. eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle. Saft-Zellen
sind mit dem gleichen Durchmesser konstruiert, jedoch mit unterschiedlichen
Längen
für unterschiedliche
Kapazitäten.
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Zellhaltetafeln
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Die
eintrittsseitige Zellhaltetafel 20 und die austrittsseitige Zellhaltetafel
20' haben gleiche,
komplementäre
Strukturen und deshalb wird nur die eintrittsseitige Zellhaltetafel
20 gezeigt und detailliert unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 beschrieben.
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Die
Zellhaltetafel 20 weist eine erste Seite 21 und eine zweite Seite
23 auf, die der ersten Seite 21 gegenüber liegt, mit einer Stärke dazwischen.
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Die
erste Seite 21 der Haltetafel 20 weist darin eine Mehrzahl von Hohlräumen 22
und 22' auf. Ein jeder
der Hohlräume
22, 22' weist einen
Boden 24 und einen Umfang auf. Ein jeder der Hohlräume 22 weist
ein Durchgangsloch 28, ein Durchgangsloch 30 und in dessen Umfang
eine Aussparung 26 auf, um die Struktur an dem negativen Ende einer
elektrochemischen Zelle 4 aufzunehmen. Der mit einem Gewinde versehene
Anschlusszapfen 10 ist in dem Durchgangsloch 28 untergebracht, das
Füllrohr
12 ist in dem Durchgangsloch 30 untergebracht und die Anschlussplatte
8 ist in dem Durchgangsloch 26 untergebracht. Nur die Hohlräume 22,
22' müssen ein
jeweiliges Durchgangsloch 28 aufweisen, um jeweilige mit einem Gewinde
versehene Anschlusszapfen 10 auf den positiven Seiten der Zellen
unterzubringen. Außerdem
können
beide Typen von Hohlräumen
22 und 22' Keile
32 aufweisen, die zwischen dem Boden und einer Seitenwand und um
den Umfang des Hohlraums 22, 22' gebildet
sind.
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Die
Keile 32 nehmen unterschiedliche Zellhöhen auf und verhindern Rütteln der
Zellen innerhalb der Hohlräume
22, 22' der Haltetafeln.
D. h., nachdem all die Zellen eines Moduls zwischen der Haltetafeln
20, 20' in den jeweiligen
Hohlräumen
platziert worden sind, wird eine Kraft und möglicherweise Wärme auf
die Haltetafeln ausgeübt,
um sie zusammenzuschieben. Wenn die Haltetafeln mit den Zellen 4
dazwischen zusammengeschoben werden, werden die Keile 32 eines bestimmten
Hohlraums zu der innerhalb dieses Hohlraums platzierten Zelle deformiert.
Z. B., wenn eine Zelle 4 in einem Hohlraum etwas länger ist
als eine Zelle in einem zweiten Hohlraum, werden die Keile in dem
einen Hohlraum stärker
deformiert als die in dem zweiten Hohlraum, wodurch ein gleichförmiger Raum
zwischen den Zellhalttafeln 20, 20' aufrechterhalten wird, obwohl die Zellen
von unterschiedlicher Höhe
sind. Ferner verhindern die Keile 32 ein Rütteln der Zellen innerhalb der
Hohlräume,
wenn eine Zelle einen etwas kleineren Durchmesser hat als die Vorrichtung,
in der sie platziert ist, durch Bereitstellen eines variablen effektiven
Durchmessers für
den Hohlraum. Obwohl nur einer der Typen der Hohlräume 22,
22' als Keile 32 aufweisend
gezeigt ist, weisen alle Hohlräume
in der Haltetafel bevorzugt Keile 32 auf. Ferner, obwohl in einem
Hohlraum drei Keile gezeigt sind, kann jeder Hohlraum jede zweckmäßige Anzahl
von Keilen aufweisen.
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Die
zweite Seite der Haltetafel 20 weist Aussparungen 42 und 44 zum
Unterbringen der Bus-Verbinder 70 bzw. 76 auf. Die Aussparungen
42, 44 erstrecken sich von dem Durchgangsloch 28 eines Hohlraums
zu dem Durchgangsloch 28 eines benachbarten Hohlraums und sind in
Abhängigkeit
davon, wie die Zellen 4 des Moduls verbunden sind, d. h., in Reihe,
parallel oder eine Kombination davon, angeordnet. Da die Aussparungen
davon abhängen, wie
die Zellen verbunden sind, dienen die Haltetafeln als eine Schablone
oder ein Abbild, was die Montage des Moduls vereinfacht. Außerdem erstrecken
sich die Aussparungen 42, 44 unterhalb der zweiten Seite 23 der
Haltetafel bis zu einem Ausmaß,
das größer ist
oder gleich ist der Stärke
der Bus-Verbinder 70, 76. Durch eine derartige Anordnung stellt
die Zellhaltetafel 20 selbst eine Isolation zwischen den Bus-Verbindern
70,76 des Moduls bereit. Deshalb ist keine zusätzliche Isolation notwendig
und das Modulgewicht ist reduziert. Außerdem ist die Stärke der
Zellhaltetafel derart, dass die Position zwischen den Aussparungen
42, 44 und der Hohlräume
eine genügende
Isolation zwischen den Bus-Verbindern 70,76 und den elektrochemischen
Zellen 4 bereitstellt, deren Außenbehältnisse
in einer Lithium-Ionen-Zelle beispielsweise negativ geladen sind.
