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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 77.
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Es
sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher)
zur Speicherung elektrischer Energie bekannt, die aus einer oder mehreren
Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms
elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen
einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten
in chemische Energie umgewandelt und somit gespeichert wird und
in denen bei Anlegen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie
in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie
umwandelt wird. Dabei werden Primärspeicher in der Regel
nur ein Mal aufgeladen und sind nach Entladung zu entsorgen, während
Sekundärspeicher mehrere (von einigen 100 bis über 10.000
Zyklen) von Aufladung und Entladung erlauben. Es ist dabei anzumerken,
dass auch Akkumulatoren bisweilen als Batterien bezeichnet werden,
wie etwa Fahrzeugbatterien, die bekanntlich häufige Ladezyklen
erleben.
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In
den letzten Jahren gewinnen Primär- und Sekundärspeicher
auf der Basis von Lithiumverbindungen an Bedeutung. Diese weisen
eine hohe Energiedichte und thermische Stabilität auf,
liefern eine konstante Spannung bei geringer Selbstentladung und
sind frei von dem sogenannten Memory-Effekt.
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Es
ist bekannt, Energiespeicher und insbesondere Lithium-Batterien
und -Akkumulatoren in der Form dünner Platten herzustellen.
Zum Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Zelle wird beispielhaft
auf dieses Skript verwiesen.
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Um
die in der Praxis, etwa bei Automobilbatterien angestrebten Spannungen
und Kapazitäten zu erzielen, ist es erforderlich, mehrere
Zellen zu einem Stapel anzuordnen und ihre Stromableiter auf geeignete
Weise zusammenzuschalten. Die Verschaltung der Einzelzellen erfolgt üblicherweise
auf einer (in der Regel als ”oben” definierten)
Schmalseite der Zellen, aus der die Stromableiter abragen. In der
WO 2008/128764 A1 ,
der
WO 2008/128769
A1 ,
WO 2008/128770
A1 und der
WO
2008/128771 A1 sind derartige Verschaltungsanordnungen
gezeigt, wie es in
60 beispielhaft wiedergegeben
ist. Bei einer solchen Anordnung sind die Stromableiter jeweils einzeln
mit einem Stromableiter einer anderen Zelle zu verbinden. Dies Arbeit
ist in der Regel nur von Hand ausführbar. Die Stromableiter
und ihre Verbindungen liegen an der Oberseite frei. Bei der Anordnung
der Einzelzellen in dem Stapel ist genau auf die polrichtige Lage
derselben zueinander zu achten.
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In
der
JP 07-282841 A ist
eine ähnliche Anordnung gezeigt, bei der die Einzelzellen
in ein Gehäuse eingesetzt sind, wie es in
61 wiedergegeben ist. Hier stehen die Einzelzellen
lose in einzelnen Abteilungen eines Gehäuses, und die oben
herausragenden Kontakte sind mittels Bolzen miteinander verbunden.
Die ganze Anordnung ist dann mit einem Deckel von oben verschlossen.
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Aus
einer noch unveröffentlichten Entwicklung ist es bekannt,
mehrere dünne, quaderförmige galvanische Zellen
so zu einem oder mehreren Stapeln zusammenzufassen, dass ihre Seiten
größter Ausdehnung einander zugewandt sind oder
berühren, und so in einer Halteeinrichtung eingegossen sind.
Eine solche Anordnung ist nicht mehr demontierbar.
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Es
ist den Erfindern auch eine druckschriftlich nicht näher
belegte Anordnung bekannt, bei der mehrere flache Zellen zwischen
zwei Druckplatten gestapelt sind, wobei der Stapel durch Zugstäbe (Schraubbolzen
bzw. Zylinderschrauben), die sich zwischen den Druckplatten erstrecken,
zusammengehalten werden. Eine solche Anordnung ist schematisch in 62 gezeigt. Hierbei wird nicht unerheblicher Druck
auf den im inneren Bereich liegenden aktiven Teil der Speicherzellen
ausgeübt. Ferner bildet der Zellblock einen massiven Körper
mit hoher Wärmekapazität und wenigen Wärmeabstrahlflächen.
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Eine
von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung am gleichen Tag eingereichte
Patentanmeldung, die intern unter dem Aktenzeichen 105907 geführt
wird, beschreibt den Aufbau von Flachzellen mit von gegenüberliegenden
Schmalseiten seitlich abragenden, flächigen Stromableitern,
deren Erstreckung entlang der jeweiligen Schmalseite größer
als die Hälfte der Länge dieser Schmalseite ist.
Diese Zellen sind an den Stromableitern kontaktierbar und gleichzeitig
lagestabil montierbar. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung
wird hiermit insoweit durch Bezugnahme eingeschlossen, ohne dass
die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die dort beschriebenen
Einzelheiten beschränkt ist.
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Es
besteht der Wunsch nach einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung,
die einen Stapel von flachen Speicherzellen aufweist, welche die
Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Darüber hinaus
besteht grundsätzlich und insbesondere bei Fahrzeugen der
Wunsch nach weiteren Raumeinsparungen, also nach einer Verkleinerung
der Gesamtbatterieanordnung. Ferner ist im Hinblick auf den erhöhten
Speicherbedarf insbesondere bei elektrischen oder hybrid betriebenen
Fahrzeugen eine Anpassung an das bestehende Platzangebot und die geometrischen
Verhältnisse gewünscht sowie eine Anpassbarkeit
an vielfältige Spannungs- und Kapazitätsanforderungen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische
Energiespeichervorrichtung vorstehend genannter Art zu schaffen, die
kompakt und robust, leicht und sicher zu montieren ist, deren Einzelzellen
geringer mechanischer Belastung ausgesetzt sind und deren Temperatur einfach
zu regulieren ist, und die verschiedenen Anforderungen flexibel
angepasst werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden
den Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
Elektroenergie-Speichervorrichtung nach einem Gesichtspunkt der
Erfindung weist eine Mehrzahl von Speicherzellen flacher Form auf,
wobei mehrere Speicherzellen in einer Stapelrichtung zu einem Zellblock
gestapelt sind und durch eine Spannvorrichtung zwischen zwei Andruckplatten
zusammengehalten werden, und wobei die Speicherzellen innerhalb
des Zellblocks parallel und/oder in Reihe miteinander verschaltet
sind. Jede Speicherzelle wird in ihrem Randbereich zwischen zwei
Rahmenelementen gehalten.
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Auf
diese Weise wird eine definierte Druckzone erhalten, in welcher
die Zellen gehalten werden.
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Vorzugsweise
weist jede Speicherzelle einen aktiven Teil auf, in welchem eine
zur Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie mittels einer elektrochemischen
Reaktion ausgelegte und angepasste Struktur angeordnet ist, und
umgibt der Randbereich den aktiven Teil. So wird der Spanndruck
und hierdurch mögliche Beeinträchtigungen der
Funktion von dem aktiven Teil ferngehalten.
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Vorzugsweise
weist jede Speicherzelle flächige Kontaktabschnitte auf,
die in dem Randbereich von zwei gegenüberliegenden Schmalseiten
der Speicherzelle quer zur Stapelrichtung abragen. Auf diese Weise
sind die Kontaktabschnitte vergleichsweise robust aufgebaut und
können zum Halten der Zelle ausgenutzt werden.
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Die
Erfindung ist besonders vorteilhaft auf elektrochemische Zellen,
wie etwa galvanische Sekundärzellen anwendbar. Vorzugsweise
ist dabei der aktive Teil von einer Folie, die im Randbereich, insbesondere
wenigstens an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten der
Speicherzelle, wenigstens eine Naht aufweist, dicht umschlossen,
wobei der von der Folie umschlossene Bereich vorzugsweise evakuiert ist.
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Vorzugsweise
sind die Kontaktabschnitte jeweils Teil von Stromableitern, die
durch die Nähte an den zwei gegenüberliegenden
Schmalseiten hindurch reichen und im Inneren mit dem aktiven Teil
in Verbindung stehen. Da die Kontaktabschnitte mit dem aktiven Teil,
der den schwersten Teil einer Zelle ausmacht, verbunden sind, kann
eine mechanische Belastung und die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen
einer Umhüllung gering gehalten werden.
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Dies
wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass die Kontaktabschnitte Druckflächen
für den durch die Spanneinrichtung über die Rahmenelemente
aufgebrachten Druck bilden.
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Der
aktive Teil weist in der Regel eine größere Dicke
als der Randbereich auf. Wenn die Rahmenelemente eine Dicke derart
aufweisen, dass zwischen den aktiven Teilen benachbarter Speicherzellen
ein freier Raum vorhanden ist, kann dieser freie Raum für
eine Temperierung mit einem Wärmeträger verwendet
werden.
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Wenn
z. B. die Rahmenelemente jeweils wenigstens eine Öffnung
quer zur Stapelrichtung aufweisen, die den freien Raum zwischen
benachbarten Speicherzellen mit einem Außenraum verbindet, kann
ein Wärmeträger durch diese Öffnungen
strömen bzw. zirkulieren und einen Kühlkreislauf
verwirklichen. Besonders wirkungsvoll wird dies erreicht, indem
mehrere Öffnungen in quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden
Abschnitten der Rahmenelemente angeordnet sind. Insbesondere kann
durch den Raum zwischen zwei Speicherzellen ein Kühlmedium
strömen, wobei das Kühlmedium insbesondere durch
die Öffnungen in den Rahmenelementen ein- und austritt.
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Das
Kühlmedium ist zur Verbesserung der Sicherheit vorzugsweise
nicht brennbar oder schwer entflammbar. So kann z. B. Luft, deionisiertes
Wasser oder Öl oder dergleichen als Kühlmedium
verwendet werden.
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Ein
besonders wirksamer Wärmeübergang ergibt sich,
wenn das Kühlmedium beim Durchströmen des Raums
zwischen zwei Speicherzellen einen Phasenübergang erfährt.
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Bevorzugt
sind die Andruckplatten rahmenförmig ausgebildet. So kann
bei geringstem Gewicht der Druck der Spanneinrichtung gleichmäßig über die
Rahmenelemente in den Zellstapel eingebracht werden.
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Eine
geeignete Spanneinrichtung weist mehrere, insbesondere vier oder
sechs, Zugstäbe. Diese können sich in besonders
platzsparender Weise durch in Stapelrichtung verlaufende Bohrungen
in den Andruckplatten, den Rahmenelementen und den Randbereichen
der Speicherzellen erstrecken.
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Wenn
sich die Zugstäbe durch in Stapelrichtung verlaufende Bohrungen
in den Kontaktabschnitten der Speicherzellen erstrecken, kann der
Druck besonders effektiv auf die Kontaktabschnitte der Speicherzellen
ausgeübt werden. In diesem Fall ist es insbesondere vorteilhaft,
wenn die elektrische Verbindung der Speicherzellen mittels Kraftschluss über
die Spannvorrichtung erfolgt.
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Insbesondere
ist dort, wo eine elektrische Verbindung zwischen Kontaktabschnitten
benachbarter Speicherzellen herzustellen ist, ein Kontaktverbindungselement
aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet, welches mittels
des über die Spanneinrichtung ausgeübten Spanndrucks
in Stapelrichtung an beide Kontaktabschnitte angedrückt wird.
Das Kontaktverbindungselement kann aus einem Metall oder einer Metall-Legierung,
vorzugsweise Kupfer, Messing, Bronze bestehen und besonders bevorzugt
vergoldet oder versilbert sein, um den Übergangswiderstand
zwischen Kontakten zu verringern.
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Eine
kompakte Bauform und einfache Montage ergibt sich, wenn das Kontaktverbindungselement
in ein Rahmenelement integriert ist. Das ist insbesondere der Fall,
wenn das Kontaktverbindungselement eine Mehrzahl von zylindrischen
Körpern ist, die in die Durchgangsbohrungen in dem Rahmenelement
eingesetzt sind.
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Wenn
die Rahmenelemente zwischen Bereichen, in welchen Kontaktverbindungselemente
eingesetzt sind, eine verringerte Dicke aufweisen, ergibt sich eine
Konzentration des Anpressdrucks auf die Stirnflächen der
Kontaktverbindungselemente und eine besonders effektive Kontaktierung.
Zudem können die Bereiche verringerter Dicke Öffnungen
für eine Zirkulation des Wärmeträgers
bilden.
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Das
Kontaktverbindungselement kann etwa eine Mehrzahl von Hülsen
sein, durch welche hindurch jeweils einer der Zugstäbe
verläuft. Alternativ kann das Kontaktverbindungselement
eine längliche Grundform von im Wesentlichen rechteckigem
Querschnitt aufweisen, wobei das Kontaktverbindungselement in eine
Aussparung in dem Rahmenelement zwischen den zu verbindenden Kontaktabschnitten der
zwei Speicherzellen im Wesentlichen deren Verlauf folgend eingesetzt
ist, und wobei parallele Außenflächen des Kontaktverbindungselements
die Kontaktabschnitte der Speicherzellen kontaktieren.
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Im
letzteren Fall kann das Kontaktverbindungselement Verdickungen in
Stapelrichtung aufweisen, deren äußere Endflächen
die Kontaktabschnitte der Speicherzellen kontaktieren. Hierdurch ergibt
sich wiederum ein hoher Anpress- und Kontaktierungsdruck und die
bereits erwähnten Öffnungen für eine
Zirkulation des Wärmeträgers.
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Wenn
das Kontaktverbindungselement wenigstens sich eine in Längsrichtung
erstreckende Kühlrippe aufweist, die in das Innere der
Vorrichtung weist, kann eine wirksame Wärmeübertragung
von den Stromableitern an das Wärmemedium erfolgen.
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Vorteilhafterweise
sind dort sind, wo keine elektrische Verbindung zwischen zwei Kontaktabschnitten
herzustellen ist, zwischen den Kontaktabschnitten Abstandselemente
aus elektrisch isolierendem Material in Aussparungen in den Rahmenelementen
eingesetzt, die vorzugsweise im Wesentlichen die Form des Kontaktverbindungselements
aufweist.
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Das
Kontaktverbindungselement weist vorzugsweise wenigstens zwei Durchgangsbohrungen auf,
durch welche hindurch jeweils einer der Zugstäbe verläuft.
Dabei sind die Zugstäbe zur Vermeidung eines Kurzschlusses
vorzugsweise gegenüber dem Kontaktverbindungselement und
dem Kontaktabschnitt elektrisch isoliert. Dies kann etwa dadurch
bewerkstelligt werden, dass die Zugstäbe eine elektrisch
isolierende Beschichtung an den Schaftflächen aufweisen,
oder dass die Zugstäbe jeweils Hülsen aus elektrisch
isolierendem Material tragen.
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Eine
Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in einem
freien Raum zwischen benachbarten Speicherzellen Federelemente angeordnet sind,
welche die Speicherzellen in Stapelrichtung elastisch gegeneinander
abstützen. Die die Federelemente können z. B.
flächige Schaumstoffelemente, die auf einer oder beiden
Flachseiten der Speicherzellen fest angebracht sind. Eine solche
Anordnung reduziert Schwingen der Zellen im Einsatz und dadurch
hevorgerufene mechanische Belastungen auf die Stellen, an welchen
die Zellen gehalten werden.
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Um
unerwünschte Kontakte zwischen stromführenden
Teilen zu vermeiden, ist es erforderlich, die Bauteile bei der Montage
in radialer Richtung exakt zueinander zu positionieren. Dies wird
durch eine Zentriereinrichtung erleichtert, die die relative Lage der
Speicherzellen und der Rahmenelemente quer zur Stapelrichtung festlegt.
Die Zentriereinrichtung kann in Stirnflächen der Rahmenelemente
angeordnete Vorsprünge umfassen, die in passende Vertiefungen
im Randbereich der Speicherzellen eingreifen. Die Vorsprünge
können Stifte, Noppen, Nasen oder dergleichen sein, wobei
die Vertiefungen in den Kontaktbereichen oder in den nicht leitenden
Abschnitten der Randbereiche angeordnet sein können. Die
Vertiefungen können Durchgangsbohrungen oder Ausstanzungen
sein.
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In
alternativen Bauformen kann die Zentriereinrichtung Prägung
im Randbereich der Speicherzellen umfassen, die in ein passendes
Relief der Rahmenelemente greifen. Die Zentriereinrichtung kann
auch derart verwirklicht sein, dass die Zugstäbe auf Passung
durch Bohrungen im Randbereich der Speicherzellen mit Ausnahme der
Kontaktbereiche verlaufen, dass sich die Speicherzellen, insbesondere
mit dem dickeren aktiven Abschnitt, quer zur Stapelrichtung gegen
die Rahmenelemente abstützen, oder dass zwischen den Rahmenelementen
und den Speicherzellen ein elastisches Element, insbesondere Schaumstoff,
zwischengeschaltet ist, welches vorzugsweise direkt auf die Rahmenelemente
gespritzt ist, um ein Verrutschen während des Zusammenbaus zu
vermeiden.
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Ferner
ist es wichtig, dass die Speicherzellen stets in der Richtigen Polrichtung
eingebaut werden. Um hier Fehler zu vermeiden, kann eine Verpolungsschutzeinrichtung
vorgesehen sein, welche eine Einbaurichtung der Speicherzellen kodiert.
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Die
Verpolungsschutzeinrichtung kann derart verwirklich ist, dass die
Zentriereinrichtung unsymmetrisch ausgebildet ist. So können
etwa die Vorsprünge und Vertiefungen bzw. die Prägungen
und Gegenreliefs auf der Seite eines Kontaktabschnitts in größerem
Abstand angeordnet oder in anderer Form oder Größe
ausgebildet sein als auf der Seite des anderen Kontaktabschnitts.
So können die Bauelemente der Zentrierungseinrichtungt
zugleich die Aufgabe des Verpolungschutzes übernehmen,
und es sind keine zusätzlichen Maßnahmen oder
Bauelemente hierfür vorzusehen.
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Die
Verpolungsschutzeinrichtung kann alternativ derart verwirklicht
sein, dass die Federelemente auf beiden Flachseiten der Speicherzellen
und je nach gewünschter Polrichtung mehrerer Speicherzellen
zueinander auf der ein und dem selben Kontaktabschnitt zugeordneten
Hälfte der Flachseiten oder auf unter schiedlichen Kontaktabschnitten
zugeordneten Hälften der Flachseiten angeordnet sind. So
können die Federelemente zugleich die Aufgabe des Verpolungschutzes übernehmen,
und es sind keine zusätzlichen Maßnahmen oder
Bauelemente hierfür vorzusehen.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die Rahmenelemente
wenigstens einen an jeweils gleicher Stelle angeordneten, randseitigen
Einschnitt aufweisen, wobei die Einschnitte mehrerer Rahmenelemente
im zusammengebauten Zustand einen nach außen offenen Kanal
von im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt bilden, der
sich in Stapelrichtung erstreckt. Ein solcher Kanal kann vorteilhaft und
platzsparend zur Führung von Leitungen verwendet werden. Über
Bohrungen, die jeweils am Grund des Einschnitts senkrecht zur Erstreckungsrichtung
des Kanals eine Bohrung eingebracht sind, können Anschlusselemente
etwa für Fühler oder Thermoelemente oder Steuerelemente
angebracht und angeschlossen werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn
der Kanal über eine in wenigstens einer der Andruckplatten
angeordnete Durchbohrung oder Ausstanzung oder Einkerbungen stirnseitig
zugänglich ist.
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Die
Speicherzellen können entweder in Reihe geschaltet sein,
oder es kann wenigstens ein Teil der Speicherzellen parallel geschaltet
sein. Insbesondere können mehrere parallel geschaltete
Speicherzellen jeweils eine Gruppe bilden und mehrere aus einer
jeweils gleichen Anzahl von Speicherzellen bestehende Gruppen in
Reihe geschaltet sind. Durch geeignete Kombination und Anzahl von
Speicherzellen und Gruppen derselben ist im Rahmen des zur Verfügung
stehenden Raums nahezu jede beliebige Spannung und Kapazität
als vielfaches der Zellenspannung und -kapazität darstellbar.
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Die
Andruckplatten können aus einem elektrisch leitenden Material
bestehen und über ein vorstehend genannten Kontaktverbindungselement
mit einem Kontaktabschnitt einer Speicherzelle elektrisch verbunden
sein. So können die Andruckplatten als elektrische Pole
dienen. Wenn des Weiteren die Andruckplatten Anschlusselemente aufweisen,
die zum Verbinden mit einer Anschlussleitung oder einem Gegenstück
eingerichtet sind, ist eine Weiterverschaltung der Zellblöcke
besonders einfach. So können z. B. die Anschlusselemente
Laschen, vorzugsweise mit Durchgangsbohrungen versehen oder Stehbolzen
tragend, sein, die seitlich quer zur Stapelrichtung oder stirnseitig
in Stapelrichtung abragen. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen
ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Zugstäbe gegenüber
den Andruckplatten elektrisch isoliert sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann es vorgesehen sein,
dass die Zugstäbe gegenüber einer der Andruckplatten
elektrisch isoliert sind, während sie mit der anderen Andruckplatte
elektrisch leitend verbunden sind und wenigstens auf der Seite der
isolierten Andruckplatte Anschlusselemente aufweisen, die vorzugsweise
mit den Zugstäben mit verschraubt oder integral ausgebildet
sind. So können die Zugstäbe, die, gegen die anderen
Bauelemente ohnehin isoliert, durch den Zellblock hindurch geführt sind,
als einer der Pole dienen, sodass auf ein und der selben Stirnseite
eines Zellblocks beide Pole vorliegen. Dies kann die Verschaltung
und den Anschluss der Zellblöcke vereinfachen.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Zugstäbe auf wenigstens einer
Seite Anschlusselemente aufweisen, die vorzugsweise mit den Zugstäben
mit verschraubt oder integral ausgebildet sind.
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Die
Anschlusselemente der Zugstäbe auf der wenigstens einen
Seite können zum zwecke eines Potentialausgleichs untereinander
elektrisch verbunden sein.
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Eine
besonders einfache und selbstzentrierende Konstruktion ergibt sich,
wenn die Zugstäbe in eine der Andruckplatte direkt eingeschraubt
sind.
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Vorzugsweise
definiert die Gesamtheit der Rahmenelemente und Andruckplatten eine
im Wesentlichen prismatische Kontur, welche die darin angeordneten
Speicherzellen vollständig umschließt. Es ergibt
sich so ein geschlossener Körper, der einfach zu handhaben
ist. Auch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Möglichkeiten,
einen Kühlkreislauf mit einem Wärmeträger
auszubilden.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die beiden Rahmenelemente an den stirnseitigen
Enden eines Zellblocks Querverstrebungen reduzierter Dicke aufweisen,
welche den durch das jeweilige Rahmenelement freigelassenen Raum überspannen
Hierdurch ergibt sich eine Versteifung dieses endseitigen Rahmenelements
und darüber hinaus eine definierte freiliegende Oberfläche
der jeweils endseitigen Speicherzelle.
