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Die
Erfindung betrifft einen prismatischen Akkumulator mit einem ersten
Zellgefäß, einem
in dem ersten Zellgefäß aufgenommenen
Erstzellen-Plattenstapel, mindestens einem zweiten Zellgefäß, einem
in dem zweiten Zellgefäß aufgenommenen
Zweitzellen-Plattenstapel, wobei das erste Zellgefäß und das
zweite Zellgefäß durch
eine elektrisch isolierende Zwischenwand voneinander getrennt sind,
mit mindestens einem in dem ersten Zellgefäß angeordneten Erstzellen-Kontaktverbinderblech,
das mit der Zwischenwand verbunden ist und dem Erstzellen-Plattenstapel
in Kontakt steht, und mindestens einem in dem zweiten Zellgefäß angeordneten
Zweitzellen-Kontaktverbinderblech,
das mit dem Zweitzellen-Plattenstapel in Kontakt steht. Dabei sind
Erstzellen-Kontaktverbinderblech und Zweitzellen-Kontaktverbinderblech
elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
eines prismatischen Akkumulators mit den Schritten: (a) Bereitstellen
eines Gehäuses
mit einem ersten Zellgefäß und mindestens
einem zweiten Zellgefäß, das vom
ersten Zellgefäß durch
eine elektrisch isolierende Zwischenwand getrennt ist, (b) Einbringen
mindestens eines Erstzellen-Kontaktverbinderblechs in das erste
Zellge fäß, (c) Einbringen
mindestens eines Zweitzellen-Kontaktverbinderblechs in das zweite
Zellgefäß, (d) Verbinden
des mindestens einen Erstzellen-Kontaktverbinderblech mit dem mindestens
einen Zweitzellen-Kontaktverbinderblech und (e) Einbringen jeweils
mindestens eines Erstzellen-Plattensatzes in das erste Zellgefäß, so dass
er mit dem mindestens einen Erstzellen-Kontaktverbinderblech in
dauerhaften Kontakt gebracht wird, und (f) Einbringen jeweils mindestens
eines Zweitzellen-Plattenstapels
in das zweite Zellgefäß, so dass
er mit dem mindestens einen Zweitzellen-Kontaktverbinderblech in
Kontakt gebracht wird.
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Ein
derartiger prismatischer Akkumulator ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 003 066
A1 bekannt. Nachteilig an dem dort beschriebenen prismatischen
Akkumulator ist dessen aufwändige
Fertigung. So müssen
die Plattenstapel im Rahmen einer seriellen Montage montiert werden.
Bei dieser seriellen Montage werden die Plattenstapel der einzelnen Zellgefäße sukzessive
in die entsprechenden Zellgefäße eingeführt und
miteinander verschweißt.
Das führt
zu einer hohen Fertigungsdauer.
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Aus
der
DE 26 19 865 A1 ist
ein gattungsgemäßer prismatischer
Akkumulator bekannt, bei dem die Plattenstapel über ein Streckmetallstück, das
als federnde Leitereinlage dient, mit Leiterblechen an den Zellenwänden verbunden
sind. Nachteilig hieran ist, dass beim Einschieben der Plattenstapel
aufgrund der hohen notwendigen Kräfte leicht zu Schaden kommen
kann, was zu Ausschuss führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen prismatischen Akkumulator
und ein Verfahren zum Herstellen eines prismatischen Akkumulators anzugeben,
bei dessen Herstellung nur wenig Ausschuss anfällt und bei dem die Plattenstapel
dennoch sicher befestigt sind.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch einen prismatischen Akkumulator mit den Merkmalen
von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14.
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Vorteilhaft
daran ist, dass Kontaktverbinderbleche, die zu verschiedenen Zellgefäßen gehören, gleichzeitig
montiert werden können.