Noch einmal, da die Haltetafel 20 selbst genügend Isolation bereitstellt,
ist eine zusätzliche
Isolation nicht notwendig, wodurch das Gewicht des Moduls reduziert
ist und die Herstellung vereinfacht ist.
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Außerdem weist
die zweite Seite der Zellhaltetafel 20 Laschen 40 zum Verbinden
der Haltetafel 20 mit einer Endkappe 50 auf. Da die Laschen 40 mit der
Haltetafel 20 gebildet sind, ist die Anzahl von separaten Teilen
reduziert, wodurch die Montage des Moduls vereinfacht ist. Obwohl
vier Laschen 40 gezeigt sind kann jede zweckmäßige Anzahl verwendet werden.
Jede der Laschen 40 weist eine Struktur auf, die die Befestigung
der Endkappe 40 mit der Haltetafel 20 vereinfacht, während auch
ein Raum dort dazwischen für
die Verwendung als ein Luftverteiler in einem Thermal-Management
des Moduls genau aufrechterhalten ist.
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In
einer ersten Ausführungsform,
wie in 14c bis d gezeigt
ist, erstrecken sich die Laschen 40 von der Zellhaltetafel 20 und
weisen Löcher
41 in deren Enden auf. Die Löcher
41 sind dimensioniert, um Nieten 49' darin aufzunehmen. Nachdem die Nieten
49' in die Löcher 41
eingesetzt sind, werden die Enden der Nieten 49' in den Löchern 41 aufgeweitet, um die
Endkappe 50 mit der Zellhaltetafel 20 fest zu befestigen. Die Nieten
49' können solche
sein, die typisch als „Schussbolzen" bekannt sind. In
einer zweiten Ausführungsform
sind die Löcher
41 mit einem Schraubgewinde versehen, um darin Schrauben 49 aufzunehmen.
Die Schrauben 49 sind durch die Öffnungen
51 in den Endkappen 50 und in die Löcher 41 eingesetzt, um die
Endkappe mit der Zellhaltetafel 20 fest zu befestigen. In der ersten
und der zweiten Ausführungsform
liegt die Endkappe 50 auf den Laschen 40, so dass die Höhe der Laschen
einfach und genau die Höhe
des Luftverteilers zwischen der Endkappe 50 und der Zellhaltetafel
20 bestimmt.
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In
einer dritten Ausführungsform,
wie in 14a bis b gezeigt
ist, haben Laschen 40' eine spezielle
Gestalt. Ein erster Abschnitt 43 der Laschen erstreckt sich von
der Zellhaltetafel 20. Ein zweiter Abschnitt 47 erstreckt sich von
dem ersten Abschnitt 43. Der zweite Abschnitt 47 hat einen kleineren
Umfang als der erste Abschnitt 43, um einen gestuften Abschnitt
45 an der Kontaktstelle des ersten Abschnitts 43 und des zweiten
Abschnitts 45 zu bilden. Die Laschen 40' der dritten Ausführungsform sind angeordnet,
so dass der zweite Abschnitt 47 durch die Öffnungen 51 in der Endkappe
50 passt, die dann auf dem gestuften Abschnitt 45 liegt. Deshalb
bestimmt in der dritten Ausführungsform
der Laschen die Höhe des
gestuften Abschnitts 45 oberhalb der zweiten Seite 23 der Haltetafel
20 einfach und genau die Höhe
eines Luftverteilers zwischen der Haltetafel 20 und der Endkappe
50. Um die Endkappe 50 mit der Haltetafel 20 zu befestigen, ist
der zweite Abschnitt 47 deformiert, wie beispielsweise durch Warmverformnieten,
um einen Kopf 47' zu
formen, der größer ist
als die Öffnung
51. Der Kopf 47' verhindert
dann, dass die Endkappe 50 von der Lasche 40' auf der Zellhaltetafel 20 abgeht. Die
dritte Ausführungsform ist
bevorzugt wegen der Einfachheit und Geschwindigkeit bei der Montage
des Moduls.
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Ferner
weist die Zellhaltetafel 20 Durchgangslöcher 34, 34', 34" auf,
die nicht innerhalb des Umfangs der Hohlräume 22, 22' sind. Die Durchgangslöcher 34,
34', 34" bringen eine Fluidströmung durch
die Zellhalttafel 20 unter. Die Durchgangslöcher 34, 34', 34" sind
im Abstand voneinander angeordnet und von einer Größe, so dass,
wenn sie mit dem Zell-zu-Zell-Raum, dem Zell-zu-Schale-Raum und
der Luftverteilerhöhe
zusammen genommen werden, eine gewünschte Konfiguration für Thermal-Management für das Modul
erzielt wird. Die Durchgangslöcher
34, 34', 34" sind als kreisförmig und
länglich
gezeigt, jedoch kann jede zweckmäßige Gestalt
verwendet werden.
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Außerdem weist
die Zellhaltetafel 20 Durchgangslöcher 48 auf, die Verbindungsstangen
14 aufnimmt, wenn die Zellanordnung 2 gebildet ist. D. h., die Verbindungsstangen
14 erstrecken sich sowohl durch ein Durchgangsloch 48 in der eintrittsseitigen Zellhaltetafel
20 als auch durch ein Durchgangsloch 48 in der austrittsseitigen
Zellhaltetafel 20',
um dadurch die Zellhaltetafeln mit elektrochemischen Zellen 4 dazwischen
zu halten.