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Die
Elektroenergie-Speichervorrichtung weist vorzugsweise eine Steuereinheit
zur Überwachung und Balancing der Speicherzellen auf. Diese ist
besonders bevorzugt auf dem Zellblock, vorzugsweise an einer der
vorstehend beschriebenen Querverstrebungen, angebracht.
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Für
die Führung von Leitungen, die mit der Steuereinheit sind,
kann vorteilhaft der durch die vorstehend beschriebenen Einschnitte
gebildete Kanal verwendet werden.
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Eine
vorteilhafte Modularität und Flexibilität ergibt
sich, wenn mehrere Zellblöcke in Reihe und/oder parallel
miteinander verbunden sind.
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Wenn
zudem die Zellblöcke eine unterschiedliche Anzahl von Speicherzellen
aufweisen, kann der zur Verfügung stehende Einbauraum besonders
effektiv ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft,
wenn die Anzahl von Speicherzellen in den Zellblöcken anhand
der Geometrie eines verfügbaren Einbauraums ausgewählt
ist. Die Zellblöcke können in jeweiligen Stapelrichtungen
hintereinander und/oder bezüglich der jeweiligen Stapelrichtungen
nebeneinander und/oder übereinander und/oder mit einem
insbesondere rechten Winkel der jeweiligen Stapelrichtungen zueinander
angeordnet sein und über ihre Anschlusselemente miteinander verschaltet
sein.
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Ein
Gehäuse kann die Gesamtanordnung aufnehmen. Dabei können
die vorstehend beschriebenen Anschlusselemente zumindest zum Teil
vorteilhaft zur Befestigung der Zellblöcke an dem Gehäuse
genutzt werden.
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Eine
Elektroenergie-Speichervorrichtung eines weiteren Gesichtspunkts
der Erfindung weist eine Mehrzahl von Speicherzellen flacher Form
auf, wobei mehrere Speicherzellen in einer Stapelrichtung zu einem
Zellblock gestapelt sind und durch eine Spannvorrichtung zusammengehalten
werden, und wobei die Speicherzellen innerhalb des Zellblocks parallel
und/oder in Reihe miteinander verschaltet sind. Bei dieser Elektroenergie-Speichervorrichtung
weist jede Speicherzelle in ihrem Randbereich Stromableiter auf,
und erfolgt eine elektrische Kontaktierung zwischen Stromableitern
aufeinanderfolgender Speicherzellen mittels Kraftschluss über die
Spannvorrichtung.
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Hierzu
ist vorzugsweise zwischen Stromableitern in Stapelrichtung ein Druck übertragendes Bauelement
angeordnet, welches entweder aus einem elektrisch leitenden Material
oder aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, und auf
welches die Kraft der Spannvorrichtung wirkt.
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Insbesondere
werden die Speicherzellen durch die Druck überfragenden
Bauelemente gehalten.
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Die
in den Ansprüchen genannten und weitere Merkmale, Aufgaben
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlicher ersichtlich
werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
angefertigt wurde.
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In
den Zeichnungen:
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zeigt 1 einen
Zellblock gemäß der ersten Ausführungsform
in einer perspektivischen Teil-Explosionsansicht;
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zeigt 2 eine
Akkumulatorzelle und eine Rahmenelement davon;
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ist 3 eine
Schnittansicht durch einen Zellblock in einer durch zwei Linien
E1, E2 definierten Ebene in Blickrichtung eines Pfeils III in 1;
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zeigt 4 eine
Einzelheit IV in 3 im Bereich der Verschraubung;
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ist 5 eine
perspektivische Gesamtansicht mit zusätzlichen Anschlusselementen
und einem Steuergerät;
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zeigt 6 ein
Ersatzschaltbild des Zellblocks ähnlich dem in 1 gezeigten;
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zeigt 7 ein
Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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zeigt 8 eine
perspektivische Darstellung der Anordnung von vier Zellblöcken
als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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zeigt 9 eine
Seitenansicht der Anordnung von 8;
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zeigt 10 eine Reihenschaltung von zwei Zellblöcken
als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt;
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zeigt 11 eine Parallelschaltung von zwei Zellblöcken
als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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zeigt 12 eine Anordnung von Zellblöcken als
sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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zeigt 13 eine Einzelheit eines Zellblocks einer siebenten
Ausführungsform;
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zeigt 14 einen zusammengebauten Zustand eines Zellblocks
einer achten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht
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zeigt 15 den Zellblock von 14 ohne Druckplatten
und Verspannung;
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zeigt 16 einen Endrahmen des Zellblocks von 14 in der stirnseitiger Ansicht;
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zeigt 17 einen Zwischenrahmen 4 in perspektivischer
Ansicht;
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zeigt 18 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen
Zellblocks einer neunten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dieser Ausführungsform;
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zeigt 19 eine Seitenansicht einer Anordnung von vier
in Reihe geschalteten Zellblöcken von 18;
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zeigt 20 eine perspektivische Ansicht einer Akkumulatorzelle
einer zehnten Ausführungsform;
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zeigt 21 ist eine Draufsicht, d. h., eine Ansicht auf
die obere Schmalseite der Akkumulatorzelle von 20;
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zeigt
ist 22 eine perspektivische Darstellung
zweier Akkumulatorzellen in ihrer Anordnung in einem Zellblock mit
Kontaktleisten in einer elften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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zeigt 23 eine Draufsicht, d. h., eine Ansicht von oben
auf die langen Schmalseiten der Akkumulatorzellen von 22;
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zeigt 24 eine perspektivische Darstellung einer Kontaktleiste
von 22;
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zeigt 25 eine stirnseitige Ansicht eines Zwischenrahmens
in dieser Ausführungsform;
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zeigt 26 eine perspektivische Darstellung einer Akkumulatorzelle
in ihrer Anordnung in dem Zellblock mit Kontaktierungsriegeln in
einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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ist 27 eine Explosionsansicht der Anordnung nach 26, wobei zusätzlich ein Isolationsriegel
dargestellt ist;
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ist 28 eine Querschnittsansicht eines Halbriegels
zur Kontaktierung eines positiven Stromableiters;
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ist 29 eine Querschnittsansicht eines Halbriegels
zur Kontaktierung eines negativen Stromableiters;
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ist 30 eine Querschnittsansicht des Isolationsriegels
aus 27;
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ist 31 eine stirnseitige Ansicht eines Zwischenrahmens
in der zwölften Ausführungsform;
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ist 32 eine Querschnittsansicht eines Halbriegels
zur Kontaktierung eines positiven Stromableiters in einer dreizehnten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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ist 33 eine Querschnittsansicht eines Halbriegels
zur Kontaktierung eines negativen Stromableiters in der dreizehnten
Ausführungsform;
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ist 34 eine Querschnittsansicht eines Isolationsriegels
in der dreizehnten Ausführungsform;
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zeigt 35 eine für einen Pluspol kodierte Abstandshalbplatte
in einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
im Längsschnitt;
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zeigt 36 eine für einen Minuspol kodierte Abstandshalbplatte
in der vierzehnten Ausführungsform im Längsschnitt;
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zeigt 37 eine Kontakthülse in der vierzehnten
Ausführungsform im Längsschnitt;
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zeigt 38 eine Doppelzapfenmanschette für Reihenschaltung
in der vierzehnten Ausführungsform im Längsschnitt;
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zeigt 39 eine Innenmanschette für Parallelschaltung
in der vierzehnten Ausführungsform im Längsschnitt;
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zeigt 40 eine Einzapfenmanschette für einen Übergang
von Parallel- auf Reihenschaltung in der vierzehnten Ausführungsform
im Längsschnitt;
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zeigt 41 eine Abstandshülse für variable Anwendung
in der vierzehnten Ausführungsform im Längsschnitt;
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zeigt 42 eine Akkumulatorzelle einer neunzehnten Ausführungsform
in stirnseitiger Ansicht;
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zeigt 43 eine Ecke einer Akkumulatorzelle einer zwanzigsten
Ausführungsform in stirnseitiger Ansicht;
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zeigt 44 einen Endbereich einer Akkumulatorzelle einer
einundzwanzigsten Ausführungsform im Schnitt in Blickrichtung
von oben;
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zeigt 45 eine Ecke einer Akkumulatorzelle einer zweiundzwanzigsten
Ausführungsform in stirnseitiger Ansicht;
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zeigt 46 einen Endbereich einer Akkumulatorzelle einer
dreiundzwanzigsten Ausführungsform im Schnitt in Blickrichtung
von oben;
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ist 47 eine Schnittdarstellung eines Randbereichs
einer Akkumulatorzelle in einer vierundzwanzigsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einem Stromableiter in Blickrichtung von
oben;
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zeigt 48 zeigt ein Distanzstück der vierundzwanzigsten
Ausführungsform im Schnitt;
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zeigt 49 eine stirnseitige Ansicht einer Akkumulatorzelle
einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einer Einbausituation;
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zeigt 50 eine Isolierhülse dieser Ausführungsform
im Längsschnitt;
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zeigt 51 einen Zellblock in einer sechsundzwanzigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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zeigt 52 ist einen Zellblock in einer siebenundzwanzigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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zeigt 53 mehrere miteinander in Reihe verbundene Zellblöcke
in einer achtundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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zeigt 54 einen Zellblock einer neunundzwanzigsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung von oben im Schnitt;
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ist 55 eine geschnittene Ansicht eines Zellblocks
einer dreißigsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung von oben;
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ist 56 ist eine vergrößerte Ansicht
einer Kontaktierungsklammer aus 55 vom
Zellblock aus gesehen;
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ist 57 eine entlang einer Linie LVII in 56 geschnittene Ansicht der Kontaktierungsklammer
in Pfeilrichtung;
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ist 58 eine entlang einer Linie LVIII in 56 geschnittene Ansicht der Kontaktierungsklammer
in Pfeilrichtung;
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zeigt 59 einen Zellblock einer einunddreißigsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer
Draufsicht; und
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zeigen 60 bis 62 Zellblöcke
nach dem Stand der Technik.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch
sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis
der Erfindung wichtigsten Merkmale beschränken. Auch ist darauf
hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen
und Größenverhältnisse allein der Deutlichkeit
der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend
oder zwingend zu verstehen sind.
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Es
folgt eine Beschreibung konkreter Ausführungsformen und
möglicher Abwandlungen hiervon. Soweit in verschiedenen
Ausführungsformen gleiche Bauteile verwendet werden, sind
diese mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen. Auf
die wiederholte Erläuterung bereits im Zusammenhang mit
einer Ausführungsform erläuterter Merkmale wird
weitgehend verzichtet. Dennoch sind, soweit es nicht ausdrücklich
anders angegeben oder ersichtlich technisch unsinnig ist, die Merkmale,
Anordnungen und Wirkungen einer Ausführungsform auch auf
andere Ausführungsformen zu übertragen.
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Eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
anhand der 1 bis 6 erläutert.
Dabei zeigen 1 einen Zellblock gemäß der
ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Teil-Explosionsansicht, 2 eine
Akkumulatorzelle und eine Rahmenelement davon, 3 eine Schnittansicht
durch einen Zellblock in einer durch zwei Linien E1, E2 definierten
Ebene in Blickrichtung eines Pfeils III in 1, 4 eine
Einzelheit IV in 3 im Bereich der Verschraubung, 5 eine
perspektivische Gesamtansicht mit zusätzlichen Anschlusselementen
und einem Steuergerät, und 6 ein
Ersatzschaltbild des Zellblocks. (Eine in 3 gekennzeichnete
Einzelheit XIII bezieht sich auf eine andere Ausführungsform.)
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1 zeigt
einen Zellblock 1 gemäß der ersten Ausführungsform
in einer perspektivischen Teil-Explosionsansicht, wobei ein die
Gesamtanordnung vervollständigendes Gehäuse weggelassen
ist. Der Zellblock 1 ist der bestimmende Bestandteil einer elektrochemischen
Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung.
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In
dem Zellblock 1 sind eine Anzahl von insgesamt elf Akkumulatorzellen 2 als
Stapel angeordnet. Jede Akkumulatorzelle 2 besteht im Wesentlichen
aus einem aktiven Teil 4, einer inaktiven Randzone 6 und
zwei in der Randzone 6 angeordneten Stromableitern 8, 10.
Die Akkumulatorzellen 2 sind elektrochemische Speicherzellen
im Sinne der Erfindung, die Stromableiter 8, 10 sind
Kontaktabschnitte im Sinne der Erfindung, und die Randzone bildet
zusammen mit den Stromableitern 8, 10 einen Randbereich
im Sinne der Erfindung.
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In
dem aktiven Teil 4 findet eine elektrochemische Reaktion
zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie (Lade- und Entladereaktion)
statt. Der in der Figur nicht näher dargestellte, innere
Aufbau des aktiven Teils 4 entspricht einem flachen, laminierten
Stapel aus elektrochemisch aktiven Elektrodenfolien zweier Arten
(Kathode und Anode), elektrisch leitenden Folien zur Sammlung und
Zuleitung oder Ableitung elektrischen Stroms zu und von den elektrochemisch
aktiven Bereichen, und Separatorfolien zur Trennung der elektrochemisch aktiven
Bereiche der zwei Arten voneinander. Dieser Aufbau ist in der Technik
wohlbekannt und soll hier nicht weiter vertieft werden. Als Referenz
wird auf eine Speicherzelle verwiesen, die in einer am gleichen
Tage wie die vorliegende Anmeldung hinterlegten Anmeldung (interne
Bezeichnung No. 105907) beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt
insoweit vollumfänglich durch Bezugnahme eingeschlossen
sei.
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Der
aktive Teil 4 der Zelle 2 wird von zwei in der
Figur nicht näher bezeichneten Folien sandwichartig umhüllt.
Die beiden Folien sind an ihren freien Enden gas- und feuchtigkeitsdicht
verschweißt und bilden eine sogenannte Siegelnaht, die
den aktiven Teil 4 als umlaufende, inaktive Randzone 6 umgibt.
Die Siegelnaht ist an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten
gefaltet und bildet dort jeweils einen Falz 50, der die
Siegelnaht an dieser Stelle stabilisiert und einem Einreißen
vorbeugt (vgl. 2).
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Zwei
Stromableiter 8, 10 ragen an zwei gegenüberliegenden
Schmalseiten der Zelle 2 durch die Siegelnaht hindurch
aus dem Inneren der Zelle 2 nach außen und erstrecken
sich als flächige Gebilde in entgegengesetzten Richtungen.
Die Stromableiter 8, 10 stehen mit den elektrochemisch
aktiven Kathoden und Anodenbereichen im Inneren des aktiven Bereichs 6 in
Verbindung und dienen so als Kathoden- und Anodenanschlüsse
der Zelle 2.
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Zur
Bildung des Zellblocks 1 sind ferner Halterahmen 12, 14, 16 und
Druckplatten 18, 20 vorgesehen, deren Ränder
von einer Flachseite gesehen jeweils in etwa die gleiche Kontur
beschreiben. Es sind in dieser Reihenfolge eine erste Druckplatte 18, ein
erster Endrahmen (Halterahmen) 12, eine abwechselnde Abfolge
von Akkumulatorzellen 2 und Zwischenrahmen (Halterahmen) 14,
wobei die Abfolge mit einer Zelle 2 beginnt und endet,
mithin also die Zahl der Zwischenrahmen um Eins geringer ist als die
Zahl der Zellen 2, ein zweiter Endrahmen (Halterahmen) 16 und
eine zweite Druckplatte 20 angeordnet. Die gesamte, vorstehend
beschriebene Anordnung wird durch vier Zylinderschrauben 22 mit Muttern 24 zusammengehalten,
die über Scheiben 26 auf die Druckplat ten 18, 20 wirken.
Die Druckplatten 18, 20 übertragen den
durch die Zylinderschrauben 22 ausgeübten Druck
auf die Endrahmen 12, 16 und damit auf die Anordnung
von Zwischenrahmen 14 und Akkumulatorzellen 2.
Dabei wird der Druck im Wesentlichen von den seitlichen Abschnitten
der Halterahmen 12, 14, 16 auf die Stromableiter 8, 10 der jeweils
dazwischen liegenden Akkumulatorzelle 2 ausgeübt.
Dadurch werden die Zellen 2 jeweils zwischen zwei Halterahmen 12, 14 oder 14, 14 oder 14, 16 gehalten.
Der erste Endrahmen 12, die Zwischenrahmen 14 und
der zweite Endrahmen 16 (Halterahmen) sind Rahmenelemente
im Sinne der Erfindung. Die erste und die zweite Druckplatte 18, 20 weisen eine
den Endrahmen 12, 16 entsprechende Rahmenform
auf. Sie sind Andruckplatten im Sinne der Erfindung und bilden gemeinsam
mit den Zylinderschrauben 22 und Muttern 24 sowie
den Scheiben 26 eine Spanneinrichtung im Sinne der Erfindung.
Dabei sind die Zylinderschrauben 22 Zugstäbe im
Sinne der Erfindung.
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Die
Halterahmen 12, 14, 16 sind aus einem isolierenden
Material hergestellt. Sie bilden daher eine wirksame elektrische
Trennung zwischen den einzelnen Zellen 2. Die Druckplatten 18, 20 hingegen sind
aus einem Leitermaterial, insbesondere Stahl oder Aluminium oder
einer Legierung hiervon, hergestellt und dienen gleichzeitig als
Potentialsammler und Stromableiter des gesamten Zellblocks 1,
wie noch erläutert werden wird.
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Die
Zylinderschrauben 24 verlaufen durch Durchgangsbohrungen
(nicht näher bezeichnet) in den Druckplatten 18, 20,
Durchgangsbohrungen 28, 29 in den Halterahmen 12, 14, 16 und
Durchgangsbohrungen 30 in den Stromableitern 8, 10 der
Zellen 2 hindurch. Die Zylinderschrauben 24 weisen
einen geringeren Durchmesser als die Durchgangsbohrungen 28, 29, 30 auf.
Aufgrund des hierdurch verwirklichten ringförmigen Abstands
zwischen der Außenkontur der Zylinderschrauben 24 und
dem inneren Rand der Durchgangsbohrungen 30 wird eine elektrische
Isolierung Zylinderschrauben 24 und den Stromableitern 8, 10 verwirklicht,
sodass eine ungewollte Verbindung zwischen Stromableitern 8, 10 verschiedener
Zellen 2 vermieden wird. Gleiches gilt für eine
elektrische Isolati on gegenüber den Druckplatten 18, 20,
was noch genauer zu erläutern sein wird.
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In
den Halterahmen 12, 14, 16 sind auf einer Seite
Durchgangsbohrungen 28 eines vergleichsweise geringen Durchmessers
und auf der anderen Seite Durchgangsbohrungen 29 eines
größeren Durchmessers angeordnet. In den größeren
Durchgangsbohrungen 29 sind Kontakthülsen 32 aus
einem Leitermaterial angeordnet, während die Durchgangsbohrungen 28 auf
der anderen Seite frei bleiben. Die Kontakthülsen 32 sind
Kontaktverbindungselemente im Sinne der Verbindung und stellen eine
elektrische Verbindung zwischen den Stromableitern zweier benachbarter
Akkumulatorzellen auf der gleichen Seite des Zellblocks 1 her.
Als Leitermaterial haben sich Kupfer, Messing, Bronze oder dergleichen
bewährt, es sind jedoch auch andere Materialien denkbar
wie etwa Stahl, Aluminium, Neusilber o. a. Zur Verringerung des Übergangswiderstands
zwischen Kontakten hat sich eine Versilberung oder Vergoldung der Kontakte
bewährt. Dies gilt für alle Kontaktelemente im
Rahmen dieser Beschreibung.
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Wie
in 3, die in einer durch zwei der Zylinderschrauben 22 verlaufenden
Ebene geschnittene Draufsicht des Zellblocks 1 ist, deutlich
erkennbar ist, sind die Akkumulatorzellen 2 mit abwechselnder Polrichtung
in dem Stapel angeordnet. D. h., auf einer Seite des Zellblocks 1 sind
ein Stromableiter 8, der z. B. einen Minus-Pol einer Zelle 2 bildet,
und ein Stromableiter 10, der dann einen Plus-Pol einer
Zelle 2 bildet, jeweils abwechselnd angeordnet. (In 3 sind
die Stromableiter 8 im Schnitt nur als Umriss dargestellt,
während die Stromableiter 10 im Schnitt geschwärzt
dargestellt sind.) Des Weiteren sind Kontakthülsen 32 in
Halterahmen 12, 14, 16 auf einer Seite
angeordnet, während sie in dem benachbarten Halterahmen
auf der anderen Seite angeordnet sind. Auf diese Weise ist im Bereich
der Zwischenrahmen 14 immer der Plus-Pol einer Zelle 2 mit
dem Minus-Pol einer anderen Zelle 2 verbunden. Im Bereich der
Endrahmen 12, 16 ist der noch nicht mit einem Stromableiter
einer anderen Zelle 2 verbundene Stromableiter über
die Kontakthülsen 32 in dem Endrahmen 12, 16 mit
der jeweiligen Druckplatte 18, 20 verbunden. Die
Druckplatten 18, 20 sind aus einem Leitermaterial
wie Stahl oder Aluminium oder einer Legierung hiervon hergestellt
und dienen auf diese Weise als Stromableiter oder Pole des gesamten Zellblocks 1,
und zwar dient die erste Druckplatte 18 z. B. als Plus-Pol
des Zellblocks 1, während die zweite Druckplatte 20 als
Minus-Pol des Zellblocks 1 dient.
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4 zeigt
eine Einzelheit IV in 3 im Bereich einer Verschraubung
der zweiten Druckplatte 16 und verdeutlicht die Anordnung
und die elektrische Verbindung bzw. Isolierung der Bauteile mit- und
voneinander. Es sind die in 3 rechten
Enden der letzten und vorletzten Zelle 2n , 2n-1 zusammen mit dem letzten und vorletzten
Zwischenrahmen 14m , 14m-1 (m = n – 1), dem Endrahmen 20,
einer Zylinderschraube 22 mit Mutter 24 und Scheibe 26 in
diesem Ausschnitt dargestellt.