Sofern der prismatische Akkumulator also aus mehr als zwei Zellgefäßen, insbesondere
aus einer Vielzahl von Zellgefäßen besteht,
können
die Kontaktverbinderbleche benachbarten Zellgefäße in einem parallelen Prozess an
den jeweiligen Zwischenwänden
befestigt werden. Es ist also möglich,
mit nur einer Maschine in nur einem Arbeitschritt sämtliche
Kontaktverbinderbleche zu montieren, was die Fertigungszeit deutlich minimiert.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Seitenwände des Gefäßes nicht geöffnet werden
müssen,
um Verbindungen zwischen den Elektrodenstapeln herzustellen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Montage der Plattenstapel einfacher
und schneller möglich
ist. So ist es ausreichend, die Plattenstapel einfach in die mit den
Kontaktverbinderblechen präparierten
Zellgefäße einzuschieben.
Die Federzungen üben
dann einen mechanischen Druck auf den Plattenstapel aus, so dass
ein elektrischer Kontakt zwischen dem Plattenstapel und den Federzungen
zustande kommt. Fügeverfahren
sind so entbehrlich. Ein weiterer Vorteil ist, dass einzelne Plattensätze bei
Bedarf einfach ausgetauscht werden können.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Plattenstapel
insbesondere eine Anordnung von verbundenen Polplatten verstanden, die
als Elektroden des Akkumulators dienen. Der mechanische Druck, der
von den Federzungen auf den Plattenstapel ausgeübt wird, ist beispielsweise
so bemessen, dass er die Plattenstapel einerseits nicht beschädigt und
andererseits einen elektrischen Kontakt auch dann gewährleistet,
wenn der prismatische Akkumulator einer Vibration ausgesetzt ist.
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Das
Material der Kontaktverbinderbleche-Federzunge ist bevorzugt Federstahl.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Zweitzellen-Kontaktverbinderblech bezüglich der Zwischenwand dem
Erstzellen-Kontaktverbinderblech gegenüberliegend mit der Zwischenwand
verbunden. Es ist möglich,
nicht aber notwendig, dass das Erstzellen-Kontaktverbinderblech
bezüglich
der Zwischenwand spiegelsymmetrisch zum Zweitzellen-Kontaktverbinderblech
aufgebaut ist. Es ist jedoch ausreichend, dass das Zweitzellen-Kontaktverbinderblech
so relativ zum Erstzellen-Kontaktverbinderblech angeorndet ist,
dass beide mittels einer Niete, die senkrecht zu der Zwischenwand
verläuft,
mechanisch und elektrisch verbindbar sind.
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Bevorzugt
umfassen die Plattenstapel jeweils zumindest ein Ableiterblech und
die Federzungen sind so angeordnet, dass sie den mechanischen Druck
auf das zumindest eine Ableiterblech ausüben. Ableiterbleche werden
verwendet, um mehrere Polplatten im Plattenstapel mechanisch und
elastisch zu verbinden und so zusammenzufassen. Das Ableiterblech
ist beispielsweise an einer Schmalseite des Plattenstapels angeordnet
und mechanisch und elektrisch mit den Polplatten verbunden.
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Um
die Plattenstapel sicher im jeweiligen Zellgefäß zu halten und elektrisch
bei geringem Innenwiderstand des Akkumulators zu kontaktieren, steht
jeder Plattenstapel bevorzugt beidseitig mit mindestens drei Federzungen
in Kontakt.
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Besonders
günstig
ist, wenn das Erstzellen-Kontaktverbinderblech und das Zweitzellen-Kontaktverbinderblech
mittels einer Niete mechanisch und elektrisch verbunden sind. Es
hat sich herausgestellt, dass so eine dauerhafte, robuste und zugleich einfach
aufgebaute Verbindung zwischen den Kontaktverbinderblechen möglich ist.