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Zusätzlich zu
den speziellen Oberflächencharakteristiken
der Zellhaltetafel 20 hat diese eine Gesamtgestalt, die bei der
Herstellung und der Montage des Moduls hilft. Die Zellhaltetafel
20 weist einen Vorsprung 36 an dem einen Ende, eine Aussparung 38
an einem dazu gegenüberliegenden
Ende auf. Der Vorsprung 36 bringt einen Abschnitt eines Hohlraums
unter, der an dem einen Ende der Zellhaltetafel 20 versetzt ist.
Die Aussparung 38 ist an dem dem Vorsprung 36 gegenüberliegenden
Ende der Zellhaltetafel 20 gebildet und ist damit ausgerichtet, um
das Verschachteln der Module zu vereinfachen, wenn mehr als eines
verwendet wird, wie in einer Batteriepackung. D. h., eine erste
Linie von Hohlräumen
erstreckt sich entlang einer die Aussparung 46 aufweisende Kante
der Zellhaltetafel und weist beispielsweise vier Hohlräume auf,
wie in 2 und 6 gezeigt
ist. Obwohl jede Linie mit vier Hohlräumen gezeigt ist, kann jede
zweckmäßige Anzahl
verwendet werden. Eine dritte Linie von Hohlräumen erstreckt sich entlang
einer gegenüberliegenden
Kante der Zellhaltetafel und eine zweite Linie von Hohlräumen ist
zwischen der ersten Linie und der zweiten Linie gebildet. Die zweite
Linie ist von der ersten und der dritten Linie versetzt, die miteinander
ausgerichtet sind. Wie in 2 und 6 gezeigt ist, ist die zweite Linie zu
der linken versetzt, wodurch der Vorsprung 36 und die Aussparung
38 gebildet sind. Die Hohlräume
und die zweite Linie sind versetzt und in einer Verschachtelungsanordnung
bezüglich
sowohl der ersten Linie als auch der dritten Linie, um eine kompakte
Anordnung der Zellen 4 und dadurch ein kompaktes Modul mit einem
minimalen Volumen zu erzielen. Die Hohlräume in jeder der ersten bis
dritten Linie können
entweder 22 oder 22' sein.
In der gezeigten Ausführungsform
wechseln sich die Hohlräume 22
und 22' in jeder
der Linien ab – eine
derartige Anordnung ist brauchbar bei der Verbindung der Zellen 4
des Moduls in Serie.
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Die
Hauptunterschiede zwischen den Zellhaltetafeln werden nun beschrieben.
Erstens, die Hohlräume
auf der Zellhaltetafel 20' haben
eine entgegengesetzte Konfiguration ausgehend von den dazugehörigen Hohlräumen auf
der Zellhaltetafel 20. D.h. ein Hohlraum 22 auf der Zellhaltetafel
20' würde mit
einem Hohlraum 22' auf
der Zellhaltetafel 20 korrespondieren, um eine Zelle 4 dazwischen
in der Zellanordnung 2 zu halten. Gleichermaßen würde ein Hohlraum 22' auf der Zellhaltetafel
20' mit einem Hohlraum
22 auf der Zellhaltetafel 20 korrespondieren, um eine Zelle 4 dazwischen
zu halten. Deshalb, wenn das positive Ende einer Zelle 4 von einem Hohlraum
22' beispielsweise
auf einer Haltetafel 20' gehalten
ist, würde
der korrespondierende Hohlraum auf der anderen Zellhaltetafel 20' ein Hohlraum 22 sein
zum Halten des negativen Endes der Zelle 4. In einer derartigen
Art und Weise werden die Zellen 4 gehalten, so dass sie senkrecht
zu beiden Haltetafeln 20, 20' stehen
und werden in der Art und Weise gehalten, dass sie einfach miteinander
verbunden werden können.
Deshalb dienen die Hohlräume
als eine Matrix oder ein Abbild wie die Zellen innerhalb der Zellanordnung
eingesetzt sind, wodurch die Montage des Moduls vereinfacht ist.
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Auch
würden
die Aussparungen 42, 44 der Haltetafel 20' nicht in den gleichen Positionen sein, wie
diejenigen, die für
die Haltetafel 20 gezeigt sind, würden jedoch in dazu komplementären Positionen sein,
in Abhängigkeit
davon, wie die Zellen in dem Modul verbunden sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die Aussparungen 42, 44 der Haltetafel 20' positioniert, wie es in 7 gezeigt ist.
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In
der Zellanordnung 2 sind die Zellen 4 innerhalb der Hohlräume 22,
22' in den Haltetafeln
gehalten, so dass mit einem Gewinde versehene Anschlusszapfen 10
der Zellen 4 sich durch die Löcher 28
und durch die Aussparungen 42, 44 erstrecken. Ein geeigneter Bus-Verbinder
70, 76 – d.
h. einer hat eine komplementäre
Gestalt zu der Aussparung, in der er platziert ist – wird dann
in jeder der Aussparungen 42, 44 platziert, so dass die Anschlusszapfen
10 in seinen Löchern
72, 78 aufgenommen sind. Eine Mutter 18 ist dann jeweils auf jeden
Anschlusszapfen 10 geschraubt, um den Bus-Verbinder 70, 76 an Ort und
Stelle zu verriegeln, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen
den Zellen 4 komplettiert wird. Da die Aussparungen 42, 44 eine
Gestalt haben, die komplementär
zu der der jeweiligen Schienenanschlüsse 70, 76 ist, dient die Zellhaltetafel
als eine Matrix zur Platzierung der Verbinder, was die Montage des
Moduls vereinfacht. Ferner, da nur ein Typ von Schienenanschluss
70 bzw. 76 nur in einen Typ der komplementär gestalteten Aussparungen
42, 44 passen kann, ist eine richtige Verbindung der Zellen 4 sichergestellt.