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Wie
in der Figur dargestellt, ist der Stromableiter 8 der letzten
Zelle 2n über die Kontakthülse 32 in
dem zweiten Endrahmen 16 mit der metallischen zweiten Druckplatte 20 elektrisch
verbunden. Auf der linken (in der Einzelheit der 4 nicht
dargestellten) Seite ist der Stromableiter 10 der letzten
Zelle 2n über die Kontakthülse 32 in
dem letzten Zwischenrahmen 14m mit
dem Stromableiter 8 der vorletzten Zelle 2n-1 verbunden,
wie es in 3 zu sehen ist. Wieder auf der
rechten Seite ist der Stromableiter 10 der vorletzten Zelle 2n-1 über die Kontakthülse 32 in
dem vorletzten Zwischenrahmen 14m-1 mit
dem Stromableiter (8) der davor angeordneten Zelle (2n-2 ) verbunden (in der Einzelheit der 4 ist
nur noch ein Abschnitt der Kontakthülse 32 am
unteren Rand dargestellt). Dies setzt sich wechselweise fort (vgl. 3),
bis die erste Zeile über die Kontakthülse 32 in
dem ersten Endrahmen 12 mit der ersten Druckplatte 18 verbunden
ist.
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Die
Durchgangsbohrungen 29 zur Aufnahme der Kontakthülsen 32 weisen
einen größeren Durchmesser als die Durchgangsbohrungen 28,
in denen keine Kontakthülsen aufgenommen sind. Der Innendurchmesser
der Kontakthülsen 32 entspricht in etwa dem Durchmesser
der Durchgangsbohrungen 28, in denen keine Kontakthülsen
aufgenommen sind, und diese sind größer als der
Außendurchmesser der Zylinderschraube 22. Auf
diese Weise besteht ein Luftspalt 56 zwischen der Zylinderschraube 22 und stromführenden
Teilen 32, 20 (, 18), der für
eine elektrische Isolierung der Zylinderschraube 22 sorgt.
Der Luftspalt 56 besteht auch zwischen der Zylinderschraube 22 und
den an sich nicht stromführenden Halterahmen 14, 16 (, 12),
sodass hier ein Spiel bei der Montage besteht, was das Zusammensetzen
der Teile vereinfacht. Die Scheibe 26 ist eine Isolierscheibe,
welche für eine elektrische Isolation zwischen der Mutter 24 und
der zweiten Druckplatte 20 (und auf der anderen Seite zwischen
der Zylinderschraube 22 und der ersten Druckplatte 18,
obschon in dieser Figur nicht näher dargestellt) sorgt.
Die elektrische Isolierung der Zylinderschraube von den Druckplatten 18, 20 verhindert
einen Kurzschluss zwischen den als Polen dienenden Druckplatten 18, 20.
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In
einer Abwandlung kann anstelle des Luftspalts 56 auch eine
Isolierung, etwa in Form eines Schrumpfschlauches, vorgesehen sein.
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Zurück
zur Ausführungsform und zu 1 und 2 sind
in den Stromableitern 8, 10 der Akkumulatorzellen 2 jeweils
zwei Passbohrungen 36 angeordnet, die mit Passbohrungen 34 in
den Halterahmen 12, 14, 16 fluchten.
Jeweils auf der Seite, auf der auch die Kontakthülsen 32 in
den Durchgangsbohrungen 29 in den Halterahmen 12, 14, 16 angeordnet sind,
sind in den Passbohrungen 24 in einem von gegenüberliegenden
Halterahmen 12, 14, 16 Zentrierstifte 38 eingesetzt.
Beim Zusammenbau erstrecken sich diese Zentrierstifte 38 durch
die Passbohrungen 36 in den Stromableitern 8, 10 einer
Zelle 2 und in die Passbohrungen 34 des gegenüberliegenden
Halterahmens 12, 14, 16 hinein. Auf diese
Weise werden Halterahmen 12, 14, 16 und
die dazwischen angeordneten Akkumulatorzellen 2 in radialen
Richtungen (als radiale Richtungen werden Richtungen senkrecht zu
der Stapelrichtung S verstanden) zueinander fixiert. Die Passbohrungen 34, 36 und
die Zentrierstifte 38 bilden eine Zentriereinrichtung im
Sinne der Erfindung. Die Zentrierstifte 38 bilden zusammen mit
den Passbohrungen 34, 36 eine Zentriereinrichtung
im Sinne der Erfindung.
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In
den Längsseiten der Zwischenrahmen 14 (oben und
unten in 1 und 2) sind
jeweils drei sich radial erstreckende Schlitze 40 angeordnet.
Die Schlitze 40 verbinden einen Innenraum des Zellblocks 1 mit
der umgebenden Atmosphäre. Des Weiteren weisen die Zwischenrahmen 14 jeweils
auf den in Stapelrichtung gesehen lateralen Seiten (die Seiten,
an denen die Stromableiter 8, 10 zwischen den Rahmenelementen
angeordnet sind, beidseits in Dickenrichtung Ausklinkungen 42 auf.
Die Endrahmen 12, 16 weisen nur einseitig in Dickenrichtung
derartige Ausklinkungen 42 auf, und zwar auf der Seite,
die einem Zwischenrahmen 14 zugewandt ist. Die Ausklinkungen 42 eines
Rahmenelements, die eine lokale Dickenreduktion mit sich bringen,
bilden mit den Ausklinkungen 42 eines gegenüberliegenden
Rahmenelements Öffnungen 44, welche den Innenraum des
Zellblocks 1 mit der umgebenden Atmosphäre verbinden.
Dabei sind die Öffnungen 44 durch die Stromableiter 8, 10 jeweils
geteilt. Durch die Schlitze 40 und die Öffnungen 44 hindurch
strömt Luft in den Innenraum des Zellblocks 1 hinein
und aus diesem heraus und kühlt (oder erwärmt)
die Akkumulatorzellen 2 durch Wärmetransport.
Wie in 3 am deutlichsten sichtbar,
ist die Dicke der Rahmenelemente 12, 14, 16 so
bemessen, dass zwischen den aktiven Teilen 4 der Zellen 2 ein
Abstand besteht. So ist zwischen benachbarten Zellen 2 jeweils
eine Luftkammer vorhanden, über welche die Zellen 2 Wärme
abgeben oder aufnehmen können. (Eine Erwärmung der
Zellen 2 ist beim Start, insbesondere bei kühler Witterung,
sinnvoll, um die Zellen 2 auf die optimale Betriebstemperatur
zu bringen.) Eine nicht näher dargestellte Strömungsregulierungseinrichtung
reguliert den Luftdurchsatz insgesamt und/oder für die
einzelnen Luftkammern. Abgesehen von der Möglichkeit der
Temperaturregelung bewirken die Öffnungen 40 und
Ausklinkungen 42 auch eine deutliche Gewichtsreduktion
der Rahmenelemente.
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Die
Endrahmen 12, 16 weisen Verstrebungen 46 auf,
die sich zwischen den längeren Seiten erstrecken und in
Dickenrichtung mit der den Druckplatten 18, 20 zugewandten
Flächen fluchten. Die Breite dieser Verstrebungen 46 definiert
einen Öffnungsquerschnitt für die der ersten und
letzten Zeile auf der Außenseite zugeführten Luft,
stabilisiert die Geometrie der Endrahmen 12, 16,
schirmt die erste und letzte Zelle 2 in der Stapelanordnung
nach außen ab. Wie in 5 gesehen,
bieten die Verstrebungen 46 außerdem eine Befestigungsmöglichkeit
für ein Steuergerät 62, das zur Regulierung
und Balancing der Zellen 2 innerhalb des Zellblocks 1 vorgesehen
ist.
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In 1, 2 und 5 ist
deutlich zu sehen, dass die Rahmenelemente 12, 14, 16 wie
auch die Druckplatten 18, 20 eine flache, prismatische Form
von im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt aufweisen. Da alle
diese Elemente den gleichen Querschnitt aufweisen, bildet auch der
gesamte, zusammengebaute Zellblock 1 eine prismatische,
im Wesentlichen quaderförmige Kontur aus. Der Querschnitt
weist an den Ecken Abschrägungen 48 auf, welche
die Handhabung erleichtern und unnötige Masse einsparen.
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Es
sind dort auch Laschen 52 dargestellt, die einstückig
mit den Endrahmen 18, 20 ausgebildet sind und
durch Wegbiegen von diesen in Stapelrichtung S abragen. Diese Laschen 52 dienen
als Polanschlüsse des Zellblocks 1. Die Laschen 52 weisen
jeweils eine Bohrung 54 auf, die eine Verbindungsschraube 58 aufnehmen
kann. Mittels der Verbindungsschraube 58 sind weitere Verbindungsmittel wie
etwa eine Verbindungslasche 60 befestigbar. Auf diese Weise
kann der Zellblock 1 mit einem Versorgungsnetz, etwa einem
Bordnetz eines Fahrzeugs, verbunden werden. Es kann auch zunächst
eine Verbindung mit geeignet ausgebildeten Aufnahmen in einem Gehäuse
hergestellt werden, das seinerseits Anschlusspole zur Verbindung
mit einem Versorgungsnetz bereithält. Diese Laschen 52 mit
Schrauben 58 oder ähnlichen Verbindungsmitteln
können auch zur Befestigung des Zellblocks 1 in
einem Batteriegehäuse verwendet werden. Es können
etwa im Batteriegehäuse befindliche Gewindehülsen
eingesetzt werden, welche die Verbindungsschrauben 58 aufnehmen.
Auf diese Weise kann auf eine extra Stromschiene verzichtet werden.
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6 zeigt
ein Ersatzschaltbild eine Anordnung von Akkumulatorzellen 2,
wie sie vorstehend beschrieben wurde. (Es wurde eine Abwandlung
mit nur neun Zellen 2 anstatt elf wie in 1, 3, 5 dargestellt.)
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Die
Figur zeigt neun mit wechselnden Polrichtungen angeordnete Zellen 2,
die seriell miteinander verbunden sind. Die Verbindung erfolgt gemäß der
Ausführungsform über jeweils zwei Kontakthülsen 32 (vgl. 1, 2),
die gemeinsam eine Kontaktverbindungseinrichtung im Sinne der Erfindung bilden.
Den Abschluss der Reihenschaltung bilden die Anschlusspole, die
gemäß der Ausführungsform durch die Druckplatten 18, 20 bzw.
deren Laschen 52 verkörpert werden.
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Die
Anzahl der Zellen 2 in einem Zellblock ist grundsätzlich
beliebig. Da die einzelnen Akkumulatorzellen 2 eine einheitliche
Zellspannung aufweisen, ist über die Anzahl der in Reihe
geschalteten Zellen 2 die Polspannung einstellbar. Abgesehen
von unvermeidlichen Verlusten entspricht die Polspannung Up der Summe der Zellenspannungen Ui, im vorliegenden Fall also 9 × Ui. Die Ladekapazität der Gesamtanordnung
entspricht jedoch nur der Ladekapazität der Einzelzelle.
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7 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist
konstruktiv mit der ersten Ausführungsform identisch. Der
Unterschied besteht lediglich in der Zusammenschaltung der Zellen 2 untereinander.
Und zwar sind hier jeweils drei aufeinanderfolgende Zellen 2 in
einer Parallelschaltung zusammengefasst, d. h., die neun Zellen 2 des Zellblocks
bilden drei Gruppen von je drei parallel geschalteten Zellen 2.
Zu diesem Zweck sind die jeweils drei Zellen einer Gruppe mit gleicher
Polrichtung in dem Stapel angeordnet, und die gleichen Pole der Zellen 2 dieser
Gruppe sind durch Kontakthülsen 32 untereinander
verbunden. Jede Gruppe ist wiederum mit unterschiedlicher Polrichtung
zu der nächsten Gruppe in dem Stapel angeordnet, und die
letzte Zelle der einen Gruppe ist mit der ersten Zelle der nächsten
Gruppe in Reihe geschaltet.
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Jede
Gruppe parallel geschalteter Zellen 2 weist die Spannung
einer Einzelzelle auf, aber mit dreifacher Ladekapazität.
Die Gesamtanordnung in Reihe geschal teter Gruppen weist mithin eine
Polspannung auf, die der dreifachen Zellenspannung entspricht, also
nur 3 × Ui oder ein Drittel der
Polspannung in der ersten Ausführungsform. Die Gesamtkapazität
ist jedoch dafür drei Mal so hoch wie bei der ersten Ausführungsform.
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Durch
Variieren und Kombinieren von Parallel- und Reihenschaltungen sind
so auf sehr einfache Weise nahezu beliebige Vielfache der Zellenspannung
und -kapazität realisierbar.
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Weitere
Variations- und Kombinationsmöglichkeiten ergeben sich
durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von ganzen Zellblöcken.
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In 8 und 9 ist
eine Reihenschaltung von vier Zellblöcken als dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei zeigt 8 eine
perspektivische Darstellung der Anordnung, und 9 zeigt
eine Seitenansicht der Anordnung, jeweils wiederum unter Weglassen
eines allfälligen Gehäuses. Die Anordnung ist
wiederum bestimmender Bestandteil einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung
im Sinne der Erfindung.
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Wie
in den Figuren dargestellt, sind vier Zellblöcke 1 so
hintereinander angeordnet, dass die zweite Druckplatte 20 eines
Zellblocks der ersten Druckplatte 18 eines nächsten
Zellblocks zugewandt ist. Die Zellblöcke 1 unterscheiden
sich von den Zellblöcke 1 der ersten Ausführungsform
insoweit, als von der Druckplatte 18 Laschen 52a abragen
und von der Druckplatte 20 Laschen 54b abragen,
wobei die Laschen 52a, 52b in unterschiedlichen
Höhen abragen. Der Höhenunterschied ist so bemessen,
dass bei stirnseitigem Zusammenschieben der Zellblöcke 1 die
Laschen 52b der zweiten Druckplatte 20 des einen
Zellblocks gerade unter die Laschen 52a der ersten Druckplatte 18 des
anderen Zellblocks passen. Die Zellblöcke 1 können
daher mittels jeweils nur zwei Verbindungsschrauben 58 verbunden
werden, die durch die jeweils fluchtenden Bohrungen 54 (nicht sichtbar)
der Laschen 52a, 52b gesteckt werden. Es ist daher
kein Verbindungsblech und zwischen hintereinander angeordneten Zellblöcken 1 erforderlich, und
der Abstand zwischen den Zellblöcken 1 kann minimal
gehalten werden. Zur weiteren Verbindung mit einem Versorgungsnetz
(nicht näher dargestellt) ist an nach außen weisenden
Laschen 52a, 52b des ersten und letzten Zellblocks 1, 1 jeweils
ein Verbindungsblech vorgesehen.
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Wie
in 9 gezeigt, trägt jeder Zellblock 1 ein
Steuergerät 62. Die Zellblöcke 1 sind
daher individuell und einzeln steuerbar, und Zellblöcke 1 können
ohne Weiteres ausgetauscht werden.
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Die
Polspannung der Anordnung beträgt das Vierfache der Polspannung
eines einzelnen Zellblocks 1.
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Eine
Reihenschaltung mehrerer Zellblöcke ist auch möglich,
indem Zellblöcke nebeneinander angeordnet werden.
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In 10 ist eine Reihenschaltung von zwei Zellblöcken
als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wiederum unter Weglassen eines allfälligen Gehäuses.
Die Anordnung ist wieder bestimmender Bestandteil einer elektrochemischen
Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung.
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Zwei
Zellblöcke 1 sind jeweils wie die Zellblöcke
einer der vorherigen Ausführungsformen aufgebaut. Sie sind
wechselsinnig in der Weise angeordnet, dass die erste Druckplatte 18 des
einen Zellblocks 1, der hier als dessen negativer Pol angenommen
wird, neben der zweiten Druckplatte 20 des anderen Zellblocks 1 als
dessen positivem Pol zu liegen kommt. Mittels eines Verbindungsblechs 60 ist
eine Verbindung zwischen den Laschen 52 einer ersten und
einer zweiten Druckplattes 18, 20 auf einer Stirnseite
der Zellblöcke 1 hergestellt. Auf der anderen Stirnseite
sind die Laschen 52 der jeweiligen Druckplatten 18, 20 über
Verbindungsbleche 60 mit einem Versorgungsnetz verbunden
und bilden so Minus- und Pluspol der Anordnung. Die Verbindungsbleche 60 sind
jeweils mit Hilfe von Verbindungsschrauben 58 (nicht näher
dargestellt) mit den jeweiligen Laschen 52 verbunden.
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Sollen
noch mehr Zellblöcke 1 in dieser Weise verbunden
werden, sind sie jeweils mit abwechselnder Polrichtung nebeneinander
anzuordnen und auf wechselnden Stirnseiten miteinander zu verbinden.
Die nicht untereinander verbundenen Stirnseiten des ersten und letzten
Zellblocks bilden jeweils die Pole der Anordnung.
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Auf ähnliche
Weise ist eine Parallelschaltung mehrerer Zellblöcke möglich,
um die Gesamtkapazität der Anordnung zu erhöhen.
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In 11 ist eine Parallelschaltung von zwei Zellblöcken
als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wiederum unter Weglassen eines allfälligen
Gehäuses. Die Anordnung ist wieder bestimmender Bestandteil
einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung.
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Zwei
Zellblöcke 1 sind jeweils wie die Zellblöcke
einer der vorherigen Ausführungsformen aufgebaut. Im Unterschied
zu der vierten Ausführungsform sind sie gleichsinnig in
der Weise angeordnet, dass jeweilige erste Druckplatten 18,
die hier als positive Pole der Zellblöcke 1 angenommen
werden, und jeweilige zweite Druckplatten 20 als negative
Pole der Zellblöcke 1 nebeneinander zu liegen
kommt. Mittels Verbindungsblechen 60 ist jeweils eine Verbindung zwischen
den Laschen 52 nebeneinander liegender erster Druckplatten 18 und
zwischen den Laschen 52 nebeneinander liegender zweiter
Druckplatten 20 der Zellblöcke 1 hergestellt.
Die freien Laschen 52 der Druckplatten 18, 20 eines
der Zellblöcke sind über Verbindungsbleche 60 mit
einem Versorgungsnetz verbunden und bilden so Minus- und Pluspol
der Anordnung. Die Verbindungsbleche 60 sind jeweils mit Hilfe
von Verbindungsschrauben 58 (nicht näher dargestellt)
mit den jeweiligen Laschen 52 verbunden.
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Sollen
noch mehr Zellblöcke 1 in dieser Weise verbunden
werden, ist die gezeigte Anordnung einfach durch Hinzunahme weiterer
Blöcke zu erweitern.
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Die
Anordnungen der dritten, vierten und fünften Ausführungsform
können kombiniert werden, um beliebige Spannungs- und Kapazitätswerte
zu verwirklichen. Auch der Gedanke der zweiten Ausführungsform
kann einbezogen werden.
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Eine
sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in 12 dargestellt. Dabei sind Zellblöcke 1a, 1a und
ein Zellblock 1b nebeneinander angeordnet und in der Art
der vierten Ausführungsform in Reihe miteinander verschaltet.
Die Besonderheit der sechsten Ausführungsform besteht darin,
dass der Zellblock 1b kürzer ist, also eine geringere
Anzahl von Akkumulatorzellen 2 (nicht näher dargestellt)
aufweist als die Zellblöcke 1a. Auf diese Weise
kann nicht nur die Polspannung der Anordnung besonders fein eingestellt
werden, sondern es ist möglich, die äußere
Geometrie der Anordnung an den zur Verfügung stehenden
Einbauraum anzupassen. Die in 12 gezeigte
Anordnung gemäß dieser Ausführungsform
bildet, gegebenenfalls zusammen mit einem Gehäuse und weiteren
Einbauteilen, eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung im
Sinne der Erfindung.
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Auch
hier ist eine Erweiterung und Anpassung möglich, indem
der Gedanke der zweiten, dritten, vierten und/oder fünften
Ausführungsform zusätzlich angewendet wird.
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Die
nächsten Ausführungsformen sind Weiterbildungen
an einzelnen Gesichtspunkten der ersten und zweiten Ausführungsform.
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13 zeigt eine Einzelheit eines Zellblocks einer
siebenten Ausführungsform. Die Lage im Zellblock wird durch
eine Linie XIII in 3 angedeutet, allerdings unterscheiden
sich die in 13 gezeigten Elemente teilweise
von denen in 3.
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In 13 ist ein Verschraubungsbereich der Zylinderschraube 22 mit
der zweiten Druckplatte 20 mit der Mutter 24,
Abschnitten letzten drei Akkumulatorzellen 2n , 2n-1 , 2n-2 und
der letzten drei Zwischenrahmen 14m , 14m-1 , 14m-2 ,
sowie einigen Kontakthülsen 32 in diesem Ausschnitt
dargestellt.
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Im
Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die Mutter nicht über
eine Scheibe 24, sondern über eine Isolierbuchse 64 an
der Druckplatte 20 angezogen. Die Isolierbuchse 64 weist
einen Kragen mit ausreichenden Außendurchmesser, um der
Mutter eine geeignete Auflagefläche zur Verfügung
zu stellen, auf und erstreckt sich, die Zylinderschraube 22 aufnehmend,
durch eine nicht näher bezeichnete Durchgangsbohrung in
der Druckplatte 20 hindurch und ein wenig in die Durchgangsbohrung 28 in
dem Endrahmen 16 hinein. Wo auf der gegenüberliegenden
Seite eine Kontakthülse 32 einen Kontakt zwischen
einer Akkumulatorzelle 2 und dem Endrahmen 20 (, 18)
herstellt, erstreckt sich die Isolierbuchse 64 ein wenig
in den Luftspalt 56 zwischen der Zylinderschraube 22 und
der Kontakthülse 32 hinein.
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Auf
diese Weise wird sowohl eine sichere elektrische Trennung der Zylinderschrauben 22 von den
Druckplatten 18, 20 als auch eine Zentrierung der
Druckplatten 18, 20 in radialer Richtung erreicht.
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Mit
Bezug auf 14 bis 17 wird
nun ein Zellblock einer achten Ausführungsform beschrieben,
der bestimmender Bestandteil einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung
im Sinne der Erfindung ist. Dabei zeigen 14 einen
zusammengebauten Zustand in perspektivischer Ansicht, 15 desgleichen ohne Druckplatten und Verspannung, 16 einen Endrahmen in dieser Ausführungsform
in der stirnseitiger Ansicht und 17 einen
Zwischenrahmen in dieser Ausführungsform in perspektivischer
Ansicht.