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Wenn
der prismatische Akkumulator mit Akkumulatorflüssigkeit gefüllt ist,
muss ein Austausch dieser Akkumulatorflüssigkeit zwischen den einzelnen
Zellgefäßen und
damit zwischen den einzelnen galvanischen Elementen des Akkumulators
unterbunden werden, um Kriechströme
zu unterbinden, die ansonsten zu einer Selbstentladung führen würden. Es
hat sich herausgestellt, dass das dadurch erreichbar ist, dass die
Niete, die in einem Nietloch in der Zwischenwand angeordnet ist,
mit dem Nietloch eine Presspassung bildet. Es können zudem um das Nietloch
umlaufende Dichtkanten am Zellgefäß vorgesehen sein. Da die Akkumulatorflüssigkeit
häufig eine
Lauge ist, das heißt,
dass sie einen ph-Wert oberhalb von 7 aufweist, ist die Niete bevorzugt
laugendicht in dem Nietloch angeordnet. Da die Niete das Nietloch
laugendicht verschließt,
sind zusätzliche
Dichtelemente entbehrlich. Es ist zudem möglich, die Niete so gegen das
bzw. die Kontatverbinderbleche, die sie miteinander verbindet, zu
verspannen, dass die Kontaktverbinderbleche laugendicht an den Wänden der
jeweiligen Zellgefäße anliegen.
So wird eine axiale Vorspannung erzeugt, die in axialer Richtung
der Nieten aufgebracht wird. Es kann zudem axial durch das Kontaktverbinderblech
und radial über
den Durchmesser der Niete gedichtet werden.
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Bevorzugt
weist der prismatische Akkumulator genau zwei Kontaktverbinderbleche
auf, die beidseits des jeweiligen Plattenstapels angeordnet sind. Alternativ
kann der Akkumulator aber auch eine Vielzahl an Erstzellen-Kontaktverbinderblechen
und Zweitzellen-Kontaktverbinderblechen pro Zellgefäß aufweisen.
Möglich
sind beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Kontaktverbinderbleche,
wobei es günstig ist,
so viele Zweitzellen-Kontaktverbinderbleche vorzusehen, wie Erstzellen-Kontaktverbinderbleche
vorhanden sind.
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Erfindungsgemäß besitzen
die Federzungen jeweils mindestens ein freies Ende und stehen mit diesem
freien Ende mit dem jeweiligen Plattenstapel in Kontakt, wobei die
Federzungen mit ihren freien Enden so angeordnet sind, dass sie
einer Bewegung des Plattenstapels aus dem Zellgefäß hinaus
einen höheren
mechanischen Widerstand entgegensetzen als einer Bewegung in das
Zellgefäß hinein.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Plattenstapel einfach in
die Zellgefäße eingeschoben
werden können,
wobei sie beim Einschieben von den Federzungen nur eine geringe
Kraft erfahren. Nach dem Einschieben werden die Plattenstapel dann
von den Federzungen am Platz gehalten, die wie Widerhaken wirken.
Wenn die Plattenstapel in das Zellgefäß eingeführt sind, üben die Federzungen also eine
Klemmkraft auf den Plattenstapel aus.
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Bevorzugt
sind die Federzungen einstückig an
den Kontakverbinderblechen ausgebildet. Beispielsweise werden die
Kontaktverbinderbleche durch Ausstanzen eines Federstahlbandes hergestellt
und die Federzungen anschließend
herausgebogen. Die Verbindungsstege sollten dabei schmal-flexibel
sein.
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Besonders
geeignet ist die Erfindung für
einen Nickel-Metallhydridakkumulator. Ein derartiger Nickel-Metallhydridakkumulator
umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Vielzahl an
Zellgefäßen, beispielsweise
mehr als fünf,
die jeweils paarweise wie in Anspruch 1 für das erste und zweite Zellgefäß beschrieben
untereinander verbunden sind. Die Erfindung ist auch für Nickel-Kadmiumakkumulatoren
einsetzbar.
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Um
eine erhöhte
Spannung des Akkumulators zu erreichen, sind im ersten und im zweiten
Zellgefäß jeweils
ein positiver und ein negativer Erstzellen- bzw. Zweitzellen-Plattenstapel aufgenommen und über die
Kontaktverbinderbleche sind Plattenstapel ungleicher Polarität miteinander
verbunden. Je mehr Zellgefäße in dem
Akkumulator vorhanden sind, um so größer ist der Vorteil der Erfindung,
da unter Verwendung eines geeigneten Werkzeugs alle Kontaktverbinderbleche
aller Zwischenwände
zwischen den einzelnen Zellgefäßen gleichzeitig
miteinander verbunden werden können.