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Eine
zweite Ausführungsform
der Zellhaltetafel ist in 15A bis C gezeigt. Elemente der zweiten Ausführungsform
der Zellhaltetafel 120, die gleich den Elementen der ersten Ausführungsform sind,
sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, d.h., mit Hundert zuaddiert. Ähnlich wie
die Zellhaltetafeln der ersten Ausführungsform weist die Zellhaltetafel
120 darin Hohlräume
120 und 122' auf.
Die Hohlräume
122 weisen einen Hohlraumboden 124 und eine Aussparung in dem Hohlraumboden
124 auf. Ferner weisen die Hohlräume
122 Durchgangslöcher
130 für
das Zellfüllrohr
und die Entlüftung
auf. Beide Typen von Hohlräumen
122 und 122' weisen ein
Durchgangsloch zum Unterbringen des Zellanschlusszapfens und, obwohl
nicht gezeigt, können Keile
zum Helfen beim Halten der Zellen an Ort und Stelle enthalten sein.
Außerdem
weist die Zellhaltetafel sehr kleine Durchgangslöcher 134"',
kleine Durchgangslöcher
134 und größere Durchgangslöcher 134' auf. Die Funktion
und der Zweck dieser Löcher ist
genauso wie bei der ersten Ausführungsform.
Die Zellhaltetafel 120 weist auch Durchgangslöcher 148 zum Unterbringen von
Verbindungsstangen und dergleichen auf, um die Zellhaltetafeln zusammenzuhalten.
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Unterschiedlich
von der ersten Ausführungsform
ist, dass die Zellhaltetafel 120 konstruiert ist, um ohne einer
Schale verwendet zu werden und deshalb ist ein Elektroniksystem-Unterbringungsabschnitt 182
darin gebildet. Ferner unterschiedlich von der ersten Ausführungsform
ist, dass die Reihen der Hohlräume
nicht zueinander gestaffelt sind, jedoch, stattdessen, Seite an
Seite ausgerichtet sind. Diese Anordnung der Reihen der Hohlräume ermöglicht, dass
das Modul ein kleineres Volumen hat als das der ersten Ausführungsform.
Ein Modul mit diesem Typ von Zellhaltetafel ist nicht typisch ein alleinstehendes
Modul, da keine Schale vorhanden ist. Jedoch kann eine Schale mit
dieser Ausführungsform der
Zellhaltetafel verwendet werden, wie in der ersten Ausführungsform.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird eine andere Zellhaltetafel verwendet. In dieser Ausführungsform
ist das Modul nicht alleinstehend, es wird jedoch als ein Teil einer
Batteriepackung verwendet. Jede der oben beschriebenen ersten und
zweiten Ausführungsform
der Zellhaltetafel kann auf diese Art und Weise verwendet werden.
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Bus-Verbinder
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Die
Bus-Verbinder 70, 76 bilden einen Teil der elektrischen Anschlusskonfiguration
innerhalb des Moduls. Mindestens zwei Typen von Bus-Verbinder, ein
kurzer Bus-Verbinder
70 und ein langer Bus-Verbinder 76 werden verwendet, um die Enden der
benachbarten Zellen 4 zu verbinden. D.h. z. B., wenn die Zellen
in Reihe verbunden sind, würde
sich ein Anschluss zwischen dem positiven Ende der einen Zelle und
dem negativen Ende einer benachbarten Zelle 4 erstrecken. Alternativ
können
die Verbinder verwendet werden, um die Zellen des Moduls parallel
zu verbinden. Außerdem,
in Abhängigkeit
der gewünschten
Modulaustrittsspannung und dem gewünschten Austrittsstrom, kann
eine Kombination von Reihen- und Parallelverbindungen innerhalb
des Moduls durch die Bus-Verbinder 70, 76 hergestellt werden.
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Der
kurze Bus-Verbinder 70 weist Löcher
72 an jedem seiner Enden auf. Jedes der Löcher 72 bringt einen mit einem
Gewinde versehenen Zapfen 10 einer elektrochemischen Zelle 4 unter.
Ein Fahnenanschluss 74 kann an den Bus-Verbinder 70 zwischen den
Löchern
72 befestigt sein. Der Fahnenanschluss 74 erleichtert die Verbindung
des Bus-Verbinders
70 und deshalb der Zellen 4 mit dem elektronischen Steuersystem
des Moduls. Die kurzen Bus-Verbinder 70 haben eine komplementäre Gestalt zu
den Aussparungen 42 in den Zellhaltetafeln 20, 20' und sind deshalb
innerhalb der Aussparungen 42 untergebracht.
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Der
lange Bus-Verbinder 76 weist Löcher
78 an seinen Enden auf. Jedes der Löcher 78 bringt einen mit einem
Gewinde versehenen Zapfen 10 einer elektrochemischen- Zelle 4 unter.
Ein Fahnenanschluss 74 kann auch mit dem langen Bus-Verbinder 76
zwischen den Löchern
78 verbunden sein. Der lange Bus-Verbinder weist eine Krümmung zwischen seinen
Enden auf, um die Verbindung zwischen den elektrochemischen Zellen
in unterschiedlichen Linien innerhalb des Moduls zu vereinfachen.