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In 14 ist ein fertig montierter Zellblock 1c der
vorliegenden Ausführungsform in perspektivischer Ansicht
so gezeigt, dass die Stirnseite einer zweiten Druckplatte 20 und
die Oberseite der Gesamtkontur prominent sichtbar ist. Im Unterschied
zu der ersten Ausführungsform weist die prismatische Kontur
keine Abschrägung der Kanten auf. Statt dessen erstreckt
sich an der Oberseite des Zellblocks 1c ein Signalkabel 66 in
einem nach oben offenen Kanal 68, der über die
gesamte Länge des Zellblocks mit Ausnahme der Druckplatten 20, 18 verläuft.
Ein solcher Kanal 68 ist in zwei Kanten der prismatischen Struktur
vorhanden. Von der Stirnseite her sind die Kanäle 68 durch
je eine Zugangsöffnung 70 zugänglich,
die in der zweiten Druckplatte 20 eingearbeitet sind.
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Das
Signalkabel 66 dient dem Anschluss des Steuergeräts 62,
das in dieser Ausführungsform an der zweiten Druckplatte 20 verschraubt
ist. In gleicher Weise ist ein zweites Steuergerät 72,
von welchem aus ein weiteres Signalkabel (nicht näher dargestellt)
in dem anderen der Kanäle 68 geführt
ist, an der zweiten Druckplatte 20 verschraubt. Das zweite Steuergerät
dient vorzugsweise der Regulierung des Wärmehaushalts und
ist z. B. mit Thermoelementen verbunden, die etwa an den Akkumulatorzellen 2 oder
an sonst geeigneter Stelle im Innenraum des Zellblocks 1c angebracht
sind.
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15 zeigt den in 14 gezeigten
Zellblock 1c noch einmal ohne die Druckplatten 20, 18, sodass
die Stirnseite des zweiten Endrahmens 16 mit den Verstrebungen 46 sichtbar
ist. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform dienen die
Streben 46 hier nicht der Befestigung der Steuergeräte.
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16 zeigt den zweiten Endrahmen 16 in stirnseitiger
Aufsicht. Der zweite Endrahmen 16 dieser Ausführungsform
unterscheidet sich von dem zweiten Endrahmen 16 der ersten
Ausführungsform darin, das an der Oberseite links und rechts
je eine Einkerbung 74 von U-förmigem Querschnitt
eingearbeitet ist, während die Ecken nur eine Fase 84 anstelle
einer deutlicheren Abschrägung aufweisen. Am Grund der
Einkerbungen 74 sind Anschlusselemente 76, 78 in
dem rechten bzw. linken Kanal 74 zu erkennen. Hierüber
sind Einzelleitungen des Signalkabels 66 anzuschließen.
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17 zeigt einen Zwischenrahmen 14 nach
dieser Ausführungsform in perspektivischer Ansicht. Auch
der Zwischenrahmen 14 trägt an der Oberseite an
entsprechender Stelle Einkerbungen 74. Alle Einkerbungen 74 auf
einer Seite aller Zwischenrahmen 14 und der Endrahmen 12a, 16 bilden einen
Kanal 68. Der Zwischenrahmen 14 dieser Ausführungsform
unterscheidet sich des Weiteren von dem Zwischenrahmen 14 der
ersten Ausführungsform durch einen Freigang 80,
die unmittelbar unterhalb einer der Einkerbungen 74 ausgebildet
ist. Der Freigang 80 ist vorgesehen, um einen Niet oder
dergleichen zur Befestigung eines LV-Kontakts aufzunehmen, und ist
in der gezeigten Ausführungsform ein kreisförmiges
Sackloch, weist also insbesondere eine geringere Tiefe als die Dicke
des Zwischenrahmens 14 auf. Der Freigang 80 kann,
obschon nicht näher dargestellt, eine Verbindung zu der
Einkerbung 74 aufweisen. Eine solche Verbindung kann die
Breite des Durchmessers des Freigangs 80 oder eine geringere
Breite aufweisen.
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In
einer Abwandlung kann der Freigang 80 auch als Durchgangsbohrung
ausgebildet sein. So bilden alle Freigänge einen Innenkanal
unterhalb des von außen zugänglichen Kanals 68,
in welchem eine innenliegende Steuerleitung oder Steuerelemente untergebracht
sein kann/können.
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Ein
weiterer Unterschied zur ersten Ausführungsform betrifft
die Lage der Passbohrungen und Zentrierstifte.
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Zum
einen weisen die Paare von Passbohrungen auf unterschiedlichen lateralen
Seiten des Zwischenrahmens 14 unterschiedliche Abstände voneinander
auf. D. h., das erste Paar von Passbohrungen 34a, das sich
der einen der lateralen Seiten des Zwischenrahmens 14 befindet,
weist einen Abstand x1 voneinander auf,
der größer ist als ein Abstand x2 des
zweiten Paares von Passbohrungen 34b, das sich auf der
gegenüberliegenden lateralen Seite befindet. In entsprechender
Weise weisen auch die Passbohrungen in den Stromableitern der Akkumulatorzellen 2 unterschiedliche
Abstände auf (nicht näher dargestellt). Um auf
diese Weise die Einbaulage der Akkumulatorzellen 2 zu kodieren,
d. h., eine Verpolungsschutzeinrichtung im Sinne der Erfindung zu
verwirklichen, sind z. B. die Passbohrungen auf dem positiven Stromableiter
einer Akkumulatorzelle 2 stets mit dem größeren
Abstand x1 angeordnet, während
sie auf dem negativen Stromableiter einer Akkumulatorzelle 2 stets
mit dem kleineren Abstand x2 angeordnet
sind.
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Zur
Kodierung der Schaltung sind mehrere Arten von Zwischenrahmen 14 vorzusehen.
Hierzu sind zur Orientierung in 17 die
sichtbare Stirnseite des Zwischenrahmens 14 als Vorderseite
V und die nicht sichtbare Stirnseite als Rückseite bzw.
hintere Seite H gekennzeichnet, und sind die lateralen Seiten mit
links (L) und rechts (R) gekennzeichnet.
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Bei
einer ersten Art von Zwischenrahmen 14 sind die Passbohrungen 34a, 34b in
dem Zwischenrahmen 14 als Sackbohrungen und kreuzweise
unterschiedlich ausgebildet. D. h., es sind etwa auf der linken
Vorderseite V:L und der rechten Rückseite H:R Passbohrungen 34a mit
dem größeren Abstand x1 als Sacklöcher
ausgebildet, während auf der linken Rückseite
H:L und der rechten Vorderseite V:R Passbohrungen 34b mit
dem kleineren Abstand x2 als Sacklöcher
ausgebildet sind. Auf der rechten lateralen Seite R sind dabei die
Durchgangsbohrungen 28 des kleineren Durchmessers ausgebildet,
und auf der linken lateralen Seite L sind die Durchgangsbohrungen 29 des
größeren Durchmessers zur Aufnahme der Kontakthülsen 32 ausgebildet.
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Bei
einer zweiten Art von Zwischenrahmen (14', in der Figur
nicht dargestellt) sind die Passbohrungen 34a, 34b in
dem Zwischenrahmen 14 ebenfalls als Sacklöcher
kreuzweise unterschiedlich, aber anders herum als bei der ersten
Art ausgebildet. D. h., es sind auf der rechten Vorderseite V:R
und der linken Rückseite H:L Passbohrungen 34a mit
dem größeren Abstand x1 als
Sacklöcher ausgebildet, während auf der rechten
Rückseite H:R und der linken Vorderseite V:L Passbohrungen 34b mit
dem kleineren Abstand x2 als Sacklöcher
ausgebildet sind. Die Lage der Durchgangsbohrungen 28, 29 und Kontakthülsen 32 ist
ebenfalls umgekehrt zu derjenigen bei der ersten Art 14.
D. h., Auf der linken Seite L sind die Durchgangsbohrungen 28 des
kleineren Durchmessers ausgebildet, und auf der rechten Seite R
sind die Durchgangsbohrungen 29 des größeren Durchmessers
zur Aufnahme der Kontakthülsen 32 ausgebildet.
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Durch
abwechselndes Anordnen der Zwischenrahmen der ersten und der zweiten
Art wird eine Reihenschaltung zweier Zellen 2 kodiert.
Auf zwei einander zugewandten Seiten der Zwischenrahmen liegen immer
Passbohrungen gleichen Abstands einander gegenüber, aber
es können auf Vorder- und Rückseite eines Zwischenrahmens
zwei aufeinanderfolgende Zellen 2 nur mit entgegengesetzter
Pollage angeordnet werden, da die auf Vorder- und Rückseite
angeordneten Passbohrungen auf jeder lateralen Seite unterschiedlichen
Abstand aufweise, d. h., unterschiedliche Pol-Lagen kodieren. Ferner
sind die Seiten mit Kontakthülsen in aufeinanderfolgenden
Zwischenrahmen immer abwechselnd links und rechts angeordnet. Auf
diese Weise wird sichergestellt, dass auf einer lateralen Seite
L, R eines Zwischenrahmens immer ein Stromableiter einer ersten
Polarität auf der Vorderseite V mit einem Stromableiter
der zweiten Polarität auf der Rückseite H verbunden
wird, während auf der anderen lateralen Seite R, L keine
Verbindung der Stromableiter auf der Vorder- und Rückseite
erfolgt. Dies entspricht der Reihenschaltung in 6.
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Bei
einer dritten Art von Zwischenrahmen (14'', in der Figur
nicht dargestellt) sind alle Passbohrungen 34a, 34b durchgehend
ausgebildet, wobei etwa auf der linken Seite L die Passbohrungen 34a mit
dem größeren Abstand x1 durchgehend
ausgebildet sind, während auf der rechten Seite R die Passbohrungen 34b mit
dem kleineren Abstand x2 durchgehend ausgebildet
sind. Ferner sind auf beiden lateralen Seiten L, R die größeren
Durchgangsbohrungen 29 mit den Kontakthülsen 32 angeordnet
(in der Figur nicht dargestellt). Hierdurch wird eine Parallelschaltung
zweier Zellen 2 kodiert, denn es können zwei aufeinanderfolgende
Zellen 2 nur mit gleicher Pollage angeordnet werden. D.
h., es werden immer ein Stromableiter einer ersten Polarität
auf der Rückseite H eines Zwischenrahmens 14' und
ein Stromableiter der gleichen Polarität auf der Vorderseite
V des nächsten Zwischenrahmens 14' angeordnet.
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Die
dritte Art von Zwischenrahmen kommt etwa bei einer Anordnung nach
der zweiten Ausführungsform gemäß 7 zwischen
den parallel geschalteten Ak kumulatorzellen 2i mit 2ii , 2ii mit 2iii , 2iv mit 2v etc. zum Einsatz. Bei Übergang
in eine Reihenschaltung zweier Gruppen parallel geschalteter Zellen,
etwa 2iii mit 2iv und 2vi mit 2vii in 7,
kommt ein Zwischenrahmen der ersten oder der zweiten Art zum Einsatz.
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In
den Endrahmen 12a, 16 sind nur auf der einem Zwischenrahmen
zugewandten Seite Passbohrungen 34a, 34b als Sacklöcher
ausgebildet. Ihre Lage ergibt sich aus der gewünschten
Polrichtung der ersten bzw. letzten Akkumulatorzelle 2.
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Zum
anderen sind die Passbohrungen 34a, 34b im Bereich
der Ausklinkungen 42, also in den Flächen reduzierter
Materialstärke ausgebildet, während die Durchgangsbohrungen 28, 29 in
Flächen voller Materialstärke ausgebildet sind,
welche Druckflächen 86 zum Übertragen
des Spanndrucks der Zylinderschrauben 22 auf die Randbereiche 6,
insbesondere die Stromableiter 8, 10 der Akkumulatorzellen 2 bilden.
Dies erlaubt bei der Montage ein geringfügiges Spiel und
im Betrieb ein geringfügiges ”Gehen” der
Elemente relativ zueinander, da die Zentrierstifte 38 über
einen kleinen Weg durch freien Raum verlaufen.
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In
einer Abwandlung der achten Ausführungsform sind auch bei
der dritten Art von Zwischenrahmen die Passbohrungen 34a, 34b als
Sacklöcher ausgebildet, wobei die Bohrungstiefe geringer
als die Hälfte der Materialstärke ist. Dies vereinfacht
die Montage, da die Zentrierstifte 38 beim Einstecken einen
Anschlag vorfinden.
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In
einer weiteren Abwandlung der achten Ausführungsform sind
die Passbohrungen 34a, 34b wie die Durchgangsbohrungen 28, 29 in
den Druckflächen 86 ausgebildet. Hierdurch kann
die Zentrierung präziser verwirklicht werden, erfordert
aber auch eine höhere Fertigungsgenauigkeit. Man könnte
auch sagen, dass bei dieser Abwandlung die Zentrierstifte 38 gleichzeitig
dem Verpolschutz dienen.
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In
einer weiteren Abwandlung der achten Ausführungsform sind
die unteren Ecken der Rahmenelemente 12a, 14, 16, 18, 20 etwa
aus Gewichtsgründen mit einer deutlicheren Abschrägung
(wie die Abschrägungen 48 der ersten Ausführungsform)
anstelle der Fasen 84 versehen.
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In 18 und 19 sind
ein Zellblock und mehrere in Reihe verbundener dieser Zellblöcke
als neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Dabei zeigt 18 eine
perspektivische Darstellung eines einzelnen Zellblocks gemäß dieser
Ausführungsform, und 19 zeigt
eine Seitenansicht der Anordnung von vier in Reihe geschalteten
Zellblöcken gemäß dieser Ausführungsform,
jeweils wiederum unter Weglassen eines allfälligen Gehäuses.
Die Anordnung wie auch der einzelne Zellblock ist wiederum bestimmender
Bestandteil einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung im Sinne
der Erfindung.
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Der
in 18 gezeigte Zellblock 1d weist wie bei
der achten Ausführungsform zwei Kanäle 68 an
der Oberseite auf. In seinem Aufbau unterscheidet er sich durch
eine veränderte Art der Anschlusspole. Und weisen bei dieser
Ausführungsform die Druckplatten 18, 20 Laschen 52c auf,
die in gleicher Ebene seitlich über die prismatische Kontur
des Zellblocks 1d hinausragen. Es ist bei dieser Art der
Ausbildung von Verbindungslaschen keine Biegung erforderlich. Vielmehr
beschränkt sich die Herstellung der Druckplatten im Wesentlichen
auf einen Stanzvorgang.
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Die
Verbindung mehrerer Zellblocks 1d dieser Ausführungsform
in Reihe ist in 19 dargestellt. Dort sind vier
Zellblocks 1d in Stapelrichtung hintereinander angeordnet.
Die erste Druckplatte 18 eines Zellblocks 1d ist
mit der zweiten Druckplatte 20 des nächsten Zellblocks 1d über
Verbindungsschrauben 58 und eine Verbindungsmutter 88 verschraubt, wobei
zur Aufrechterhaltung eines erforderlichen Mindestabstands eine
Distanzhülse 90 zwischen der erste Druckplatte 18 des
einen Zellblocks 1d und der zweiten Druckplatte 20 des
nächsten Zellblocks 1d angeordnet ist.
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Die
Druckplatten 18, 20 weisen ferner Einsenkungen 82 zur
Aufnahme der Köpfe der Zylinderschrauben 22 bzw.
der Scheiben 26 auf. Hierdurch kann der erforderliche Abstand
zwischen den Zellblöcken 1d verringert werden.
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In 20 und 21 ist
eine Akkumulatorzelle gemäß einer zehnten Ausführungsform
gezeigt. Dabei ist 20 eine perspektivische Ansicht der
Akkumulatorzelle, und 21 ist eine Draufsicht, d.
h., eine Ansicht auf die obere Schmalseite der Akkumulatorzelle
dieser Ausführungsform.
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Die
Akkumulatorzelle 2 weist gemäß der Darstellung
in 20 wie in den Ausführungsformen zuvor
einen aktiven Teil 4, einen diesen umgebenden Randbereich 6,
und zwei seitlich abragende Stromableiter 8, 10 auf.
Der durch zwei aufeinandergelegte und miteinander verschweißte
Hüllfolien (nicht näher bezeichnet) gebildete
Randbereich 6 ist im oberen und unteren Teil zu einem Falz 50 gefaltet.
Dort, wo die Stromableiter 8, 10 zwischen den
beiden Hüllfolien verläuft, weist der Randbereich 6 jeweils
eine Verdickung 92 auf.
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Bei
dieser Ausführungsform ist der Falz 50 so ausgeführt,
dass seine Dicke t gleich der Dicke der Stromableiter 8, 10 ist.
D. h., die Dicke t des Falzes 50 ist etwas geringer als
die Dicke der Verdickungen 92.
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Auf
diese Weise üben die Stirnflächen der Rahmenelemente 12, 14, 16 einen
gleichmäßigen Druck auf die Stromableiter 8, 10 und
die Falze 50 aus und halten die Akkumulatorzelle 2 besonders
sicher. Die Übergänge und Verbindungen zwischen Stromableitern 8, 10 und
den Hüllfolien im Randbereich 6 wie auch die Verbindungen
zwischen den Stromableitern 8, 10 und den stromführenden
Folien im Inneren des aktiven Teils 4 werden geringeren
mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Ferner
sind auf einer Stirnseite der Zeile 2 dieser Ausführungsform
im Bereich des aktiven Teils 4 zwei elastische Kissen 94 angebracht.
Die Kissen 94 sind aus einem elastischen Material wie etwa Schaumstoff,
Moosgummi oder der gleichen hergestellt und direkt auf der Außenhülle
des aktiven Bereichs 4 befestigt, z. B. aufgeklebt oder
aufgespritzt. Dies vereinfacht die Montage und verhindert ein Verrutschen
oder Abfallen der Kissen 94 bei der Handhabung oder im
Betrieb. Ihre Dicke ist etwas größer als der Abstand
zwischen zwei Zellen 2 in einem Zellblock 1, sodass
eine zuverlässige und schonende elastische Abstützung
in axialer, d. h., Stapelrichtung der Zellen 2 gegeben
ist. Auf diese Weise werden Schwingungen der Zellen 2 wirksam
abgefedert. Aus Stabilitätsgründen sind die Kissen 94 in
Stapelrichtung mit den Verstrebungen 46 in Flucht angeordnet.
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Die
Kissen 94 sind Federelemente im Sinne der Erfindung. Durch
die Verwendung mehrerer Elastomerwerkstoffe und der Flächen
das Federverhalten kann das Federverhalten angepasst werden.
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In 22 bis 25 sind
Elemente eines Zellblocks in einer elften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist 22 eine perspektivische Darstellung zweier Akkumulatorzellen
in ihrer Anordnung in dem Zellblock mit Kontaktleisten gemäß dieser
Ausführungsform, ist 23 eine
Draufsicht, d. h., eine Ansicht von oben auf die langen Schmalseiten
der Akkumulatorzellen, ist 24 eine
perspektivische Darstellung einer Kontaktleiste dieser Ausführungsform,
und ist 25 eine stirnseitige Ansicht
eines Zwischenrahmens dieser Ausführungsform.
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22 zeigt zwei aufeinanderfolgende Akkumulatorzellen 2i und 2i+1 ,
die stellvertretend für eine Vielzahl von Zellen 2 stehen,
in ihrer Anordnung in dem Zellblock gemäß dieser
Ausführungsform in perspektivischer Darstellung. In 23 ist diese Anordnung in einer Draufsicht (Pfeil
XXIII in 22) dargestellt.
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Auf
den flachen Seiten der aktiven Teile 4 der Zellen 2 sind
elastische Kissen 95 angebracht. Dies sind kleiner als
die elastischen Kissen 94 der zehnten Ausführungsform.
Insbesondere weisen sie eine geringere Länge auf, und es
sind zwei Kissen 95 übereinander in Richtung der
Höhe der Zellen 2 angeordnet. Die An ordnung der
Kissen 95 unterscheidet sich weiter von derjenigen der
Kissen 94 der zehnten Ausführungsform darin, dass
je zwei Kissen 95 sowohl auf der Vorder- als auch auf der
Rückseite der Zellen 2 angeordnet sind, aber nur
auf der lateralen Hälfte des Stromableiters 8,
während auf der Hälfte des Stromableiters 10 keine
Kissen angeordnet sind. Die Funktion der Kissen 95 entspricht
derjenigen der Kissen 94 der zehnten Ausführungsform.
Zusätzlich wird in dieser Ausführungsform die
Polrichtung der Zellen 2 kodiert, sodass etwa die Kissen 95 nur
auf der Seite des Plus-Pols angeordnet sind. Auf diese Weise wird durch
abwechselndes Einbauen derart, dass die Kissen 95 einmal
auf der rechten Seite und das nächste Mal auf der linken
Seite liegen, die Zellen 2 immer so angeordnet sein, dass
die Pole für eine Reihenschaltung richtig orientiert sind.
Die Kissen 95 sind daher in dieser Ausführungsform
auch eine Verpolungsschutzeinrichtung im Sinne der Erfindung.
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Die
Kontaktierung der Stromableiter 8, 10 erfolgt
in dieser Ausführungsform nicht durch Hülsen, sondern
durch riegelförmige Kontaktleisten 96. Diese weisen
die Grundform eines Quaders auf, wobei von zwei gegenüberliegende
Langseiten Erhebungen abragen, welche Kontakt- und Druckflächen 100 zur Kontaktierung
mit den Stromableitern 8, 10 bilden. Zwischen
den Druckflächen 100 liegen dementsprechende Vertiefungen
oder Ausklinkungen 102. Die Druckflächen 100 gegenüberliegender
Erhebungen werden durch Durchgangsbohrungen 98 verbunden. Durch
diese Durchgangsbohrungen 98, die mit entsprechenden Durchgangsbohrungen 30 in
den Stromableitern 8, 10 fluchten, verlaufen die
Zylinderschrauben (22, hier nicht näher dargestellt)
zum Verspannen des Zellblocks.
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Die
Kontaktleisten 96 sind aus einem leitfähigen Material
wie etwa Kupfer, Messing, Bronze oder dergleichen hergestellt und
sind Kontaktverbindungselemente im Sinne der Erfindung. Gegenüber den
Kontakthülsen 32 anderer Ausführungsformen dienen
die Druckflächen 100 der Kontaktleisten 96 vollständig
als Kontaktflächen. Daher ist der Übergangswiderstand
zwischen verbundenen Stromableitern 8, 10 bei
dieser Ausführungsform geringer.
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Die
Vertiefungen 102 bilden wie bei der ersten Ausführungsform
seitliche Öffnungen, durch welche Luft zur Temperierung
der Zellen 2 im Inneren des Zellblocks strömen
kann.