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Im
Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
ist das Vernieten bevorzugt ein Kaltvernieten. Ein Kaltnietprozess
ist besonders einfach durchführbar
und führt
zu einer dichtungselementfreien, laugendichten Nietverbindung zwischen
den Kontaktverbinderblechen unterschiedlicher Zellgefäße. Darunter,
dass die Nietverbindung dichtungselementfrei bzw. dichtungsfrei
ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass in unmittelbarer
Umgebung des Nietlochs keine Dichtelemente angeordnet sind. Die
Niete gewährleistet
durch ihre Presspassung mit dem Nietloch die Laugendichtigkeit sowie durch
axiale Vorspannung der Kontaktverbinderbleiche zur Gehäusezwischenwand.
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Besonders
vorteilhaft sind eine Vielzahl von Kontaktzungen und Nietdurchführungen
vorgesehen. Dadurch wird der innere Widerstand bei kurzen Stromwegen
klein gehalten.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher
erläutert.
Dabei zeigt
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1a eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen prismatischen Akkumulators,
wobei die Plattenstapel noch nicht in die Zellgefäße einführt sind,
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1b einen
Ausschnitt aus 1a mit zwei Kontaktverbinderblechen,
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1c eine
perspektivische Ansicht eines Plattenstapels für einen erfindungsgemäßen Akkumulator,
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2a eine
Ansicht in Richtung A aus 1a,
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2b ein
Kontaktverbinderblech mit mehreren Federzungen, gelocht (ohne Niet)
in der Vorfertigung,
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3a eine
schematische Ansicht, wie ein Kontaktverbinderblech mit einer Niete
verbunden wird,
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3b eine
schematische Ansicht, wie ein Erstzellen-Kontaktverbinderblech mit
einem Zweitzellen-Kontaktverbinderblech verbunden wird,
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4 eine
schematische Ansicht, wie ein randständiges Kontaktverbinderblech
mit einem Polverbinderelement verbunden wird und
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5 eine
Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen prismatischen Akkumulator.
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1a zeigt
einen prismatischen Akkumulator 10, der ein erstes Zellgefäß 12,
ein zweites Zellgefäß 14 sowie
ein drittes, viertes, fünftes
und sechstes Zellgefäß, 16, 18, 20 bzw. 22 umfasst.
In dem ersten Zellgefäß (12)
ist ein Erstzellen-Plattenstapel 24 aufgenommen, der in 1a jedoch
in Verlängerung des
ersten Zellgefäßes 12 eingezeichnet
ist. Auf gleiche Weise ist in dem zweiten Zellgefäß (14)
ein Zweitzellen-Plattenstapel 26 aufgenommen.
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Die
Zellgefäße 12 bis 22 sind
in einem Grundkörper 28 ausgebildet,
der aus Kunststoff besteht. Der Grundkörper 28 besitzt Zwischenwände 30.1, 30.2,
... 30.5, die die Zellgefäße 12 bis 22 elektrisch
isolierend voneinander trennen. In dem ersten Zellgefäß 12 sind
ein erstes Erstzellen-Kontaktverbinderblech 32 und ein
zweites Erstzellen-Kontaktverbinderblech 34 angeordnet,
die an einer Außenwand 36 bzw.
der Zwischenwand 30.1 befestigt sind. Von den Erstzellen-Kontaktverbinderblechen
(32, 34 stehen Federzungen 38.1 bis 38.12 in
einen Innenraum des ersten Zellgefäßes 12 ab. Auf gleiche
Weise ist an der Zwischenwand 30.1 ein erstes Zweitzellen-Kontaktverbinderblech
so angeordnet, dass Federzungen bezüglich der Zwischenwand 30.1 symmetrisch
zu den Federzungen 38.7. bis 38.12. des zweiten
Erstzellen-Kontaktverbinderblechs 34 angeordnet
sind. An der Zwischenwand 30.2 ist ein zweites Zweitzellen-Kontaktverbinderblech 41 befestigt, dessen
Federzungen wie die des ersten Zweitzellen-Kontaktverbinderbleichs 40 in
einen Innenraum des zweiten Zellgefäßes 14 ragen.