Die langen Bus-Verbinder
76 haben einen komplementäre
Gestalt zu den Aussparungen 44 in den Zellhaltetafeln 20, 20' und sind deshalb
in den Aussparungen 44 untergebracht.
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Die
Bus-Verbinder 74, 76 sind mit der Zellanordnung 2 befestigt in der
folgenden Art und Weise. Ein mit einem Gewinde versehener Anschlusszapfen 10
einer elektrochemischen Zelle 4 erstreckt sich durch ein Loch 28
in einer Zellhaltetafel 20 und ist beispielsweise einer Aussparung
42 auf der zweiten Seite der Zellhaltetafel 20 benachbart. Ein zweiter
mit einem Gewinde versehener Anschlusszapfen 10 einer zweiten elektrochemischen
Zelle 4 erstreckt sich durch ein benachbartes Loch 28 in der Zellhaltetafel 20
und erstreckt sich, um dem gegenüberliegenden Ende
der Aussparung 42 benachbart zu sein. Der kurze Bus-Verbinder 70
ist in der passenden Aussparung 42 platziert, so dass die Anschlusszapfen
10 der benachbarten Zelle 4 sich durch die Löcher 72 des Bus-Verbinders
70 erstreckt. Eine Mutter 18 ist dann auf jeden Anschlusszapfen
10 geschraubt, um eine elektrische Verbindung zwischen den beiden
Zellen 4 zu bilden. Der lange Bus-Verbinder 76 wird in gleicher
Art und Weise verwendet. Viele derartige Verbindungen sind sowohl
auf der eintrittsseitigen Zellhaltetafel 20 als auch auf der austrittsseitigen
Zellhaltetafel 20' gefestigt,
die als Schablonen oder Abbildungen zur Platzierung der Verbinder
70, 76 dienen. Ferner sind die beiden Typen von Bus-Verbindern 70, 76
einfach herzustellen und die einzigen beiden Typen, die notwendig
sind, um die Zellen 4 innerhalb eines Moduls zu verbinden. Deshalb
ist die Anordnung des Moduls vereinfacht durch eine Reduktion der
Anzahl von unterschiedlichen erforderlichen Teilen.
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Leistungsverbinder
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Leistungsverbinder
60 bilden einen zweiten Teil der elektrischen Anschlusskonfiguration
innerhalb des Moduls. Ein Leistungsverbinder 60 ist mit einem gemeinsamen
Potential innerhalb des Moduls verbunden. D.h., ein Leistungsverbinder
60 ist mit dem positiven Potential der Zellanordnung 2 verbunden,
wohingegen ein anderer Leistungsverbinder 60 mit dem negativen Potential
der Zellanordnung 2 verbunden ist. Jeder Leistungsverbinder 60 wird
dann verwendet, um das Modul mit einer gewünschten Anwendung, d.h. mit
anderen Modulen, wodurch eine Batteriepackung gebildet wird, oder
einer Last, zu verbinden. Der Leistungsverbinder 60 kann jede zweckdienliche
Gestalt haben, jedoch ist ein L-förmiger Anschluss bevorzugt.
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Jeder
L-förmige
Leistungsverbinder 60 weist einen ersten Schenkel 61 und einen zweiten
Schenkel 65 auf, der senkrecht zu dem ersten Schenkel ist. Der erste
Schenkel 61 ist innerhalb eines der Löcher 53 in der Endkappe 50
des Moduls eingesetzt. Der erste Schenkel 61 weist darin ein Sackloch
62 auf. Das Sackloch 62 weist Gewinde 63 auf, um die Verbindung
des Leistungsverbinders 60 und dadurch des Moduls zu einer gewünschten
Anwendung zu vereinfachen. Mindestens ein Abschnitt des zweiten Schenkels
65 weist ein Durchgangsloch 64 auf. Das Durchgangsloch 64 erstreckt
sich in Richtung senkrecht zu der Richtung, in die sich das Sackloch
62 erstreckt. Ein Kabel 68 mit einem Lappen 69, der an seinem einem
ersten Ende verbunden ist, erleichtert die Verbindung des L-förmigen Leistungsverbinders mit
einem gemeinsamen Potential innerhalb des Moduls. Der Lappen 69
weist darin ein Loch 69' auf,
das dimensioniert ist, ein mit einem Gewinde versehenen Zapfen 10
einer elektrochemischen Zelle 4 unterzubringen. Der Lappen kann
dann mit dem mit einem Gewinde versehenen Zapfen 10 beispielsweise
unter Verwendung einer Mutter 18 befestigt sein. Ein zweites Ende
des Kabels 68 ist innerhalb des Durchgangslochs 64 befestigt. Der
Verbinder 60 stellt dadurch eine einfache Struktur bereit, die wenig
Platz in dem Modul in Anspruch nimmt und wenig Gewichtszusatz darstellt,
für die
Verbindung zwischen den Zellen in dem Modul und einer gewünschten
Anwendung außerhalb
des Moduls.