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Von
einer Langseite der Kontaktleisten 96, die senkrecht zu
den Druckflächen 100 steht, ragen mehrere längs
verlaufende Rippen 104 ab. Die Rippen 104 weisen
in Richtung des Inneren des Zellblocks und dienen als Kühlflächen,
die von dem durch die Öffnungen 102 strömenden
Kühlfluid umströmt werden. Die Rippen 104 sind
auf geeignete Art so ausgebildet, dass ein möglichst guter
Wärmeübergang erzeugt wird. Hier sind die gängigen
Methoden der Wärmetechnik anwendbar. Beispielsweise sind die
Rippen 104 besonders wirksam, wenn sie in Strömungsrichtung
(bei erzwungener Konvektion) bzw. in Richtung der Schwerkraft (bei
natürlicher Konvektion) angeordnet sind. Ferner sind die
Strömungswege so ausgelegt, dass eine möglichst
turbulente Strömung entsteht. Auf diese Weise dienen die
Kontaktleisten 96 insgesamt Kühlkörper,
mit Hilfe derer in den aktiven Teilen 4 der Zellen 2 erzeugte
Wärme über die Stromableiter 8, 10 abgeleitet
werden kann.
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In 25 ist ein Zwischenrahmen 14 in dieser
Ausführungsform in einer stirnseitigen Ansicht dargestellt.
Auf der rechten Seite sind Durchgangsbohrungen 28 zur Aufnahme
der Zylinderschrauben (22, nicht näher dargestellt)
vorgesehen. Ebenso sind zwischen Druckflächen 86 Ausklinkungen 42 vorgesehen,
die Öffnungen zum Ein- und/oder Ausströmen des
Kühlfluids bilden. In den Flächen der Ausklinkungen 42 sind
Zentrierstifte 38 in entsprechenden Passbohrungen 34 angeordnet.
Auf der linken Seite ist eine Bucht 106 derart ausgebildet,
dass nur noch ein schmaler Steg 108 die Ober- und Unterseite
des Zwischenrahmens zusammenhält. Die Bucht 106 ist
so bemessen, dass eine Kontaktleiste (96) genau zwischen
zwei Passflächen 110 eingesetzt werden kann. Zur
Innenseite des Zwischenrahmens 14 hin sind die Passflächen 110 in
der Art eines Freischnitts 112 erweitert. Im Bereich des
Freischnitts 112 kommen bei eingebauter Kontaktleiste (96)
deren Rippen (104) zu liegen, sodass umströmendes
Kühlfluid dort auch nach oben und unten abströmen
kann. Der Steg 108 weist in bereits beschriebener Art Ausklinkungen 42 derart
auf, dass sich mit den Ausklinkungen (102) der Kontaktleiste
(96) fluchtende Öffnungen bilden.
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Man
beachte, dass bei dieser Ausführungsform drei Zylinderschrauben
(22) je lateraler Seite vorgesehen sind. D. h., in den
Kontaktleisten 96 sind jeweils drei Durchgangsbohrungen 98 in
entsprechenden Erhebungen vorgesehen, in den Rahmenelementen 12, 14, 16 sind
jeweils drei Durchgangsbohrungen 28 auf derjenigen der
lateralen Seiten vorgesehen, die der Bucht 106 zur Aufnahme
einer Kontaktleiste 96 gegenüberliegt, bei den
Akkumulatorzellen 2 sind in jedem Stromableiter 8, 10 jeweils
drei Durchgangsbohrungen 30 vorgesehen, und auch die Druckplatten 18, 20 weisen
auf jeder lateralen Seite drei Durchgangsbohrungen auf.
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Man
beachte auch, dass bei dieser Ausführungsform alle Durchgangsbohrungen 30, 28, 98 den gleichen
Durchmesser aufweisen und größere Durchgangsbohrungen
(29 in der ersten Ausführungsform) zur Aufnahme
von Kontakthülsen nicht erforderlich sind, da die Kontaktleisten 96 bereits
den Kontakt zwischen benachbarten Stromableitern 8, 10 herstellen.
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Auch
bei dieser Ausführungsform ist die Abwandlung denkbar,
dass die Passbohrungen 34 und Zentrierstifte 38 im
Bereich der Druckflächen 86 anstatt der Ausklinkungen 42 angeordnet
sind.
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In 26 bis 31 sind
Elemente eines Zellblocks in einer zwölften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist 26 eine perspektivische Darstellung einer Akkumulatorzelle
in ihrer Anordnung in dem Zellblock mit Kontaktierungsriegeln gemäß dieser
Ausführungsform, ist 27 eine
Explosionsansicht der Anordnung nach 26,
wobei zusätzlich ein Isolationsriegel dargestellt ist,
ist 28 eine Querschnittsansicht
eines Halbriegels zur Kontaktierung eines positiven Stromableiters,
ist 29 eine Querschnittsansicht eines
Halbriegels zur Kontaktierung eines negativen Stromableiters, ist 30 eine Querschnittsansicht des Isolationsriegels
aus 27, und ist 31 eine stirnseitige Ansicht eines Zwischenrahmens
dieser Ausführungsform.
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26 zeigt in perspektivischer Ansicht einer Akkumulatorzelle 2 dieser
Ausführungsform mit zwei Kontaktierungsriegeln 114, 122,
die auf der gleichen axialen Seite der Stromableiter 8, 10 der
Zelle 2 angeordnet sind. Die Kontaktierungsriegel 114, 122 dienen
der Kontaktierung von Stromableitern 8, 10 von
benachbarten Zellen 2. D. h., die gezeigte Anordnung verwirklicht
eine Parallelschaltung mit einer nächsten Zelle 2 (nicht
näher dargestellt), die in gleicher Polrichtung wie die
dargestellte Zelle 2 im Zellblock angeordnet ist, wie etwa
die Zellen 2iv und 2v in 7. Dabei
kontaktiert der Kontaktierungsriegel 114 die Stromableiter 8 (auf
der rechten Seite in der Zeichnung) der benachbarten Zellen miteinander, und
der Kontaktierungsriegel 122 kontaktiert die Stromableiter 10 (auf
der linken Seite in der Zeichnung) der benachbarten Zellen miteinander.
Es sei der Stromableiter 8 als positiv (Plus) angenommen, und
der Stromableiter 10 sei als negativ (Minus) angenommen.
Daher ist der Kontaktierungsriegel 114 ein Kontaktierungsriegel
Plus-auf-Plus, und der Kontaktierungsriegel 122 ist ein
Kontaktierungsriegel Minus-auf-Minus. Zur Verwirklichung einer Reihenschaltung
sind auch Kontaktierungsriegel Plus-auf-Minus vorgesehen, die später
erläutert werden.
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Von
jedem Kontaktierungsriegel ragen Isolierhülsen 116 und
Kodierstifte 118 durch jeweilige Bohrungen in den Stromableitern 8, 10 der
Zelle 2 hindurch. Die Anordnung dieser Bauelemente wird aus
der Explosionszeichnung der 27 deutlicher.
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27 zeigt die Anordnung aus 26 in
einer Explosionsansicht. Zusätzlich sind ein Isolationsriegel 124 auf
der anderen Seite des Stromableiters 10 sowie ein Abschnitt
einer Zylinderschraube 22 gezeigt, die sich durch eine
der Isolierhülsen 116 hindurch erstreckt.
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In
der Fläche der Stromableiter 8, 10 sind
jeweils drei Durchgangsbohrungen 121 angeordnet, durch
welche hindurch sich die Isolierhülsen 116 der Kontaktierungsriegel 114, 122 erstrecken.
Ferner sind in der Fläche des Stromableiters 8 zwei
durchgehende Kodierbohrungen 120a mit einem Abstand x1 angeordnet, durch welche hindurch sich
die Kodierstifte 118 in dem Kodierriegel Plus-auf-Plus 114 erstrecken.
In der Fläche des Stromableiters 10 sind zwei
durchgehende Kodierbohrungen 120b mit einem Abstand x2 angeordnet, durch welche hindurch sich
die Kodierstifte 118 in dem Kodierriegel Minus-auf-Minus 122 erstrecken.
Der Abstand x1 ist größer
als der Abstand x2. D. h., über
den Abstand x1, x2 ist
die Polarität Plus oder Minus kodiert. Die Kodierstifte 118 und
die Kodierbohrungen 120a, 120b verwirklichen eine
Verpolungsschutzeinrichtung im Sinne der Erfindung.
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Ferner
sind in der Fläche der Stromableiter 8, 10 sind
jeweils drei Durchgangsbohrungen 121 angeordnet, durch
welche hindurch sich die Isolierhülsen 116 der
Kontaktierungsriegel 114, 122 erstrecken. Auf
der anderen Seite des Stromableiters 10 ist ein Isolationsriegel 124 dargestellt.
Dieser weist Durchgangsbohrungen 138 auf, in welche hinein
sich die Isolierhülsen 116 des Kontaktierungsriegels 122 im
Zusammenbau erstrecken. Der Durchmesser der Durchgangsbohrungen 138 des
Isolationsriegels 124 entspricht dem Außendurchmesser
der Isolierhülsen 116. Der Innendurchmesser der
Isolierhülsen 122 entspricht dem Durchmesser der
Zylinderschrauben. Somit verwirklichen die Isolierhülsen 116 mit
den Durchgangsbohrungen 121, 140 eine Zentriereinrichtung
im Sinne der Erfindung.
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Der
Aufbau der Kontaktierungsriegel und des Isolationsriegels wird nun
anhand der Schnittdarstellungen der 28 bis 30 genauer
erläutert.
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28 zeigt einen Halbriegel 126, der zur Kontaktierung
eines positiven Stromableiters 8 kodiert ist (nachstehend
als Halbriegel Plus 126 bezeichnet). Zwei Halbriegel Plus 126,
die mit ihren Rückseiten zueinander zusammengesetzt sind,
bilden später einen Kontaktierungsriegel Plus-auf-Plus 114.
Der Halbriegel Plus 126 besteht im Wesentlichen aus einer
Grundplatte (Grundplatte Plus) 128 aus leitfähigem
Material wie etwa Kupfer, Messing, Bronze oder einem anderen Metall
oder einer anderen Metall-Legierung, in der eine Reihe von Bohrungen
eingebracht sind. Und zwar sind drei Durchgangsbohrungen 129 vorgesehen,
die der späteren Lage der Zylinderschrauben (22)
entsprechen. In den Durchgangsbohrungen 129 ist jeweils
eine Isolierhülse 116 angeordnet. Die Länge
der Isolierhülsen ist größer als die
Dicke der Grundplatte Plus 128 zuzüglich der Dicke
eines Stromableiters 8. Ferner sind auf einer Seite (hier
als Rückseite bezeichnet) der Grundplatte 128 zwei
Passbohrungen 130 als Sacklöcher angeordnet, und
zwar in einem oberen und unteren Randbereich außerhalb
des Bereichs der Durchgangsbohrungen 129. Der Abstand der
Passbohrungen 130 ist in der Figur mit x3 bezeichnet.
In einer der Passbohrungen 131 ist ein Pass-Stift 132 eingesetzt.
Auf der anderen Seite (hier als Vorderseite oder Kontaktierungsseite
bezeichnet) der Grundplatte 128 sind zwei Sackbohrungen 131a mit
dem Abstand x1 angeordnet, in welchen jeweils
ein Kodierstift 118 eingesetzt ist. So ist dieser Halbriegel 126 als
Halbriegel einer Plus-Seite kodiert.
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Werden
zwei Halbriegel 126 mit ihren Rückseiten zueinander
so angeordnet, dass jeweils der Pass-Stift 132 des einen
Halbriegels 126 einer freien Passbohrung 131 des
anderen Halbriegels gegenüberliegt, können die
beiden Halbriegel 126 zu einem Kontaktierungsriegel Plus-auf-Plus 114 zusammengefügt
werden.
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29 zeigt einen Halbriegel 134, der zur Kontaktierung
eines negativen Stromableiters 10 kodiert ist (nachstehend
als Halbriegel Minus 134 bezeichnet). Zwei Halbriegel Minus 134,
die mit ihren Rückseiten zueinander zusammengesetzt sind,
bilden später einen Kontaktierungsriegel Minus-auf-Minus 122.
Der Halbriegel Minus 134 besteht im Wesentlichen aus einer
Grundplatte (Grundplatte Minus) 136 aus leitfähigem
Material, die sich von der Grundplatte Plus 128 des Halbriegels
Plus 126 nur darin unterscheidet, dass anstelle der Sackbohrungen 131a mit
dem Abstand x1 zwei Sackbohrungen 131b mit
dem Abstand x2 eingebracht sind. So ist
dieser Halbriegel 134 als Halbriegel einer Mi nus-Seite
kodiert. Zu den sonstigen Einzelheiten, Bohrungen und Bestückung
gelten die Ausführungen zu dem Halbriegel Plus 126.
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Werden
zwei Halbriegel 134 mit ihren Rückseiten zueinander
so angeordnet, dass jeweils der Pass-Stift 132 des einen
Halbriegels 134 einem freien Passbohrung 131 des
anderen Halbriegels gegenüberliegt, können die
beiden Halbriegel 134 zu einem Kontaktierungsriegel Minus-auf-Minus 122 zusammengefügt
werden.
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Werden
ein Halbriegel Plus 126 und ein Halbriegel Minus 134 mit
ihren Rückseiten zueinander so angeordnet, dass der Pass-Stift 132 des
Halbriegels 126 dem freien Passbohrung 131 des
anderen Halbriegels 134 gegenüberliegt und umgekehrt, und
werden die Halbriegel so zusammengefügt, wird Kontaktierungsriegel
Plus-auf-Minus (nicht näher dargestellt) gebildet, der
in einer Reihenschaltung eingesetzt wird.
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In
einer Parallelschaltung mehrerer Zellen 2 werden die Kontaktierungsriegel 114, 122 so
angeordnet, dass auf einen Kontaktierungsriegel 114, 122 mit
Isolierhülsen 116 und Kodierstiften 118 ein
Kontaktierungsriegel 114, 122 ohne Isolierhülsen
und Kodierstifte folgt, u. s. w. In einer Abwandlung kann in jedem
Kontaktierungsriegel 114, 122 auch jeweils ein Halbriegel 126, 132 mit
Isolierhülsen 116 und Kodierstiften 118 versehen
sein und der andere Halbriegel 126, 132 nicht.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass stets ein vorspringendes
Element (Isolierhülse 116, Kodierstift 118)
auf eine entsprechende Bohrung 129, 131 trifft.
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Beim Übergang
von einer Parallelschaltung in eine Reihenschaltung, und in einer
Reihenschaltung ohnehin, ist es erforderlich, auf einer Seite einen positiven
Pol (Stromableiter 8) einer Zelle 2 mit einem negativen
Pol (Stromableiter 10) einer benachbarten Zelle 2 zu
verbinden, und die beiden anderen Pole dieser benachbarten Zellen
voneinander zu isolieren. Zu diesem Zweck wird der Isolationsriegel 124 verwendet,
der in 30 im Schnitt dargestellt ist.
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Der
Isolationsriegel 124 besteht im Wesentlichen aus einer
Platte 137 aus isolierendem Material, wie etwa Kunststoff,
Hartgummi, Keramik oder dergleichen und ist doppelt so dick wie
die Halbriegel 126, 134. Drei Durchgangsbohrungen 138 sind
mit Abständen angeordnet, die der Lage der Zylinderschrauben
(22) entsprechen. Auf einer Seite der Platte 137 sind
zwei Kodierbohrungen 140a mit dem Abstand x1 angeordnet,
und auf der anderen Seite sind zwei Kodierbohrungen 140b mit
dem Abstand x2 angeordnet.
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Der
Durchmesser der Durchgangsbohrungen 138 entspricht dem
Außendurchmesser der Isolierhülsen 116,
der Durchmesser der Kodierbohrungen 140a, 140b dem
Durchmesser der Kodierstifte 18. So reichen im Zusammenbau
die Isolierhülsen 116 und Kodierstifte 18,
die in den jeweils nächsten Kontaktierungsriegeln angeordnet
sind, durch entsprechende Bohrungen 121, 120a, 120b der
Stromableiter 8, 10 einer Akkumulatorzelle 2 hindurch
und in die Durchgangsbohrungen 138 und Kodierbohrungen 140a, 140b des
Isolationsriegels hinein. Auf diese Weise ist die relative Lage
der Elemente im Zellblock radial zentriert und verpolungssicher
montierbar. Da die Zylinderschrauben stets in Isolierhülsen 116 geführt
werden, sind sie zuverlässig gegen die Stromableiter 8, 10,
die Kontaktierungsriegel 114, 122 und die Druckplatten 118, 120 isoliert.
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In 31 ist ein Zwischenrahmen 14 in dieser
Ausführungsform in einer stirnseitigen Ansicht dargestellt.
Dieser ist besonders einfach und symmetrisch aufgebaut. In dem eigentlichen
Rahmengerüst sind in den lateralen Stegen längliche
Ausnehmungen 142 vorgesehen, deren Kontur der Außenkontur der
Kontaktierungs- und Isolationsriegel entspricht. Eine Freifläche 144 geringerer
Materialdicke trägt der etwas größeren
Dicke des Randbereichs 6 um die Stromableiter 8, 10 der
Akkumulatorzellen 2 herum Rechnung, sodass Spanndruck im
Wesentlichen nur auf die Stromableiter 8, 10 über
die Kontaktierungs- und Isolationsriegel ausgeübt wird.
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Man
beachte, dass bei dieser Ausführungsform nur eine Art von
Zwischenrahmen 14 erforderlich ist, der symmetrisch und
von besonders einfacher Geometrie ist. Daher ist der Fertigungsaufwand gering,
sind weniger verschiedene EinZelleile zu bevorraten, und es ist
bei der Montage nicht auf die richtige Einbaulage zu achten, da
die Kontaktierung allein über die Kontaktierungs- und Isolationsriegel
erfolgt.
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Für
die Montage sind bezüglich der Kontaktierung der Zellen 2 lediglich
vormontierte Halbriegel-Plus 126, vormontierte Halbriegel-Minus 134 und Isolationsriegel 124,
jeweils mit Isolationshülsen 116 und Kodierstiften 118 vormontiert,
bereitzuhalten. Die Halbriegel können verwechslungssicher
zu Kontaktierungsriegeln Plus-auf-Minus zusammengesetzt und polrichtig
montiert werden. Falls zusätzlich zu Reihenschaltungen
auch Parallelschaltungen von Akkumulatorzellen 2 innerhalb
eines Zellstapels verwirklicht werden sollen, sind die Halbriegel 126, 134 zusätzlich
mit Isolationshülsen 116 und Kodierstiften 118 und
ohne diese vorzuhalten. Auch in diesem Fall zeigen sich Verwechslungen
von Teilen oder falsche Einbaulagen bei der Montage bzw. machen
derartige Fehler unmöglich. Selbstverständlich
können auch Grundplatten 128, 136, Isolationshülsen 116,
Kodierstifte 118 und Pass-Stifte 132 einzeln bereitgehalten und
erst bei der Montage der Zellblocks montiert werden, was die größtmögliche
Flexibilität bietet.
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Die
Isolationshülsen 116 sind in den Durchgangsbohrungen 129 der
Halbriegel 126, 134 vergleichsweise leichtgängig
eingeschoben. So ist bei der Montage nur geringer Kraftaufwand erforderlich, und
eine Demontage ist möglich. Die Pass-Stifte 132 sitzen
fest in ihren Passbohrungen und halten die Halbriegel 126, 134 zuverlässig
zusammen. Die Kodierstifte 118 sitzen ebenfalls fest in
ihren Sackbohrungen 131a, 131b. Um ein Klemmen
in gegenüberliegenden Halbriegeln zu vermeiden, weisen
die Kodierstifte an einem Ende ein deutliches Untermaß oder
gar einen geringeren Durchmesser als an dem anderen Ende auf. Da
die Zentrierung der Bauteile in radialer Richtung bereits durch
die Isolationshülsen 116 verwirklicht wird, müssen
die Kodierstifte 118 diese Aufgabe nicht mehr erfüllen.
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Sie
sollen daher lediglich bei in den vormontierten Kontaktierungsriegeln
einen festen Sitz in den Sackbohrungen aufweisen, sodass sie nicht
herausfallen können; ein lockeres Spiel in den gegenüberliegenden
Bohrungen im fertig montierten Zustand des Zellstapels beeinträchtigt
die Kodierfunktion nicht.
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In
einer dreizehnten Ausführungsform werden die gleichen Rahmen 14 verwendet
wie in der zwölften Ausführungsform unter Bezugnahme
auf 31 beschrieben. Es werden wiederum
Kontaktierungs- und Isolationsriegel zur Verschaltung der Akkumulatorzellen
eingesetzt, und diese weisen stirnseitig die gleichen Außenkonturen
wie in der zwölften Ausführungsform auf. In Einzelheiten
weisen die Kontaktierungs- und Isolationsriegel aber Unterschiede
bezüglich der zwölften Ausführungsform
auf. Die Einzelteile der dreizehnten Ausführungsform sind in 32 bis 34 veranschaulicht.
Dabei ist 32 eine Querschnittsansicht
eines Halbriegels zur Kontaktierung eines positiven Stromableiters,
ist 33 eine Querschnittsansicht
eines Halbriegels zur Kontaktierung eines negativen Stromableiters, und
ist 34 eine Querschnittsansicht
eines Isolationsriegels.
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32 zeigt einen Halbriegel (Halbriegel Plus) 126 dieser
Ausführungsform, der zur Kontaktierung eines positiven
Stromableiters 8 kodiert ist. Der Halbriegel Plus 126 dieser
Ausführungsform besteht im Wesentlichen aus einer Grundplatte
(Grundplatte Plus) 128 aus leitfähigem Material,
in welcher wie in der vorherigen Ausführungsform drei Durchgangsbohrungen 129,
die der späteren Lage der Zylinderschrauben (22)
entsprechen, und auf einer Rückseite zwei Passbohrungen 130 als
Sacklöcher vorgesehen, in deren oberer ein Pass-Stift 132 angeordnet ist,
während die untere frei bleibt. Nur in der oberen Durchgangsbohrung 129 ist
eine Isolierhülse 116 angeordnet, die auf der
Vorderseite über die Oberfläche der Grundplatte 128 hinausragt.
Auf der Vorderseite der Grundplatte 128 sind ferner eine
Passbohrung 131a und eine Kodierbohrung 146a jeweils
als Sacklöcher mit dem Abstand x1 angeordnet,
wobei die Passbohrung 131a die obere der beiden Bohrungen ist.
In die Passbohrung 131a ist ein Kodierstift 118 eingesetzt.