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1b zeigt
einen Ausschnitt aus 1a mit der Federzunge 38.12 und
der zugehörigen
Federzunge des ersten Zweitzellen-Kontaktverbinderblechs 40.
Es ist zu erkennen, dass das zweite Erstzellen-Kontaktverbinderblech 34 mit
dem ersten Zweitzellen-Kontaktverbinderblech 40 über Niete 42 verbunden
ist.
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Die
Plattenstapel, wie der Erstzellen-Plattenstapel 24 und
der Zweitzellen-Plattenstapel 26,
umfassen, wie 1c zeigt, jeweils einen positiven
Plattenstapel 44 aus positiven Polplatten und einen negativen
Plattenstapel 46 aus negativen Polplatten, die alternierend
zu den positiven Polplatten angeordnet sind. Der positive Plattenstapel 44 umfasst
ein positives Ableiterblech 48 und der negative Plattenstapel 46 besitzt
ein negatives Ableiterblech 50. Die Ableiterbleche 48, 50 dienen
der mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung der jeweiligen
Polplatten. Das negative Ableiterblech 50 kann aus nickelplattiertem
Stahlblech bestehen. Das positive Ableiterblech 48 besteht
aus Nickel.
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Wenn
der Erstzellen-Plattenstapel 24 wie in 1a gezeigt
in Richtung eines Pfeils P in das erste Zellgefäß 12 eingeführt wird,
werden die Federzungen 38.1 bis 38.12 vorgespannt
und setzen dem Einführen
nur einen geringen mechanischen Widerstand entgegen. Ein Herausziehen
des Erstzellen-Plattenstapels 24 wird jedoch dadurch unterbunden,
dass die Federzungen 38.1 bis 38.12 mit ihren
freien Enden 51.1, 51.2, ..., 51.12 die
Ableiterbleche 48 bzw. 50 (1c) belasten
und dem Herausziehen so einen höheren
Widerstand entgegensetzen.
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2a zeigt
eine Ansicht der Zwischenwand 30.1 in Blickrichtung eines
Pfeils A, wie er in 1a bezeichnet ist. An der Zwischenwand 30.1 ist
das zweite Erstzellen-Kontaktverbinderblech 34 mittels Nieten 42.1 bis 42.6 befestigt,
von dem die Federzungen 38.7 bis 38.12 abstehen.
Jede der Federzungen 38.7 bis 38.12 ist mehrfach
geschlitzt, so dass jeweilige Teil-Federzungen entstehen. Dadurch
wird der Kontakt zwischen den Federzungen und den Ableitblechen 48, 50 (1c)
weiter verbessert. Dieser Umstand ist in 2b durch
die beiden gekrümmten Pfeile
Pi und P2 angedeutet.
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Zur
Montage eines Kontaktverbinderblechs, wie beispielsweise des zweiten
Erstzellen-Kontaktverbinderblechs 34 an der zugehörigen Zwischenwand
werden, wie in 3a gezeigt ist, zunächst die Nieten 42.1. bis 42.6 in
jeweilige Löcher
gesteckt. Anschließend
wird ein Kopf der Niete durch Kaltverformung ausgebildet, wodurch
die entsprechende Niete fest mit dem Erstzellen-Kontaktverbinderblech 34 verbunden
ist. Alternativ sind an dem Erstzellen-Kontaktverbinderblech 34 die
Nieten durch Umformen ausgebildet worden.