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Die
Gestalt des Leistungsverbinders 60 vereinfacht die Herstellung und
die Montage des Moduls. D.h., der erste Schenkel 61 des Leistungsverbinders
hat eine Gestalt, die komplementär
zu der des Lochs 53 in der Endkappe 50 des Moduls ist, um dadurch
einfach die Verdrehung des Leistungsverbinders bezüglich der
Endkappe zu unterbinden. Beispielsweise können sowohl der erste Schenkel
61 als auch die Löcher
53 senkrecht sein, so dass, wenn ein Bolzen in das Sackloch 62 geschraubt
wird, der Anschluss 60 sich nicht verdreht. Natürlich ist jede andere zweckmäßige Gestalt
möglich,
die Verdrehung unterbindet, zum Beispiel eine sternförmige Gestalt. Ferner,
wenn der erste Schenkel 61 innerhalb eines Lochs 53 in der Endkappe
eingesetzt ist, verhindert der zweite Schenkel 65, dass der Leistungsstecker aus
dem Loch 53 fällt.
D.h., der zweite Schenkel 65 wirkt als ein Stopper, der an der ersten
Seite 52 der Endkappe 50 anliegt. Außerdem können die Kanten des Anschlusses
60 angefasst sein, wie bei 66, um das Einsetzen innerhalb eines
Lochs 53 zu erleichtern und um Spannungsanstiege zu verhindern.
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Eine
zweite Ausführungsform
eines Leistungsverbinders ist in 12d bis 12f gezeigt. Diese Version des Leistungsverbinders
wird verwendet, um ein Modul mit einem anderen Modul zu verbinden und
ist insbesondere nützlich
mit der zweiten Ausführungsform
der Zellhaltetafel. Der Leistungsverbinder 160 weist ein Loch 169' auf, um ein mit
einem Gewinde versehenen Zapfen einer elektrochemischen Zelle unterzubringen,
und eine Mutter 167 auf, die mit einem benachbarten Modul befestigt
ist. Die Mutter 167 ist mit dem Körper des Leistungsverbinders
160 pressgepasst. Ferner weist der Leistungsverbinder 160 einen
Fahnenanschluss 174 auf, so dass Verbindungen zum Messen der Spannung
und anderer Modulparameter bequem bewerkstelligt werden können.
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Modul-Endkappen
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Es
gibt zwei Zellendkappen in dem Modul – eine eintrittsseitige Endkappe
50 und eine austrittsseitige Endkappe 50'. Die Endkappen sind gleich und deshalb
ist nur die eintrittsseitige Endkappe 50 gezeigt und im Detail beschrieben.
Siehe 1, 8 und 9.
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Die
Endkappe 50 weist eine erste Seite 52 auf, die dem Inneren des Moduls
zugewandt ist, und eine zweite Seite 54 auf, die dem Äußeren des
Moduls zugewandt ist. Öffnungen
51 erstrecken sich von der ersten Seite 52 zu der zweiten Seite
54 zum Bilden einer Verbindung zwischen der Endkappe 50 und der
Zellhaltetafel 20. Obwohl vier Öffnungen
51 gezeigt sind, kann jede zweckmäßige Anzahl verwendet werden.
Die Endkappe 50 weist darin ferner Löcher 53 auf zum Unterbringen
der Leistungsverbinder 60, die mit den gemeinsamen Potentialen innerhalb
der Zelle verbunden sind. Die Löcher
53 haben eine Gestalt, die komplementär zu der der Leistungsverbinder
60 ist, um ein Verdrehen der Leistungsverbinder 60 zu verhindern,
wenn eine gewünschte
Last angeschlossen wird. Jedes Loch 53 weist eine Krempe 53' auf der ersten Seite
der Endkappe 50 und eine andere Krempe 53' auf der zweiten Seite 54 der Endkappe
50 auf. Die Krempe 53' erstreckt
sich nicht gesamt um das Loch 53, ermöglicht jedoch einen offenen
Raum für
den zweiten Schenkel 65, wodurch sichergestellt ist, dass der Leistungsverbinder
60 korrekt innerhalb des Lochs 53 positioniert ist. D.h., der Leistungsverbinder
60 kann nur innerhalb des Lochs 53 in einer Art und Weise eingesetzt
werden, d.h., so dass ein Schenkel 65 des Anschlusses sich innerhalb der Öffnung erstreckt,
die in der Krempe 53' gebildet ist.
Korrektes Positionieren des Leistungsverbinders 60 stellt sicher,
dass sich das daran angeschlossene Kabel 68 in die richtige Richtung
zum Verbinden der Zellen innerhalb des Moduls erstreckt. Der Hauptunterschied
zwischen den Endkappen 50, 50' ist,
dass nur eine Löcher
53 und Krempen 53',
53" für die Leistungsverbinder
60 aufzuweisen braucht.
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Da
die Schale 80 kürzer
ist als der Abstand zwischen der Endkappen 50, 50', wenn sie mit der Zellanordnung
befestigt sind, nehmen die Endkappen 50, 50' alle Axialkräfte auf, die auf das Modul
einwirken. Deshalb weisen die Endkappen 50, 50' Versteifungsrippen 55 auf, um eine
Deformation zu unterbinden. Durch das Aufweisen von Versteifungsrippen
55 kann der verbleibende Abschnitt der Endkappe dünn hergestellt
sein, wodurch sich das Gesamtgewicht des Moduls reduziert, wobei
dennoch gesichert ist, dass die Endkappen den Axialkräften widerstehen
können.