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33 zeigt einen Halbriegel (Halbriegel Minus) 134 dieser
Ausführungsform, der zur Kontaktierung eines negativen
Stromableiters 10 kodiert ist. Der Halbriegel Minus 134 besteht
im Wesentlichen aus einer Grundplatte (Grundplatte Minus) 136 aus leitfähigem
Material, die sich von der Grundplatte Plus 128 des Halbriegels
Plus 126 nur darin unterscheidet, dass anstelle der Passbohrung 131a und der
Kodierbohrung 146a mit dem Abstand x1 eine Passbohrung 131b und
eine Kodierbohrung 146b als Sacklöcher mit dem
Abstand x2 eingebracht sind, wobei die Passbohrung 131b die
obere der beiden Bohrungen ist. Zu den sonstigen Einzelheiten, Bohrungen
und Bestückung gelten die Ausführungen zu dem
Halbriegel Plus 126. Insbesondere ist auch bei dem Halbriegel
Minus 134 nur in der oberen Durchgangsbohrung 129 eine überstehende
Isolierhülse 116 angeordnet, und ist in der Passbohrung 131b ein Kodierstift 118 angeordnet.
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Werden
zwei Halbriegel Plus 126 mit ihren Rückseiten
zueinander so angeordnet, dass jeweils der Pass-Stift 132 des
einen Halbriegels 126 einer freien Passbohrung 131 des
anderen Halbriegels gegenüberliegt, können die
beiden Halbriegel 126 zu einem Kontaktierungsriegel Plus-auf-Plus
zusammengefügt werden. Werden dagegen zwei Halbriegel Minus 134 mit
ihren Rückseiten zueinander so angeordnet, dass jeweils
der Pass-Stift 132 des einen Halbriegels 134 einem
freien Passbohrung 131 des anderen Halbriegels gegenüberliegt,
können die beiden Halbriegel 134 zu einem Kontaktierungsriegel
Minus-auf-Minus zusammengefügt werden. Kontaktierungsriegel
Plus-auf-Plus und Minus-auf-Minus werden bei einer Parallelschaltung
von Akkumulatorzellen 2 eingesetzt.
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Werden
ein Halbriegel Plus 126 und ein Halbriegel Minus 134 mit
ihren Rückseiten zueinander so angeordnet, dass der Pass-Stift 132 des
Halbriegels 126 dem freien Passbohrung 131 des
anderen Halbriegels 134 gegenüberliegt und umgekehrt, und
werden die Halbriegel so zusammengefügt, wird ein Kontaktierungsriegel
Plus-auf-Minus gebildet, der in einer Reihenschaltung sowie beim Übergang
zwischen einer Parallel- und einer Reihenschaltung eingesetzt wird.
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34 zeigt einen Isolationsriegel 148 dieser
Ausführungsform. Der Isolationsriegel 148 besteht
im Wesentlichen aus einem quaderförmigen Grundkörper 150 aus
isolierendem Material und ist doppelt so dick wie die Halbriegel 126, 134.
Auf der Vorderseite sind oben und zwei im Querschnitt kreisrunde
Erhebungen 152 ausgebildet. Gleichermaßen sind
auf der Rückseite mittig und unten zwei solche Erhebungen 152 ausgebildet.
D. h., dass in Höhenrichtung mittig zwei Erhebungen 152 einander
gegenüberliegen. Die Erhebungen 152 sind mit Abständen
angeordnet, die der Lage der Zylinderschrauben (22) entsprechen,
und an diesen Stellen ist jeweils eine Durchgangsbohrung 154 in
den Grundkörper 150 und die Erhebungen 152 eingebracht.
Gegenüber den einseitigen Erhebungen oben und unten sind Einsenkungen 156 konzentrisch
mit den jeweiligen Durchgangsbohrungen 154 in die Oberfläche
des Grundkörpers 150 eingebracht.
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Auf
der Vorderseite des Grundkörpers 150 sind – wie
bei dem Halbriegel Plus 126 dieser Ausführungsform – ferner
eine Passbohrung 131a und eine Kodierbohrung 146a jeweils
als Sacklöcher mit dem Abstand x1 angeordnet,
wobei die Passbohrung 131a die obere der beiden Bohrungen
ist. Des Weiteren sind auf der Rückseite des Grundkörpers 150 eine
Passbohrung 131b und eine Kodierbohrung 146b als
Sacklöcher mit dem Abstand x2 eingebracht, wobei
die Passbohrung 131b die untere der beiden Bohrungen ist.
Die Lage der Bohrungen 131b und 146b entspricht
also der Situation bei dem Halbriegel 134 dieser Ausführungsform,
wenn man ihn gegenüber der Darstellung in 33 auf den Kopf stellt.
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Der
Durchmesser der Durchgangsbohrungen 129 der Halbriegel 126, 134 entspricht
dem Außendurchmesser der Isolierhülsen 116,
und der Außendurchmesser der Erhebungen 152 des
Isolationsriegels 150 entspricht dem Durchmesser der Durchgangsbohrungen 129 der
Halbriegel 126, 134. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 154 des Isolationsriegels 150 entspricht
ebenso wie der Innendurchmesser der Isolationshülsen 116 dem Durchmesser
der Zylinder schrauben (22). Der Durchmesser der Kodierbohrungen 146a, 146b ist größer
als der Durchmesser der Kodierstifte 18.
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Durch
die spezielle, asymmetrische Anordnung der vorspringenden Bauelemente
ist, gleichgültig, ob die Halbriegel 126, 134 zu
Kontaktierungsriegeln Plus-auf-Plus, Minus-auf-Minus oder Plus-auf-Minus
zusammengesetzt werden, und gleichgültig, ob eine Reihen-
oder eine Parallelschaltung oder ein Übergang zwischen
einer Parallel- und einer Reihenschaltung zu verwirklichen ist,
bei richtigem Zusammenbau die Isolierhülsen 116,
Erhebungen 152 und Kodierstifte 18 einerseits
durch die entsprechenden Bohrungen 121, 120a, 120b der
Stromableiter 8, 10 einer Akkumulatorzelle hindurch
und andererseits stets in eine freie Durchgangsbohrung 130 eines
Kontaktierungsriegels oder in eine Einsenkung 156 eines
Isolationsriegels 148 bzw. in eine freie Kodierbohrungen 146a, 146b eines
Kontaktierungs- oder Isolationsriegels hineinragen. Auf diese Weise
ist die relative Lage der Elemente im Zellblock radial zentriert
und verpolungssicher montierbar, und die Zylinderschrauben sind
zuverlässig gegen die Stromableiter 8, 10,
die Kontaktierungsriegel 114, 122 und die Druckplatten 118, 120 isoliert.
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Für
die Montage sind daher bezüglich der Kontaktierung der
Zellen 2 lediglich mit Isolationshülsen 116 und
Kodierstiften 118 vormontierte Halbriegel-Plus 126,
Halbriegel-Minus 134 und Isolationsriegel 148 bereitzuhalten.
Die Halbriegel können unabhängig von der gewünschten
Art der Verschaltung verwechslungssicher zu Kontaktierungsriegeln
zusammengesetzt und polrichtig montiert werden.
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Eine
vierzehnte Ausführungsform betrifft eine modulare Auslegung
der Kontakierungselemente unter Verwendung des Zwischenrahmens 14 der zwölften
Ausführungsform, wie in 31 gezeigt, und
ist in 35 bis 41 dargestellt.
Dabei zeigen jeweils im Längsschnitt 35 eine für einen Pluspol kodierte Abstandshalbplatte-Plus, 36 eine für einen Minuspol kodierte Abstandshalbplatte-Minus, 37 eine Kontakthülse, 38 eine Doppelzapfenmanschette für Reihenschaltung, 39 eine Innenmanschette für Parallelschaltung, 40 eine Einzapfenmanschette für einen Übergang
von Parallel- auf Reihenschaltung, und 41 eine
Abstandshülse für variable Anwendung der vierzehnten
Ausführungsform.
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Eine
Abstandshalbplatte-Plus 158 und eine Abstandshalbplatte-Minus 160 sind
Platten von gleicher äußerer Kontur aus einem
elektrisch isolierenden Material. Wie in 35 und 36 gezeigt,
sind in jeder der Abstandshalbplatten 158, 160 drei
Durchgangsbohrungen 162, die der späteren Lage
der Zylinderschrauben (22) entsprechen, und auf einer Rückseite
zwei Passbohrungen 130 als Sacklöcher vorgesehen,
in deren oberer ein Pass-Stift 132 angeordnet ist, während
die untere frei bleibt. Auf der Vorderseite der Abstandshalbplatte-Plus 158 sind
ferner eine Passbohrung 131a und eine Kodierbohrung 146a jeweils
als Sacklöcher mit dem Abstand x1 angeordnet,
wobei die Passbohrung 131a die obere der beiden Bohrungen
ist, in welche ein Kodierstift 118 eingesetzt ist. Dagegen
sind auf der Vorderseite der Abstandshalbplatte-Minus 160 eine
Passbohrung 131b und eine Kodierbohrung 146b jeweils
als Sacklöcher mit dem kleineren Abstand x2 angeordnet,
wobei die Passbohrung 131b die obere der beiden Bohrungen
ist, in welche ein Kodierstift 118 eingesetzt ist.
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Die
Abstandshalbplatten 158, 160 können analog
den beiden vorherigen Ausführungsformen so zu Abstandsriegeln
zusammengesetzt werden, dass sie für Plus-auf-Plus, Minus-auf-Minus
oder Plus-auf-Minus kodiert sind.
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37 zeigt im Längsschnitt eine Kontaktierungshülse 164,
die zur Kontaktierung der Stromableiter zweier Akkumulatorzellen 2 in
die Durchgangsbohrungen 162 eines Abstandsriegels eingesetzt werden.
Die Kontaktierungshülse 164 ist im Wesentlichen
ein Hohlzylinder 166 aus einem leitfähigen Material.
Die Länge der Kontaktierungshülse 164 (des Hohlzylinders 166)
entspricht der Dicke zweier Abstandshalbplatten, also der Dicke
eines Abstandsriegels. Der Außendurchmesser der Kontaktierungshülse 164 entspricht
dem Durchmesser der Durchgangsbohrungen 162 der Abstandshalbplatten 158, 160.
Der Innendurchmesser der Kontaktierungshülse 164 ist
reichlich größer als der Durchmesser einer Zylinderschraube
(22) zum Verspannen des Zellstapels. Die Kontaktierungshülse 164 weist
zwei endseitige Einsenkungen 168 auf.
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38 zeigt im Längsschnitt eine Hülse
mit zwei endseitigen Zapfen (Doppelzapfenmanschette) 170.
Die Doppelzapfenmanschette 170 besteht im Wesentlichen
aus einem Hohlzylinder 172 aus einem elektrisch isolierenden
Material. An beiden Endseiten sind Abdrehungen 174 vorgesehen.
Der Außendurchmesser der Doppelzapfenmanschette 170 (des Hohlzylinders 172)
entspricht dem Durchmesser der Durchgangsbohrungen 162 der
Abstandshalbplatten 158, 160. Der Innendurchmesser
der Doppelzapfenmanschette 170 entspricht dem Durchmesser
einer Zylinderschraube (22). Der Außendurchmesser
der Abdrehungen 174 entspricht dem Innendurchmesser der
Einsenkungen 166 der Kontaktierungshülse 164. Die
Länge der Abdrehungen 174 ist etwas geringer als
die Tiefe der Einsenkungen 166 zuzüglich der Dicke
eines Stromableiters 8, 10 einer Akkumulatorzelle 2.
Die verbleibende Länge des Hohlzylinders 172 zwischen
den Abdrehungen 174 entspricht der Dicke zweier Abstandshalbplatten,
also der Dicke eines Abstandsriegels.
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39 zeigt im Längsschnitt eine Innenmanschette 176.
Die Innenmanschette ist eine Hülse aus elektrisch isolierendem
Material. Der Außendurchmesser der Innenmanschette 176 entspricht dem
Innendurchmesser der Einsenkungen 166 der Kontaktierungshülse 164.
Die Länge der Innenmanschette 176 ist etwas geringer
als die doppelte Tiefe der Einsenkungen 166 zuzüglich
der Dicke eines Stromableiters 8, 10 einer Akkumulatorzelle 2.
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Die
vorstehend im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform beschriebenen
Elemente sind grundsätzlich ausreichend, um die Verschaltung
der Akkumulatorzellen 2 in einem Zellblock zu verwirklichen.
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Für
eine Reihenschaltung werden Abstandshalbplatten 158, 160 zu
Abstandsriegeln Plus-auf-Minus zusammengesetzt. In einen Abstandsriegel
werden Kontaktierungshülsen 164 in die Durchgangslöcher 162 eingesetzt,
in dem anderen Abstandsriegel Doppelzapfenmanschetten 170.
So werden die Abstandsriegel in die Ausnehmungen 142 des
Zwischenrahmens 14 (31)
eingesetzt, wobei auf einer Stirnseite des Zwischenrahmens auf einer
lateralen Seite (etwa links) ein Kodierstift 118 und eine
Kodierbohrung 146a mit dem größeren Abstand
x1 zur Kodierung einer Plus-Seite und auf
der anderen lateralen Seite (dann also rechts) ein Kodierstift 118 und eine
Kodierbohrung 146b mit dem kleineren Abstand x2 zur
Kodierung einer Minus-Seite zu sehen sind. Bei dem nächsten
Zwischenrahmen muss dann auf der einen lateralen Seite (links) ein
Kodierstift 118 und eine Kodierbohrung 146b mit
dem kleineren Abstand x2 zur Kodierung einer
Minus-Seite und auf der anderen lateralen Seite (rechts) ein Kodierstift 118 und
eine Kodierbohrung 146a mit dem kleineren Abstand x1 zur Kodierung einer Minus-Seite zu sehen sein.
Wenn nun eine Akkumulatorzelle 2 mit der einzig passenden
Orientierung der Kodierbohrungen 121a, 121b in
den Stromableitern 8, 10 auf die Kodierstifte 118 eines
Zwischenrahmens 14 gesetzt wird, kann nur der richtige
Zwischenrahmen 14 in richtiger Polrichtung aufgesetzt werden.
Dies setzt sich fort, bis alle Zellen 2 verbaut sind. Für
den Anschluss einer Druckplatte 18, 20 über
die Endrahmen 12, 16 mit einer Kontaktierungshülse 164 werden
die Innenmanschetten 176 benötigt, die in einer
Durchgangsbohrung der Druckplatte 18, 20 mit einem Durchmesser,
der dem Außendurchmesser der Innenmanschette 176 entspricht,
auf derjenigen lateralen Seite, auf der die Kontaktierung mit einem
Pol der Zelle 2 erfolgen soll, eingesetzt sind. Auf der
anderen lateralen Seite bleibt es bei den Doppelzapfenmanschetten 170,
die mit einer Abdrehung 174, die den gleichen Außendurchmesser
wie die Innenmanschetten 176 aufweisen, in die Durchgangsbohrungen
der Druckplatte 18, 20 reichen. Die Zylinderschrauben
werden in den Doppelzapfenmanschetten 170 und den Innenmanschetten 176 geführt
und von stromführenden Bauelementen isoliert; die radiale Zentrierung
der Bauelemente erfolgt analog zu den vorherigen Ausführungsformen über
die gleichen Bauteile.
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Bei
einer Parallelschaltung kommen nur die Kontaktierungshülsen 164 und
Innenmanschetten 176 zu Einsatz. Dabei wird jeweils eine
Innenmanschette 176 in eine Einsenkung 166 einer
Kontaktierungshülse 164 gesteckt, diese in die
aus zwei gleichen Abstandshalbplatten 158 oder 160 zusammengesetzten
Abstandsriegel eingesetzt und die Bauelemente in der so vorgegebenen
Polrichtung montiert.
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40 zeigt im Längsschnitt eine Hülse
mit einem endseitigen Zapfen (Einzapfenmanschette) 178.
Die Einzapfenmanschette 178 besteht im Wesentlichen aus
einem Hohlzylinder 180 aus einem elektrisch isolierenden
Material. An einer Endseite ist eine Abdrehung 174 vorgesehen.
An der anderen Endseite ist eine Einsenkung 168 vorgesehen.
Der Außendurchmesser der Einzapfenmanschette 178 (des
Hohlzylinders 180) entspricht dem Durchmesser der Durchgangsbohrungen 162 der
Abstandshalbplatten 158, 160. Der Innendurchmesser
der Einzapfenmanschette 178 entspricht dem Durchmesser
einer Zylinderschraube (22). Der Außendurchmesser der
Abdrehungen 174 entspricht dem Innendurchmesser der Einsenkungen 166 der
Kontaktierungshülse 164 und der Einzapfenmanschette 178 selbst. Die
Länge der Abdrehungen 174 ist etwas geringer als
die Tiefe der Einsenkungen 166 zuzüglich der Dicke
eines Stromableiters 8, 10 einer Akkumulatorzelle 2.
Die verbleibende Länge des Hohlzylinders 172 ab
der Abdrehung 174 entspricht der Dicke zweier Abstandshalbplatten,
also der Dicke eines Abstandsriegels.
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Bei
einer gemischten Parallel- und Reihenschaltung von Akkumulatorzellen,
wie sie etwa in 7 gezeigt ist, kann am Übergang
zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung je nachdem,
ob dort eine Innenmanschette hervorragt oder nicht, zwischen den
zu isolierenden Stromableitern eine Doppelzapfenmanschette 170 oder
eine Einzapfenmanschette 178 eingesetzt werden. Gegebenenfalls
muss an dieser Übergangsstelle in die Kontaktierungshülse 164,
welche die Verbindung zwischen zwei Gruppen von parallel geschalteten Gruppen
von Zellen 2 herstellt, beidseits eine Innenmanschette 176 einsetzt
werden.
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41 zeigt eine Isolierhülse 182 im
Längsschnitt. Diese weist die gleiche Geometrie wie die Kontaktierungshülse 164 auf
als hohlzylindrischer Grundkörper 184 mit gleichen
Einsenkungen 168, ist aber aus einem elektrisch isolierenden
Material hergestellt.
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Die
Isolierhülse 182 kann durch Einstecken einer oder
zweien der Innenmanschetten 176 in die Einsenkungen 168 eine
Doppelzapfenmanschette 170 oder eine Einzapfenmanschette 178 ersetzen.
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Die
vorstehend beschriebenen Bauteile dieser Ausführungsform
werden zur Montage als Baukasten zur Verfügung gestellt.
Aufgrund der kleinen und kompakten Abmessungen der Hülsen
und Manschetten sind diese leicht als Schüttgut handhabbar.
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In
einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die zeichnerisch nicht näher dargestellt ist,
gibt es Innenmanschetten 176 in zwei Ausführungen
mit unterschiedlichen Außendurchmessern, weisen die Kontaktierungshülse 164 und die
Isolierhülse 182 zwei Einsenkungen unterschiedlichen
Durchmessers entsprechend den Außendurchmessern der Innenmanschetten
auf und weist die Doppelzapfenmanschette 170 zwei Abdrehungen unterschiedlichen
Innendurchmessern der Einsenkungen der Kontaktierungshülse 164 und
der Isolierhülse 182 auf. Gegebenenfalls sind
auch zwei Ausführungen von Einzapfenmanschetten 178 vorgesehen,
wobei die eine Ausführung eine Abdrehung mit größerem
Außendurchmesser und eine Einsenkung mit kleinerem Durchmesser
aufweist und die andere Ausführung eine Abdrehung mit kleineren
Außendurchmesser und eine Einsenkung mit größerem Durchmesser
aufweist, wobei die Durchmesser der Abdrehungen und Einsenkungen
den unterschiedlichen Durchmessern der Einsenkungen der Kontaktierungshülse
bzw. den unterschiedlichen Außendurchmessern der zwei Ausführungen
von Innenmanschetten angepasst sind.
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Bei
dieser Ausführungsform sind keine Kodierstifte und Kodierbohrungen
vorgesehen. Dafür weisen die Durchgangsbohrungen in den
Stromableitern 8 der Zellen 2 unterschiedliche
Durchmesser entsprechend den unterschiedlichen Au ßendurchmessern
der Innenmanschetten 176 auf. Somit bilden die Kontaktierungshülsen 164 Kontaktverbindungselemente
im Sinne der vorliegenden Erfindung, und die Manschetten bilden
sowohl eine Zentriereinrichtung als auch eine Verpolungsschutzeinrichtung im
Sinne der Erfindung.
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Auch
bei dieser Ausführungsform gilt, dass die Isolierhülsen 182 und
die Innenmanschetten 176 in den zwei Ausführungen
bei geeigneter Zusammensetzung sowohl die Doppelzapfenmanschetten 170 als
auch die Einzapfenmanschetten 178 ersetzen können.
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Nachdem
die Kodierung der Polrichtung über die unterschiedlichen
Außendurchmesser der Innenmanschetten 176 und
ggf. der Abdrehungen der Doppel- und Einzapfenmanschetten 170, 178 erfolgt,
sind bei dieser Ausführungsform keine Abstandshalbplatten
vorgesehen, sondern einteilige Abstandsriegel, die in die symmetrischen
Ausnehmungen 142 der Rahmenelemente (vgl. 31) eingesetzt werden.
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Bei
einer sechzehnten Ausführungsform werden die Hülsen
und Manschetten der fünfzehnten Ausführungsform
verwendet. Es sind aber keine Abstandsriegel vorgesehen. Vielmehr
weisen die Rahmenelemente anstelle von Ausnehmungen zur Aufnahme
der Abstandsriegel auf beiden lateralen Seiten drei Durchgangsbohrungen
auf. Alle Durchgangsbohrungen weisen den gleichen Durchmessen auf,
der dem Außendurchmesser der Kontaktierungshülse 164 und
der Isolierhülse 182 entspricht.
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Bei
dieser Ausführungsform ist die Anzahl unterschiedlicher
Bauteile noch einmal reduziert, und die Montage weiter vereinfacht.
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Bei
einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird auf die Verwendung von Rahmenelementen ganz verzichtet. Vielmehr
werden die Akkumulatorzellen 2 zwischen zwei Druckplatten auf
Zylinderschrauben gefädelt, wobei jeweils Isolierungs-
und Kontaktierungsriegel nach der zwölften oder drei zehnten
Ausführungsform oder Abstandsriegel mit Hülsen
und Manschetten nach der vierzehnten oder fünfzehnten Ausführungsform
zwischen den Stromableitern 8, 10 der Zellen 2 angeordnet
sind. Über die Riegel wird der Abstand zwischen den Zellen 2 definiert
und der erforderliche Halte- und Kontaktierungsdruck übertragen.