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3b zeigt,
wie dieses mit den Nieten versehene Erstzellen-Kontaktverbinderblech
so zu Nietlöchern 52.1, 52.2,
..., 52.6 ausgerichtet wird, dass die Nieten vor den jeweiligen
Nietlöchern 52.1,
..., 52.6 liegen. Von der anderen Seite der Zwischenwand 30.1 wird
das erste Zweitzellen-Kontaktverbinderblech 40 so zu der
Zwischenwand 30.1 positioniert, dass die Nieten 42.1,
..., 42.6 das Zweitzellen-Kontaktverbinderblech 40 durchgreifen
können. Anschließend werden
die beiden Kontaktverbinderbleche 34, 40 durch
Kaltumformen der Nieten 42.1, ..., 42.6 miteinander
vernietet. Die Nietlöcher 52.1 bis 52.6 besitzen
einen Durchmesser, der so bemessen ist, dass die Nietlöcher mit
der zugehörigen
Niete eine Presspassung bilden. Das Maß „a" des Nietes, also dessen Schaftlänge, ist
zudem um einen kleinen Betrag kleiner als die Zwischenwand 30 dick
ist. So wird eine axiale Verspannung der Kontaktverbinderbleche
erreicht. Nach dem Vernieten der Kontaktverbinderbleche 34, 40 ist
das erste Zellgefäß (1a) vom
zweiten Zellgefäß 14 laugendicht
verbunden.
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4 zeigt
ein Vernieten eines randständigen
Kontaktverbinderblechs 54 mit einem Polverbinderelement 56.
Das Polverbinderelement 56 wird, wie oben für das Kontaktverbinderblech 34 beschrieben,
mit Nieten verbunden oder mittels Elektro-Bolzenschweißung stumpf aufgeschweißt und anschließend zu Öffnungen 57.1, 57.2,
..., 57.6 in dem Grundkörper 28 so
ausgerichtet, dass die Nieten durch die Öffnungen hindurch greifen können. Anschließend wird
das randständige
Kontaktverbinderblech 54 mit dem Polverbinderelement 56 so
vernietet, dass eine im Wesentlichen gas- und laugendichte Verbindung zwischen
beiden hergestellt wird. Sofern es für das Erreichen einer Gasdichtigkeit
notwendig ist, können um
die Nieten Dichtungselemente angeordnet sein, beispielsweise O-Ringe.
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Zum
Herstellen des prismatischen Akkumulators 10 (1a)
wird zunächst
der Grundkörper 28 hergestellt
und die Kontaktverbinderbleche werden vorgefertigt. Danach werden
bei einer Massenfertigung in einer automatischen Montagelinie entweder gleichzeitig
oder nacheinander die Kontaktverbinderbleche an die Zwischenwände 30.1,
..., 30.5 angebracht. Es werden zudem die Polverbinderelemente, wie
das Polverbinderelement 56, an den Grundkörper 28 gefügt, wobei
das Kontaktverbinderblech 32, 54 angenietet wird.
Nachfolgend werden die Plattenstapel wie der Erstzellen- und der
Zweitzellen-Plattenstapel 24 bzw. 26 in die jeweiligen
Zellgefäße 12 bzw. 14 eingeschoben.
Abschließend
wird der Akkumulator 10, wie in 5 gezeigt
ist, mit einem Deckel 58 versehen, der gasdicht an dem
Grundkörper 38 befestigt
wird.
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- 10
- Akkumulator
- 12
- erste
Zellgefäß
- 14
- zweites
Zellgefäß
- 16
- drittes
Zellgefäß
- 18
- viertes
Zellgefäß
- 20
- fünftes Zellgefäß
- 22
- sechstes
Zellgefäß
- 24
- Erstzellen-Plattenstapel
- 26
- Zweitzellen-Plattenstapel
- 28
- Grundkörper
- 30
- Zwischenwand
- 32
- erstes
Erstzellen-Kontaktverbinderblech nur gelocht
- 34
- zweites
Erstzellen-Kontaktverbinderblech mit Niet
- 36
- Außenwand
- 38.1
- Federzunge
- 40
- erstes
Zweitzellen-Kontaktverbinderblech nur gelocht
- 41
- zweites
Zweitzellen-Kontaktverbinderblech mit Niet
- 42
- Niete
- 44
- positiver
Plattenstapel
- 46
- negativer
Plattenstapel
- 48
- positives
Ableiterblech
- 50
- negatives
Ableiterblech
- 51
- freies
Ende
- 52
- Nietloch
- 54
- randständiges Kontaktverbinderbleich
- 56
- Polverbinderelement
mit Niet
- 57
- Öffnung
- 58
- Deckel
- a
- Maß
- P
- Pfeil