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Ferner
weist die Endkappe 50 einen Vorsprung 56 an dessen Ende und eine
Aussparung 58 an dessen gegenüberliegenden
Ende auf. Der Vorsprung 56 und die Aussparung 58 sind von einer
Gestalt komplementär
sowohl zu der des Vorsprungs 36 und der Aussparung 38 der Zellhaltetafel
20 als auch zu der des Vorsprungs, der den Abschnitt 86 unterbringt,
und der Einbuchtung 88 der Schale 80. Außerdem weist die Endkappe 50
um dessen Umfang eine Aussparung 57 auf, um die Schale 80 unterzubringen.
Da das Ende der Schale in der Aussparung 57 aufgenommen ist, ist
eine Deformation nach innen unterbunden, wodurch das Modul verstärkt ist.
Die Aussparung 57 ist an einem Ende der Endkappe 50 weiter gemacht,
um das elektronische System unterzubringen, das die Abschnitte 82
innerhalb der Schale 80 unterbringt. Unter Bereitstellung der vorhergehenden
Konfiguration ist die Endkappe einfach ausgerichtet mit und passend
zu der Zellanordnung 2 und der Schale 80.
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Außerdem weist
die Endkappe 50 Mündungen
59 auf für
den Eintritt oder den Austritt von wärmeübertragendem Fluid von dem
Modul auf. Jede Mündung
59 weist einen angefasten Abschnitt 59' auf, wo sie mit der ersten Seite 52
der Endkappe 50 zusammen trifft, und weist eine Krempe 59" auf, die von der
zweiten Seite 54 der Endkappe sich erstreckt. Der angefaste Abschnitt
59' hilft der Fluidströmung zu
oder von dem Inneren des Moduls zu strömen, wohingegen die Krempe
59" dafür verwendet
werden kann, um das Modul mit einem Fluidzirkulationssystem zu verbinden.
Auf der einen Seite des Moduls sind die Mündungen 59 in einer Endkappe
50 für
den Lufteintritt, wohingegen die Mündungen 59 in der gegenüberliegenden
Endkappe 50' für den Austritt
sind. Auf der Eintrittsseite ist der Raum zwischen der Endkappe
50 und der Haltetafel 20 ein Luftverteiler. Da die Mündungen
59 in den Endkappen 50, 50' gleich
sind kann jede Endkappe 50, 50' die
Eintrittsseite oder die Austrittsseite des Moduls sein, d. h., die
Luftströmung
kann leicht umgekehrt werden.
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Schale
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist die Schale
80 eine Gesamtform auf, die komplementär zu der Zellanordnung 2, der
Halteplatten 20, 20' und
den Endkappen 50, 50' ist,
um die Montage des Moduls zu vereinfachen. D. h., ein Ende der Schale
weist einen den Abschnitt 86 unterbringenden Vorsprung auf, wohingegen
die gegenüberliegende
Seite der Schale 80 eine Einbuchtung 88 aufweist. Der den Abschnitt 86
unterbringende Vorsprung umschließt die Vorsprünge 36 der
Zellhaltetafeln 20, 20' und
nimmt die Vorsprünge
56 auf den Endkappen 50, 50' auf.
Die Einbuchtung 88 ist gestaltet, so dass sie sowohl in die Aussparungen
38 der Zellhaltetafeln 20, 20' passt als
auch mit den Aussparungen 58 in dem Umfang der Endkappen 50, 50' zusammenpasst. Außerdem weist
die Schale 88 Einbuchtungen 85 in deren Längsseiten auf, um mit den Einbuchtungen
46 in den Zellhaltetafeln 20, 20' und
mit gleichen Einbuchtungen 58 in den Endkappen 50, 50' zusammenzupassen.
Die Einbuchtungen 85 in den Seiten der Schale helfen der Schale
Steifigkeit zu geben, um deren Handhabung während der Montage und der Handhabung
des Moduls zu vereinfachen. D. h., die Schale ist dünn und kann
deswegen während
deren Handhabung leicht verbogen werden, jedoch stellen die Einbuchtungen
85 einen Versteifungseffekt bereit.
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Ferner
weist die Schale 88 ein elektronisches Steuersystem auf, das den
Abschnitt 82 unterbringt. Obwohl das elektronische Steuersystem,
das den Abschnitt 82 unterbringt, so gezeigt ist, als sei es dem
Vorsprung benachbart, der den Abschnitt 86 unterbringt, kann es
an jeder geeigneten Stelle innerhalb des Moduls angeordnet sein.
Der unterbringende Abschnitt 82 weist eine Gleitabdeckung 84 auf, um
einen einfachen Zugang zu dem elektronischen Steuersystem innerhalb
des unterbringenden Abschnitts 82 zu ermöglichen. Das elektronische
Steuersystem (nicht gezeigt) bildet die Elektronik-Konfiguration
des Moduls und kann von jedem zweckdienlichen Typ zum Überwachen
der Spannung und der Temperatur der Zellen sein. Ferner ist es bevorzugt, dass
das elektronische Steuersystem eine Schaltung sowohl zum Kommunizieren
mit anderen Modulen als auch für
die Zellbalance während
des Aufladezykluses des Moduls aufweist. Das elektronische Steuersystem
ist mit den Zellen durch die Verwendung der Fahnenanschlüsse 74 verbunden.
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Thermal-Management-Konfiguration
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In
dem Modul sind die Zellen 4 im Abstand voneinander angeordnet durch
einen Zelle-zu-Zelle-Abstand,
der zwischen dem Außenumfang
der einen Zelle und den Außenumfang
einer benachbarten Zelle gemessen wird. Der Zelle-zu-Zelle-Abstand
ist beispielhaft durch den Abstand DC zwischen benachbarten Hohlräumen in
der Zellhaltetafel 20 erläutert.