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Bei
einer achtzehnten Ausführungsform wird auch auf die Verwendung
von Riegeln verzichtet. Vielmehr werden lediglich die Hülsen
und Manschetten der fünfzehnten Ausführungsform
zur Übertragung des Halte- und Kontaktierungsdrucks, zur
Definition des Abstands zwischen Zellen 2, zur Kontaktierung
bzw. Isolation von Stromableitern 8, 10, als Verpolungsschutz
und zur radialen Zentrierung verwendet.
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Der
Verzicht auf Zwischenrahmen bei der siebzehnten und achtzehnten
Ausführungsform erlaubt eine Verringerung des Gesamtgewichts
eines Zellblocks, was durch Verzicht auf Abstandsriegel bei der
achtzehnten Ausführungsform noch weiter getrieben wird.
Die Stabilität der Anordnung wird allein über
die Druckplatten 18, 20 und die Zylinderschrauben 22 sowie
die Druckflächen der Abstandsriegel (158 + 160,
2 × 158 oder 2 × 160) (siebzehnte
Ausführungsform) bzw. der Kontakthülsen 164 und
Isolationshülsen 182 und/oder Ein- und Doppelzapfenmanschetten 178, 170 (achtzehnte
Ausführungsform), die sich über die Druckflächen
der Stromableiter 8, 10 der Zellen 2 abstützen,
gewährleistet.
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Die
freiliegenden Akkumulatorzellen 2 sind bei der siebzehnten
und achtzehnten Ausführungsform besonders wirksam temperierbar.
Ein Gehäuse, das sich zwischen den Druckplatten 18, 20 erstreckt, kann
vorgesehen sein, um dem Zellblock eine individuelle Atmosphäre
zu vermitteln und die Randbereiche der Zellen 2 vor Beschädigungen
zu schützen. Es können aber auch mehrere Zellblöcke
ohne individuelle Gehäuse in einem seinerseits umschlossenen
Einbauraum eingesetzt sein, wobei beim Einbau auf einen Schutz der
Randbereiche der Zellen 2 zu achten ist.
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Die
folgenden Ausführungsformen beziehen sich auf die Festlegung
der radialen Lage der Akkumulatorzellen 2 in dem Zellblock.
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In 42 ist eine Akkumulatorzelle einer neunzehnten
Ausführungsform in stirnseitiger Ansicht dargestellt. Wie
in 42 gezeigt, erstrecken sich die Stromableiter 8, 10 in
den Randbereich 6 (Siegelnaht) einer Akkumulatorzelle 2 dieser
Ausführungsform hinein. Oben und unten jenseits des Bereichs
der Stromableiter 8, 10 ist ein Totbereich 186 ausgebildet,
in welchem keine aktiven oder stromführenden Bestandteile
der Zelle 2 liegen. In diesen Totbereichen sind Durchgangslöcher 188 ausgebildet. In
den Durchgangslöchern 188 verlaufen die Zylinderschrauben
(22) oder andere geeignete Zentrierungselemente.
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In 43 ist eine Ecke einer Akkumulatorzelle 2 einer
zwanzigsten Ausführungsform in stirnseitiger Ansicht dargestellt.
Im Totbereich 186 dieser Zelle 2 ist eine Ausklinkung 190 ausgearbeitet. Mit
der Ausklinkung 190 stützt sich die Zelle 2 gegen die
Zylinderschraube 22 ab.
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In 44 ist ein Endbereich einer Akkumulatorzelle 2 einer
einundzwanzigsten Ausführungsform im Schnitt in Blickrichtung
von oben dargestellt. Zwischen Stromableitern der Zellen 2 verläuft
die Zylinderschraube 22 durch ein Distanzstück 192.
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In 45 ist eine Ecke einer Akkumulatorzelle 2 einer
zweiundzwanzigsten Ausführungsform in stirnseitiger Ansicht
dargestellt. Im Totbereich 186 dieser Zelle 2 ist
eine Ausklinkung 194 ausgearbeitet. Die Ausklinkung 194 ist
größer als die Ausklinkung 190 der zwanzigsten
Ausführungsform. Daher wird hier nur eine grobe Ausrichtung
der Zelle 2 beim Einbau verwirklicht. Es ist aber Luft
zwischen der Ausklinkung 194 und der Zylinderschraube 22 vorhanden,
sodass der Totbereich 186 im Betrieb Kräftefrei
gehalten wird.
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In 46 ist ein Endbereich einer Akkumulatorzelle 2 einer
dreiundzwanzigsten Ausführungsform im Schnitt in Blickrichtung
von oben dargestellt. Zwischen Stromableitern der Zellen 2 ist
ein Distanzstück 196a mit zwei Zapfen 198 angeordnet.
Die Zapfen 198 reichen auf der anderen Seite eines Stromableiters
in eine Gegenbohrung 199 eines Distanzstücks 196b.
Es können auch Distanzstücke mit einem Zapfen 198 und
einer Bohrung 199 vorgesehen sein. Die Zapfen 198 können
unterschiedliche Durchmesser zur Kodierung der Pollage aufweisen.
Die Zapfen 198 und Bohrungen 199 können
auch direkt an den Halterahmen 12, 14, 16 ausgebildet
sein.
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Eine
vierundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung wird anhand
der 47 und 48 beschrieben.
Dabei ist 47 eine Schnittdarstellung
eines Randbereichs einer Akkumulatorzelle mit einem Stromableiter
in Blickrichtung von oben, und 48 zeigt
ein Distanzstück im Schnitt. Wie in 47 gezeigt,
weist der Stromableiter 8 eine Prägung 200 auf.
Zwischen Stromableitern der Zellen 2 ist ein Distanzstück 202 angeordnet.
Wie in 48 dargestellt, weist das Distanzstück 202 zwei
eingesunkene Reliefstrukturen 204, 206 auf. Die
Reliefstrukturen 204, 206 entsprechen ihrer Form
der erhabenen Seite der Prägung 200 auf dem Stromableiter 8.
Ersichtlich ist das Distanzstück 202 zur Kodierung einer
Einbaulage derart vorgesehen, dass die erhabenen Teile der Prägungen 200 benachbarter
Stromableiter zueinander weisen. Obschon in der Figur nicht dargestellt,
sind auch Distanzstücke mit erhabenen Reliefstrukturen
vorgesehen, die an den zurückweichenden Teil der Prägungen 200 angepasst sind.
Diese Distanzstücke kodieren eine Einbaulage derart, dass
die zurückweichenden Teile der Prägungen 200 benachbarter
Stromableiter zueinander weisen. Ferner sind Distanzstücke
mit einer versunkenen und einer erhabenen Reliefstruktur vorgesehen. Die
Prägungen 200 können auf den Stromableitern 8, 10 unterschiedliche
Form, Größe oder Tiefe aufweisen, um die Polarität
zu kodieren. Im Zusammenbau legen die Prägungen und Reliefstrukturen
die relative Lage der Bauteile in radialer Richtung fest. Sie wirken also
sowohl als Zentriereinrichtung als auch als Verpolungsschutzeinrichtung
im Sinne der Erfindung.
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In
einer nicht näher dargestellten Abwandlung der vierundzwanzigsten
Ausführungsform ist eine Prägung in einem Abschnitt
des Randbereichs ausgebildet, der frei von Stromableitern ist, also
im Bereich der freien Siegelnaht der Zelle.
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Eine
fünfundzwanzigste Ausführungsform der Erfindung
wird anhand der 49 und 50 beschrieben.
Dabei zeigt 49 eine stirnseitige Ansicht
einer Akkumulatorzelle 2 dieser Ausführungsform
in einer Einbausituation. Dabei sind hinter der Zelle 2 liegende
Teile weggelassen. Ein vor der Zelle 2 liegender Halterahmen
wurde ebenfalls weggelassen, durch diesen Rahmen hindurch verlaufende
Teile im Querschnitt dargestellt. 50 zeigt
eine Isolierhülse dieser Ausführungsform im Längsschnitt.
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Gemäß der
Darstellung in 49 weist eine Akkumulatorzelle 2 in
bereits beschriebener Weise einen aktiven Teil 4, einen
Randteil 6 mit Falzen 50 und zwei Stromableitern 8, 10 auf.
In den Stromableitern 8, 10 sind jeweils drei
Durchgangsbohrungen 208 ausgebildet; alle Durchgangsbohrungen 208 weisen
den gleichen Durchmesser auf. Konzentrisch mit den Durchgangsbohrungen 208 verlaufen
sechs Zylinderschrauben 22 zum Verspannen des Zellblocks.
Zwischen dem Stromableiter 8 und einem Stromableiter einer
vor der gezeigten Zelle 2 angeordneten Zeile ist konzentrisch
mit der mittleren Durchgangsbohrung 208 (in der Darstellung
nicht sichtbar) eine Isolierhülse 210 angeordnet.
Zwischen dem Stromableiter 10 und einem Stromableiter der vor
der gezeigten Zelle 2 angeordneten Zelle ist konzentrisch
mit der oberen und unteren Durchgangsbohrung 208 (in der
Darstellung nicht sichtbar) je eine Kontaktierungshülse 212 angeordnet.
Ferner ist auch zwischen dem Stromableiter 10 und dem Stromableiter
der vor der gezeigten Zelle 2 angeordneten Zelle eine Isolierhülse 210 konzentrisch
mit der mittleren Durchgangsbohrung 208 (in der Darstellung
nicht sichtbar) angeordnet.
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Die
Kontaktierungshülsen 212 sind aus einem elektrisch
leitfähigen Material hergestellt und weisen einen durchgehenden
hohlzylindrischen Querschnitt auf. Sie sind in Durchgangsbohrungen entsprechenden
Durchmessers in einem Hal terahmen oder einem Abstandsriegel eingesetzt
und sitzen mit ihren Stirnflächen jeweils auf einem Stromableiter
auf. Der Innendurchmesser der Kontaktierungshülsen 212 ist
größer als der Durchmesser der Zylinderschrauben 22.
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Die
Isolierhülsen 210 sind aus einem elektrisch isolierenden
Material hergestellt. Sie weisen gemäß der Darstellung
in 50 eine hohlzylindrische Grundform mit einer stirnseitigen
Einsenkung 214 und einer Abdrehung (Zapfen) 216 an
der anderen Stirnseite auf. Der Außendurchmesser der Isolierhülsen 210 entspricht
dem Außendurchmesser der Kontaktierungshülsen 212,
und sie sind ebenfalls in Durchgangsbohrungen entsprechenden Durchmessers
in einem Halterahmen oder einem Abstandsriegel eingesetzt. Mit der
Stirnseite, an welcher sich die Einsenkung 214 befindet,
und mit der Stirnseite eines durch die Abdrehung 216 gebildeten Kragens 218 sitzen
die Isolierhülsen 210 jeweils auf einem Stromableiter
auf. Die Abdrehung 216 reicht durch die mittlere Durchgangsbohrung 208 auf
dem Stromableiter 8, 10 hindurch und sitzt in
der Einsenkung 214 einer nächsten Isolierhülse.
Der Außendurchmesser der Abdrehung 216 entspricht
dem Durchmesser der Durchgangsbohrungen 208. Der Innendurchmesser
der Isolierhülse 210 entspricht dem Durchmesser
der Zylinderschrauben 22. Die beiden Druckplatten 18, 20 (hier
nicht dargestellt) des Zellblocks sind mit Durchgangsbohrungen versehen, deren
Durchmesser dem Außendurchmesser der Abdrehungen 216 entspricht.
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Durch
die Isolierhülsen 210 ist eine radiale Zentrierung
der Halterahmen 12, 14, 16 und der Akkumulatorzellen 2 zueinander
und mit den Druckplatten 18, 20 gegeben. (In einem
der Endrahmen ist anstelle der Isolierhülse 210 eine
abgewandelte Isolierhülse mit zwei Zapfen angeordnet; alternativ
sind auf der Seite einer der Druckplatten 18, 20 hohlzylindrische
Innenmanschetten dargestellt, deren Innendurchmesser dem der Isolierhülsen
entspricht, deren Außendurchmesser dem der Einsenkungen 214 entspricht,
und die auf der Seite der einen Druckplatte 18, 20 in
die Einsenkungen 214 der Isolierhülsen 210 eingesetzt
wird). Ferner ist eine Zentrierung aller Bauelemente und eine elektrische
Isolierung gegenüber den beiden mittleren Zylinderschrauben 22 gegeben.
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Über
die Kontaktierungshülsen 212 ist die Verschaltung
der Akkumulatorzellen 2 verwirklicht. Hier handelt es sich
bei abwechselnder Anordnung auf der linken und der rechten Seite
in aufeinanderfolgenden Halterahmen um eine Reihenschaltung. Auf
der jeweils anderen lateralen Seite eines Halterahmens sind die äußeren
Durchgangsbohrungen um die Zylinderschrauben 22 herum freigelassen. Soweit
die vier äußeren Zylinderschrauben 22 nämlich
durch geeignete Mittel (vgl. die Isolierhülse 64 in 13 gegenüber den Druckplatten 18, 20 zentriert und
isoliert sind, ist auch stets ein hinreichender Ringspalt zwischen
den Kontaktierungshülsen 210 und den Zylinderschrauben 22 gegeben.
Zur Erhöhung des Anpressdrucks und als Gegenlager für
den Andruck der Kontaktierungshülsen 212 kann
es aber sinnvoll sein, auch in den Durchgangsbohrungen gegenüber
den Kontaktierungshülsen 212 Isolierhülsen 210 wie
in den mittleren Durchgangsbohrungen anzuordnen.
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In
den bisher beschriebenen Ausführungsformen war stets Wert
darauf gelegt, dass die Zylinderschrauben 22, welche den
Zellblock zusammenhalten, stromlos bzw. potentialfrei sind, während
die Druckplatten die Pole (+) und (–) des Zellblocks bildeten.
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In 51 ist ein Zellblock in einer sechsundzwanzigsten
Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welchem die
Spannschrauben als Anschlusspol verwendet werden.
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51 zeigt einen Zellblock 1e dieser Ausführungsform
in einer geschnittenen Draufsicht. Die Schnittebene liegt dabei
in der Ebene zweier Spannschrauben. Der Zellblock 1e weist
eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 2 auf, die mit wechselnder
Polrichtung angeordnet und mit Hilfe von Zellkontaktierungselementen 218 und
Zellisolationselementen 220 in einer Reihenschaltung verbunden
sind. Durch ein erstes bzw. letztes Zellkontaktierungselement 218 ist
die erste bzw. letzte Zelle mit einer ersten Druckplatte 18 bzw.
einer zweiten Druckplatte 20 elektrisch verbunden. Die
Druckplatten 18, 20 sind aus einem elektrisch
leitfähi gen Material hergestellt und weisen Laschen 52 zum
Anschluss an ein Versorgungsnetz oder zum Verbinden mit weiteren
Zellblöcken auf.
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Die
Anordnung wird durch mehrere Spannschrauben zusammengehalten, die
in dieser Ausführungsform als Ösenschrauben 222 ausgebildet
sind. Als Ösenschraube wird hier eine Sechskantschraube mit
langem Schaft bezeichnet, an deren Kopf eine Öse 226 angebracht
(angeschweißt) ist. Die Ösenschrauben 222 sind
gegenüber der ersten Druckplatte 18 mittels Isolierbuchsen 64 isoliert
und zentriert. Auf der Seite der zweiten Druckplatte 20 sind
die Ösenschrauben 222 mit Hilfe von Muttern 24 festgezogen.
Zwischen den Muttern 24 und der zweiten Druckplatte 20 sind
Kontaktscheiben 224 angeordnet. Die Kontaktscheiben 224 sind
aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, das an den
Verbindungsstellen mit der Fläche der zweiten Druckplatte 20 und
den Muttern 24 einen geringen Übergangswiderstand
aufweist. Es können einfache Stahlschrauben sein, aber
auch Kupfer- oder Messingscheiben, die beim Anziehen zu Fließen
beginnen und so eine gute Verbindung herstellen.
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Auf
diese Weise befinden sich die Ösenschrauben 222 in
elektrischem Kontakt mit der zweiten Druckplatte 20, sind
aber gegenüber der ersten Druckplatte 18 und allen
stromführenden Teilen im Inneren des Zellblocks 1e,
insbesondere gegenüber den Stromableitern der Zellen 2 und
den Zellkontaktierungselementen 218, isoliert. Auf der
Seite der ersten Druckplatte 18 liegt daher die Lasche 52 auf
dem Potential der ersten Druckplatte 18, während
die Ösen 226 der Ösenschrauben 222 auf
dem Potential der zweiten Druckplatte 20 liegen. Es sind
somit beide Pole auf der gleichen Stirnseite des Zellblocks 1e zugänglich.
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Über
die Lasche 52 der zweiten Druckplatte 20 können
weitere Zellblöcke in Reihe oder parallel angeschlossen
werden, wie es bereits beschrieben wurde. Auf diese Weise ist es
möglich, über die Laschen 52 einer ersten
Druckplatte 18 eines ersten Zellblocks und einer zweiten
Druckplatte 20 eines letzten Zellblocks in der Schaltung
eine Gesamtspannung abzunehmen, während über die
Lasche 52 und die Ösen 226 der Ösenschrauben 222 auf
der Seite der ersten Druckplatte 18 des ersten Zellblocks
eine Teilspannung abgenommen werden kann.
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Es
versteht sich, dass nicht alle Spannschrauben auf das Potential
der zweiten Druckplatte 20 gelegt werden müssen.
Es genügt, wenn eine oder zwei der Spannschrauben als Ösenschraube 222 ausgebildet
und mit der zweiten Druckplatte 20 verbunden sind, während
die anderen Spannschrauben in bereits beschriebener Weise gegen
beide Druckplatten 18, 20 isoliert sind.
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Ein
Potentialausgleich auf der Seite der isolierten Schraubenenden wird
erreicht, wenn die Schraubenenden dort verbunden werden, etwa durch
ein Verbindungsblech, das unter den Schraubenköpfen mit
verschraubt wird, oder dergleichen.
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In 52 ist ein Zellblock in einer siebenundzwanzigsten
Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welchem die
Spannschrauben ebenfalls als Anschlusspol verwendet werden.
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52 zeigt einen Zellblock 1f dieser Ausführungsform
in einer geschnittenen Draufsicht. Die Schnittebene liegt dabei
in der Ebene zweier Spannschrauben. Der grundsätzliche
Aufbau des Zellblock 1f entspricht bis auf die Art der
Verschraubung demjenigen des Zellblocks 1e der sechsundzwanzigsten Ausführungsform.
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Die
Spannschrauben sind in dieser Ausführungsform einfache
Zylinderschrauben, die in Innengewinde in der zweiten Druckplatte 20 geschraubt sind
und auf diese Weise einen zuverlässigen elektrischen Kontakt
mit dieser aufweisen. Auf der Kopfseite sind die Zylinderschrauben 22 über
Isolierbuchsen 64 gegenüber der ersten Druckplatte 18 isoliert
und zentriert. Ferner sind Lochwinkel 228 zwischen den Schraubenköpfen
und den Isolierbuchsen 64 mitverschraubt. Die Lochwinkel
sind abgewinkelte Bleche aus elektrisch leitfähigem Material,
die in einem Schenkel eine Durchgangsbohrung zur Aufnahme eines
Schrauben schafts und in dem anderen Schenkel eine Durchgangsbohrung
zur Aufnahme eines Anschlussbolzens (nicht näher dargestellt)
aufweist.
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Auf
diese Weise befinden sich die Ösenschrauben 222 in
elektrischem Kontakt mit der zweiten Druckplatte 20, sind
aber gegenüber der ersten Druckplatte 18 und allen
stromführenden Teilen im Inneren des Zellblocks 1f,
insbesondere gegenüber den Stromableitern der Zellen 2 und
den Zellkontaktierungselementen 218, isoliert. Auf der
Seite der ersten Druckplatte 18 liegt daher die Lasche 52 auf
dem Potential der ersten Druckplatte 18, während
die Lochwinkel 228 auf dem Potential der zweiten Druckplatte 20 liegen.
Es sind somit beide Pole auf der gleichen Stirnseite des Zellblocks 1f zugänglich.
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In
dieser Ausführungsform weist die zweite Druckplatte 20 keine
Lasche auf, um eine möglichst geringe Baulänge
zu verwirklichen. Zur Verschaltung mit weiteren Zellblöcken
können die Druckplatten 18, 20 aber auf
einer oder beiden lateralen Seiten abragende Laschen aufweisen (in 18 ist im Zusammenhang mit der neunten Ausführungsform
jeweils eine seitlich abragende Lasche 52c gezeigt).
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In
einer achtundzwanzigsten Ausführungsform, die in 53 dargestellt ist, sind mehrere Zellblöcke
miteinander in Reihe verbunden. Es sei für die nachstehende
Erläuterung definiert, dass die erste Druckplatte 18 jedes
Zellblocks stets einen Plus-Pol des Zellblocks darstellt und die
zweite Druckplatte 20 jedes Zellblocks stets einen Minus-Pol
des Zellblocks darstellt.
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Ein
erster Zellblock 1g dieser Ausführungsform ist
grundsätzlich so aufgebaut, wie es in 51 oder 52 gezeigt
ist. Bei dieser Ausführungsform werden auf der isolierten
Seite Zylinderschrauben 22 und Lochwinkel 228 wie
in 52 und auf der kontaktierten Seite Muttern 24 und
Kontaktscheiben 224 wie in 51 verwendet.
Es sind also die Schrauben 22 mit dem Minus-Pol des Zellblocks
verbunden, während sie von dem Plus-Pol elektrisch getrennt sind.
Es werde weiter davon ausgegangen, dass nur ein Paar von Schrauben 22,
vorzugsweise das oberste, kontaktierend montiert ist, während
ein anderes Schraubenpaar bzw. andere Schraubenpaare gegenüber
allen Polen isoliert sind.
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Beliebig
viele weitere Zellblöcke 1h sind anders als der
erste Zellblock 1g aufgebaut. Und zwar sind alle Schrauben
gegenüber allen Polen (d. h., allen Druckplatten 18, 20)
des jeweiligen Zellblocks 1h isoliert (also über
Isolierbuchsen 64 verschraubt). Bei einem Schraubenpaar
ist jeweils unter den Schraubenköpfen und unter den Muttern
ein Lochwinkel 228 mit verschraubt, und diese Schrauben
sind zwecks Potentialausgleichs über geeignete Mittel,
hier etwa Potentialausgleichsplatten 230, miteinander verbunden.