Siehe 6. Die Zellen 4, die der Schale
80 benachbart sind, sind im Abstand davon durch einen Zelle-zu-Schale-Abstand
angeordnet. Der Zelle-zu-Schale-Abstand ist beispielhaft durch den
Abstand DS zwischen einen Hohlraum in der Zellhaltetafel 20 und
der nächsten
Kante der Haltetafel 20 beschrieben. Nochmals, siehe 6. Der Temperaturunterschied zwischen
der inneren Oberfläche
(an einem innseitigen Durchmesser einer Zelle 4 mit einem hohlen
Kern 13) und einer äußeren Oberfläche (an einem
außenseitigen
Durchmesser) einer jeden Zelle ist ΔT. Eine Endkappe ist mit jeder
Haltetafel mit einem Raum zwischen der Endkappe und der Haltetafel
befestigt. Innerhalb jeder Endkappe sind zwei Öffnungen 59. Auf einer Seite
des Moduls sind die Öffnungen
in einer Endkappe 50 für
den Lufteintritt, wohingegen die Öffnungen 59 in der gegenüberliegenden
Endkappe 59' für den Austritt
sind. Auf der eintrittsseitigen Seite ist der Raum zwischen der
Endkappe 50 und der Haltetafel 20 ein Luftverteiler.
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1) Erste Ausführungsform
der Thermal-Management-Konfiguration des Moduls:
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Das
Batteriemodul ist angeordnet, so dass eine gleichmäßige Luftgeschwindigkeit
innerhalb des Moduls erzielt wird. Um eine gleichmäßige Luftgeschwindigkeitsverteilung
an allen Spalten sowohl zwischen der Zellen 4 als zwischen den Zellen
4 und der innseitigen Wand der Schale 80 zu erzielen, ist ein Luftverteiler
sowohl analytisch als auch experimentell konstruiert mit zwei Mündungen
59 des Lufteintritts auf der eintrittseitigen End kappe 50; jede Mündung 59
hat einen Satz von Öffnungen
mit speziell ausgewählter
Geometrie und Größe auf der
Seitenwand und dem Boden. Die Lufteintrittsgeschwindigkeitsverteilung
wird durch die Größe und den
Ort einer jeden Eintrittsmündung
59, die Höhe
des Luftverteilers, der zwischen der inneren Oberfläche 52 der
Endkappe 50 und der oberen Oberfläche 23 der Zelltafel 20 geschaffen
ist, sowohl die Größe als auch die
Geometrie und den Ort einer jeden Öffnung auf der Seitenwand und/oder
dem Boden einer jeden Lufteintrittsmündung 59 gesteuert. Die Durchgangslöcher 34,
34' und 34" in den Zellhaltetafeln
20, 20' sind sowohl
dimensioniert als auch geformt und angeordnet, um die Lufteintrittsgeschwindigkeitsverteilung,
die von den Eintrittsmündungen
59 und dem Verteiler geschaffen werden, aufrechtzuerhalten. Als ein
nicht beschränkendes
Beispiel ist die vorhergehende Konfiguration konstruiert, so dass
die Eintrittsluft, die bei 5 m/s eintritt, auf die Austrittsseite
des Moduls bei einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 3,5 und
4,5 m/s austritt, gemessen an dem Austrittspunkt der Zelle-zu-Zelle-
oder Zelle-zu-Schale-Spalte. Dies wurde für die gezeigte Modulkonstruktion
experimentell verifiziert. Der Luftverteiler ermöglicht die Steuerung der Temperatur
innerhalb der Zelle durch Steuern des Luftdurchsatzes.
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2) Zweite Ausführungsform
der Thermal-Management-Konfiguration des Moduls:
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Das
Batteriemodul ist angeordnet, so dass eine gleichförmige Temperaturverteilung
quer zu jeder Zelle 4 erzielt wird. Um eine gleichförmige Temeraturverteilung
zu erzielen, ist die Verteilerhöhe
minimiert, während
die Zellen 4, Hardware und Zelle-zu-Zelle-Bus-Verbinder 70,76 untergebracht sind. Die
Lufteintrittsöffnungen
59 brauchen keine spezialisierte Gestalt aufweisen. Die Zelle-zu-Zelle-
und Zelle-zu-Schale-Abstände,
wie gezeigt, wurden experimentell und analytisch ausgewählt, um
eine gleichförmige
Luftgeschwindigkeit durch die Zellanordnung 2 mit einem minimalen
Druckabfall quer zu dem Modul und mit einem minimalen Luftdurchsatz aufrechtzuerhalten.
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Da
keine spezialisierte Gestalt für
die Lufteintrittsöffnungen
59 notwendig ist, ist hier kein bestimmtes Lufteintritts- und -austrittsende
des Moduls. D. h., jede Seite des Moduls kann der Eintritt/Austritt sein
und Fluid kann durch das Modul in jede Richtung strömen. Mit
der vorhergehenden Konfiguration kann jede Zelle 4 innerhalb des
Moduls bei einem vorher bestimmten ΔT aufrechterhalten werden, in
Abhängigkeit
von dem Eintrittsluftdurchsatz.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorhergehend beschrieben wurden, ist
es vorgesehen, dass zahlreiche Modifikationen an dem Modul der vorliegenden
Erfindung ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er
in den folgenden Ansprüchen
definiert ist, vorgenommen werden können.