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Zur
Verwirklichung einer Reihenschaltung sind, wie es in 8 und 9 beispielhaft
gezeigt ist, Plus-Pole und Minus-Pole der Zellblöcke 1g, 1h, 1h in
Reihe miteinander verbunden. Ferner werden die Lochwinkel auf der
positiven Seite jeweils mit den Lochwinkeln auf der negativen Seite
miteinander verbunden. Auf diese Weise wird das Potential des Minus-Pols
des ersten Zellblocks 1g über Schraubenpaare dieses
und aller weiterer Zellblöcke 1h bis auf die Plus-Seite
des letzten Zellblocks 1h geführt. So liegen auf
der gleichen Stirnseite des letzten Zellblocks 1h sowohl
der Plus-Pol (über die Lasche 52 der ersten Druckplatte 18 dieses
Zellblocks) als auch der Minus-Pol (über die Lochwinkel 228)
der Gesamtanordnung an und können direkt nebeneinander abgegriffen
werden.
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In
einer Abwandlung der achtundzwanzigsten Ausführungsform
können auf analoge Weise auch Zwischenpotentiale als Vielfache
der Klemmenspannung eines Zellblocks abgegriffen werden. So könnte
etwa ein weiteres Schraubenpaar des mittleren Zellblocks 1h mit
der zweiten Druckplatte 20 dieses Zellblocks verbunden
sei und das dort anliegende Potential bis auf die Seite der ersten
Druckplatte 18 des letzten (in der Zeichnung linken) Zellblocks geführt
werden. Ferner könnte das an der zweiten Druckplatte 20 des
letzten (linken) Zellblocks 1h über ein drittes
Schraubenpaar von der zweiten Druckplatte 20 dieses Zellblocks
auf die Seite von dessen erster Druckplatte 18 geführt
werden. Auf diese Weise könnten auf der Seite der ersten
Druckplatte 18 des letzten Zellblocks die Klemmenspannung
des letzten Zellblocks, die addierten Klemmenspannungen des letzten
und vorletzten, und die addierten Klemmenspannungen des ersten bis
letzten Zellblocks abgegriffen werden.
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In
einer weiteren Abwandlung der achtundzwanzigsten Ausführungsform
wird immer nur eine Schraube eines Zellblocks zur Transportierung
eines Potentials verwendet.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass bei den Zellblöcken 1g, 1h der
achtundzwanzigsten Ausführungsform auf einige der Lochwinkel 228 verzichtet werden
könnte. Wenn jedoch alle stromführenden Schrauben
Lochwinkel 228 tragen, trägt dies zu höherer
Modularität und Flexibilität bei der Anschlusslage
bei und vermeidet ein Ummontieren, wenn einmal anders angeschlossen
werden soll, wenn also z. B. die Zellblöcke nicht nebeneinander,
sondern hintereinander angeordnet werden sollen. Zur Schutz können
die nicht verwendeten Lochwinkel Isolierkappen tragen.
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In 54 ist ein Zellblock einer neunundzwanzigsten
Ausführungsform von oben im Schnitt dargestellt.
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Bei
einem Zellblock 1k nach dieser Ausführungsform
verlaufen die Zylinderschrauben 22 oberhalb und unterhalb
der Akkumulatorzellen 2a. Die Zellen 2a weisen
einen als umlaufende Siegelnaht ausgebildeten, dünnen Randbereich 6 auf.
An diesem Randbereich (Siegelnaht) 6 werden die Zellen 2a durch
Rahmenelemente 12, 14, 16 gehalten. Insbesondere
weist die Siegelnaht umlaufend eine im Wesentlichen konstante, wohldefinierte
und bekannte Stärke auf.
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Auf
dem ersten Endrahmen 12 und dem letzten Endrahmen 16 liegt
jeweils ein Druckrahmen 18, 20 auf, der über
die Zylinderschrauben 22 beaufschlagt ist.
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Die
Zwischenrahmen 14 weisen nicht nur an der Ober- und Unterseite
(nicht näher dargestellt) Öffnungen 40,
sondern auch an den lateralen Seiten Öffnungen 231 auf,
die der Durchströmung mit einem Kühlmittel (i.
A. Luft) dienen.
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Die
Zellen 2a können bis auf den dünnen Randbereich
ansonsten wie beim Stand der Technik ausgeführt und kontaktiert
sein (vgl. etwa 60). Sofern die Zellen 2a in
den Randbereich integrierte Stromableiter aufweisen, kann eine innere
Kontaktierung über Kontakthülsen oder dergleichen
erfolgen, wie es im Rahmen dieser Anmeldung beschrieben wurde. Eine
Kontaktierung solcher Stromableiter kann auch von außen über
gegebenenfalls in den Rahmenelementen ausgebildete Ausklinkungen
wie die Ausklinkungen 42 in 1 und
geeignete Kontaktierungsmittel erfolgen.
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Eine
dreißigste Ausführungsform der Erfindung wird
nun unter Bezugnahme auf 55 bis 58 beschrieben.
Dabei ist 55 eine geschnittene Ansicht
eines Zellblocks dieser Ausführungsform von oben, ist 56 ist eine vergrößerte Ansicht
einer Kontaktierungsklammer vom Zellblock aus gesehen, ist 57 eine entlang einer Linie LVII in 56 geschnittene Ansicht der Kontaktierungsklammer
in Pfeilrichtung, und ist 58 eine
entlang einer Linie LVIII in 56 geschnittene
Ansicht der Kontaktierungsklammer in Pfeilrichtung.
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Der
Zellblock 11 nach dieser Ausführungsform ist im
Wesentlichen aufgebaut wie der Zellblock 1k der neunundzwanzigsten
Ausführungsform. Wiederum verlaufen die Zylinderschrauben 22 oberhalb und
unterhalb der Akkumulatorzellen 2b. Die Zellen 2b weisen
eine umlaufende Siegelnaht 50 auf und werden an dieser
Siegelnaht 50 durch Rahmenelemente 12, 14, 16 gehalten.
Auf dem ersten Endrahmen 12 und dem letzten Endrahmen 16 liegt
jeweils ein Druckrahmen 18, 20 auf, der über
die Zylinderschrauben 22 beaufschlagt ist.
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Die
Zellen 2b weisen wie die Zellen 2 seitlich gegenüberliegend
abragende Stromableiter 8, 10 auf, die über
die Kontur der durch die Rahmenelemente 12, 14, 16 und
Druckrahmen 18, 20 definierten Kontur hinausragen.
Insbesondere ragen die Stromableiter 8, 10 der
Zellen 2b seitlich zwischen zwei Rahmenelementen 12, 14, 16 heraus.
Die Zellen 2b sind in üblicher Weise mit wechselsinniger
Polarität in Stapelrichtung gestapelt. D. h., an einer
Seite des Zellblocks 11 ragen abwechselnd Stromableiter 8 einer
ersten Polarität (z. B. Plus) und Stromableiter 10 einer
zweiten Polarität (z. B. Minus) heraus.
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Zur
Verwirklichung einer Reihenschaltung werden nun immer zwei aufeinander
folgende Stromableiter 8, 10 mit Hilfe einer Kontaktierungsklammer 232 verbunden.
Die Kontaktierungsklammern 232 weisen jeweils einen Isolierkörper 233 und
zwei Kontaktfedern 234 auf (von denen im Schnitt nur eine sichtbar
ist). In 55 sind nur drei Kontaktierungsklammern 232 dargestellt;
tatsächlich setzt sich aber die Anordnung der Kontaktierungsklammern 232 über
die gesamte Länge des Zellblocks 11 fort.
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Die
erste und letzte der Zellen 2b sind über eine
Endkontaktierungsklammer 236 mit der erste bzw. zweiten
Druckplatte 18, 20 verbunden (in der Figur ist
nur die Endkontaktierungsklammer 236 für die zweite
Druckplatte 20 dargestellt). Die Endkontaktierungsklammern 236 weisen
jeweils einen Isolierkörper 237 und zwei Kontaktfedern 238 auf
(von denen im Schnitt nur eine sichtbar ist).
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In 56 bis 58 ist
eine der Kontaktierungsklammern 232 in den Einzelheiten
dargestellt. Wie bereits erläutert weist die Kontaktierungsklammer 232 einen
Isolierkörper 233 auf. Der Isolierkörper 233 ist
ein langgestreckter Körper mit U-förmigem Querschnitt,
der an den Stirnseiten geschlossen ist. Die Flanken des U-förmigen
Querschnitts weisen eine größere Materialdicke
als die Grundseite desselben auf. An den Flanken des Isolierkörpers 233 ist außen
jeweils eine Ausklinkung 240 ausgebildet, wobei das Material
stirnseitig belassen ist. In der Grundseite des U-förmigen
Querschnitts ist eine durchgehende Öffnung 242 ausgebildet.
Die Öffnung 242 und zwei aneinandergelegte Ausklinkungen 240 entsprechen
in montierten Zustand den in den Zwischenrahmen 14 ausgebildeten Öffnungen 231.
-
An
den Stirnseiten ist nach der Innenseite hin jeweils ein Vorsprung 244 ausgebildet.
Die Vorsprünge 244 bilden mit dem U-Profil einen
ebenfalls im Querschnitt U-förmigen Aufnahmeschlitz 245.
In dem oberen und unteren Aufnahmeschlitz 245 ist jeweils eine
obere bzw. untere Kontaktfeder 234a, 234b aufgenommen,
die jeweils mittels einer Schraube 246 an dem jeweiligen
Vorsprung 244 gesichert sind. Die Kontaktfedern 234a, 234b weisen
jeweils einen U-förmigen Querschnitt mit geschwungenen
Flanken auf. Die Kontaktfedern 234a, 234b sind
jeweils ein wenig kürzer als die halbe Innenlänge
der U-Profile abzüglich der Länge eines der Vorsprünge 244;
so lassen sich die Kontaktfedern 234a, 234b zur
Herstellung der Kontaktierungsklammer 232 leicht montieren.
Dort, wo die Kontaktfedern 234a, 234b im eingebauten
Zustand die Öffnung 242 im Isolierkörper 233 verdecken,
sind Fenster 239 in die Kontaktfedern 234a, 234b eingearbeitet.
-
Wie
in 55 gezeigt, sind die Kontaktierungsklammern 232 von
außen auf jeweils zwei aufeinanderfolgende Stromableiter 8, 10 aufgesteckt. Dabei
stützen sich die Stromableiter 8, 10 an
den Flanken des U-Profils der Kontaktierungsklammer 232 ab
und drücken die Kontaktfedern 234 zur Mittelebene
der Kontaktierungsklammer 232 hin weg. Dabei bilden die
Vorsprünge 244 oben und unten ein Widerlager.
Hierdurch wird ein sicherer Kontakt hergestellt. (Abstände
in der Zeichnung zwischen Stromableitern 8, 10 und
den Kontaktfedern 234 einerseits und/oder den Flanken der
Profile der Isolierkörper 233 andererseits dienen
nur der deutlichen Darstellung.)
-
Die
Endkontaktierungsklammern 236 unterscheiden sich von den
Kontaktierungsklammern 232 darin, dass die Form ihres Isolierkörpers 237 in
etwa einem in der Länge halbierten Isolierkörper 233 einer Kontaktierungsklammer 232 entspricht.
Die Kontaktfedern 238 ragen also über den Isolierkörper 237 hinaus
und sind einseitig so verlängert und in der Breite so ausgelegt,
dass sie einen sicheren federnden Kontakt mit der jeweiligen Druckplatte 18, 20 herstellen.
-
Die
Kontaktfedern 238 können auch mit Klemmschrauben
an den Druckplatten 18, 20 angeklemmt sein.
-
In
einer Abwandlung dieser Ausführungsform könnten
Kontaktierungsklammer vorgesehen sein, die eine Mehrzahl von Kontaktabschnitten
miteinander verbinden, um eine Parallelschaltung zu verwirklichen.
Diese Kontaktierungsklammern, d. h., deren U-Profile sind entsprechend
breiter, und es sind jeweils so viele Paare von Vorsprüngen 244 (und gegebenenfalls Öffnungen 242)
ausgebildet, wie Verbindungen zwischen Zellen 2b herzustellen
sind. In jedem durch die Vorsprünge 244 ausgebildeten
Aufnahmeschlitz 245 ist eine Kontaktfeder aufgenommen und
gesichert. D. h., die Kontaktierungsklammern werden jeweils so auf
die Stromableiter 8, 10 aufgesetzt, dass diese
von Schenkeln zweier nebeneinander angeordneter Kontaktfedern 234 paarweise umfasst
werden. Zur Verwirklichung der beispielhaften Schaltung von 7 sind
z. B. zwei Kontaktierungsklammern mit je fünf Kontaktfederpaaren 234 und
zwei Endkontaktierungsklammern mit je einem zur Hälfte
frei liegenden Kontaktfederpaar 238 zur Kontaktierung mit
einer Druckplatte 18, 20 und zwei Kontaktfederpaaren 234 zur
Kontaktierung zwischen Zellen vorgesehen.
-
In 59 ist ein Zellblock einer einunddreißigsten
Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Draufsicht
gezeigt.
-
Ein
Zellblock 1p dieser Ausführungsform weist eine
Mehrzahl von Akkumulatorzellen (nicht sichtbar), die zwischen Rahmenelementen
gehalten und über Kontaktierungselemente in geeigneter
Weise verschaltet sind, wie es in dieser Anmeldung beschrieben wurde.
Im Unterschied zu vorherigen Ausführungsformen sind hier
keine Zugschrauben vorhanden. Vielmehr wird der gesamte Stapel von
einer Manschette zusammengehalten, die aus zwei Halbmanschetten 248 gebildet
wird. Die Halbmanschetten sind jeweils U-förmig gebogene
Bleche oder in sonstiger Weise in U-Form gebrachte Flachkörper mit
rechtwinklig nach außen abragenden Flanschabschnitten 250.
In den Flanschabschnitten 250 der beiden Halbmanschetten 248 sind
gegenüberliegend fluchtende Durchgangsbohrungen 252 ausgebildet. Mit
den Durchgangsbohrungen 252 sind die Halbmanschetten 248 miteinander
verschraubt (nicht näher dargestellt). Die Flanschabschnitte
der beiden Halbmanschetten 248 weisen im fest verschraubten Zustand
einen vorgegebenen Mindestabstand voneinander auf. Dadurch ist gewährleistet,
dass der Zellstapel durch den Druck der Manschette fest verspannt
wird.
-
Es
versteht sich, dass bei dieser Ausführungsform keine Kontaktierungs-
oder Isolationselemente verwendet werden können, die irgendwelcher Schrauben
als Halterung oder Zentrierung bedürfen. In den vorherigen
Ausführungsformen etwa als Hülsen beschriebene
Kontaktverbindungselemente können als Vollkörper
ausgeführt sein und somit eine größere
Kontaktfläche aufweisen. Isolationsprobleme mit langen,
den ganzen Stapel durchlaufenden Zylinderschrauben können
nicht auftreten.
-
Die
Halbmanschetten 248 sind gegenüber Druckplatten
isoliert, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Die Halbmanschetten 248,
insbesondere die Übergänge zu den Flanschabschnitten 250,
sind ferner ausreichend steif ausgebildet, um dem Zug der Verbindungsmittel
zu widerstehen.
-
In
einer Abwandlung dieser Ausführungsform bilden die Halbmanschetten 248 selbst
die Pole. D. h., die erste und letzte Zelle sind jeweils direkt
mit einem der Halbmanschetten 248 kontaktiert. Zur Vermeidung
eines Kurzschlusses sind die Verschraubungselemente an den Flanschabschnitten
auf geeignete Weise isoliert; die Rahmenelemente bestehen ohnehin
aus einem elektrisch isolierenden Material. Separate Druckplatten
entfallen. Zum Anschluss an ein Versorgungsnetz oder mit weiteren
Zellblöcken 1p können die Flanschabschnitte 250 oder
die Stirnseiten der Halbmanschetten 248 ihrerseits Laschen
aufweisen.
-
Vorstehend
wurde die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben. Es versteht sich, dass die konkreten Ausführungsformen die
beanspruchte Erfindung zwar illustrieren und exemplifizieren, aber
nicht einschränken. Es versteht sich auch, dass die Merkmale
verschiedener Ausführungsfor men kombiniert und/oder ausgetauscht
werden können, um die jeweiligen Vorteile auszunutzen.
-
In
den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden Elektroenergie-Speichervorrichtungen
vom Typ eines Lithium-Ionen-Sekundärspeichers (Akkumulators)
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auf jeden Typ Form von Elektroenergie-Speichervorrichtungen
anwendbar. Sie kann auf Primärspeicher (Batterien) wie
auf Sekundärspeicher angewendet werden. Ebenso ist die
Art der elektrochemischen Reaktion zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie
nicht auf Lithium-Metalloxidreaktionen beschränkt, sondern
können die einzelnen Speicherzellen auf jeder elektrochemischen
Reaktion beruhen.
-
Vorstehend
wurden einige Ausführungsformen beschrieben, bei denen
vier oder sechs Zylinderschrauben als Spannelemente verwendet werden.
Es ist jedoch dort, wo sechs Zylinderschrauben beschrieben wurden,
auch möglich, vier Zylinderschrauben zu verwenden, und
meist auch umgekehrt.
-
Mit
den Zylinderschrauben können zur Kompensation der thermischen
Ausdehnung anstelle der Scheiben 25 oder zusätzlich
dazu Tellerfedern oder Tellerfederpakete eingesetzt werden.
-
Das
in den Ausführungsformen beschriebene Kühlfluid
kann Luft, Wasser (insbesondere deionisiertes Wasser), Öl
oder ein anderer geeigneter Wärmeträger sein.
Es kann in einem geeignet ausgebildeten und ausgelegten Kühlkreislauf
strömen und zur Temperierung der Zellblöcke bzw.
der einzelnen Zellen verwendet werden. Es ist denkbar, einen Phasenübergang,
etwa eine Verdampfung, des Wärmeträgermediums
auszunutzen. Alternativ können Feststoffe wie etwa Metallplatten
als Wärmeträger eingesetzt werden.
-
Nachstehend
sind noch einmal einige wesentlichen Merkmale der Erfindung zusammengefasst.
Dies dient der Übersicht.
-
Eine
Elektroenergie-Speichervorrichtung weist eine Mehrzahl von Speicherzellen
flacher Form auf, wobei mehrere Speicherzellen in einer Stapelrichtung
zu einem Zellblock gestapelt sind und durch eine Spannvorrichtung
zwischen zwei Andruckplatten zusammengehalten werden, und wobei
die Speicherzellen innerhalb des Zellblocks parallel und/oder in
Reihe miteinander verschaltet sind. Jede Speicherzelle wird in ihrem
Randbereich zwischen zwei Rahmenelementen gehalten.
-
Nach
einem anderen Gesichtspunkt weist jede Speicherzelle in ihrem Randbereich
Stromableiter auf und erfolgt eine elektrische Kontaktierung zwischen
Stromableitern aufeinanderfolgender Speicherzellen mittels Kraftschluss über
die Spannvorrichtung. Bei diesem Gesichtspunkt können die
Rahmenelemente durch Stützelemente ersetzt sein, die aber
höhere Festigkeit besitzen.
-
Die
Rahmenelemente sind aus elektrisch isolierendem Material wie etwa
Kunststoff hergestellt, und in diese sind elektrische Kontaktelemente
zur Verschaltung der Zellen integriert. (Alle Merkmale gelten analog
für Stützelemente, die zur höheren Festigkeit
z. B. aus Keramik oder Glas hergestellt sind.)
-
Die
Spannelemente (wie Zuganker etc.) werden gleichzeitig zur mechanischen
und zur elektrischen Verbindung eines Zellblocks aus Pouchzellen und
Rahmen verwendet.
-
Ableiter,
die daran anschließenden Kontaktelemente und/oder die daran
anschließenden Isolations- oder Halteelemente (d. h. auch
die Rahmen selbst) sind mit einer geometrischen Codierung versehen,
die eine Verpolung der Zellen ausschließt.
-
An
den Ableitern sind Kühlkörper befestigt, welche
die Wärmeübergangsfläche zum Kühlfluid vergrößern.
-
Die
Zelle ist seitlich (radial) durch den Rahmenelemente ausgerichtet
und fixiert. Die Rahmen und/oder Zellen können optional
zusätzlich mit Schaum etc. beschichtet sein.
-
Die
Toträume, die dadurch entstehen, dass die Ableiter nicht
die gesamte Länge einer Seitenkante der rechteckigen Zelle
benötigen, werden für die bauraumneutrale Anordnung
von Befestigungselementen verwendet. Diese greifen in der Regel
in Aussparungen oder Ausklinkungen der Verpackung der Zelle.
-
Die
Rahmenelemente sind so ausgeführt, dass diese bei Aneinanderreihung
einen oder mehrere wenigstens teilweise geschlossene (Kabel)-kanäle bilden.
-
Die
Zellblöcke innerhalb einer oder verschiedenen Batterien
sind jeweils aus Standardelementen (Rahmen, Endplatten, Kontaktelementen,
...) aufgebaut, deren Anzahl abhängig ist von den Eigenschaften
(Spannung, Kapazität) der zu verbauenden Zellen.
-
Die
mit den Einzelzellen direkt elektrisch verbundene Elektronik (Zellspannungs-
und Temperaturüberwachung, Balancing, ...) ist zellblockfest
angeordnet.
-
Die
Zellblöcke sind an ihren elektrischen Polen im Gehäuse
befestigt, bzw. untereinander elektrisch verbunden.
-
- 1
- Zellblock
- 1a,
b, c, d, e, f, g, h, k, l, p
- Zellblock
(bestimmte Ausführungsformen)
- 2
- Akkumulatorzelle
- 2a,
b, c
- Akkumulatorzelle
(bestimmte Ausführungsformen)
- 4
- aktiver
Teil
- 6
- Randbereich
(Siegelnaht)
- 8,
10
- Stromableiter
- 12,
16
- Endrahmen
- 14
- Zwischenrahmen
- 18,
20
- Druckplatte
- 22
- Zylinderschraube
- 24
- Mutter
- 26
- Isolierscheibe
- 28
- kleines
Durchgangsbohrung in 12–16
- 29
- großes
Durchgangsbohrung in 12–16
- 30
- Durchgangsbohrung
in 8, 10
- 32
- Kontakthülse
- 34
- Passbohrung
in 12–16
- 34a,
b
- Passbohrung
in 14
- 36
- Passbohrung
in 8, 10
- 38
- Zentrierstift
- 40
- Schlitz
in 14
- 42
- Ausklinkung
in 12–16
- 44
- Öffnung
- 46
- Verstrebung
- 48
- Abschrägung
- 50
- Falz
von 6
- 52
- Lasche
- 52a,
b
- Laschen
(dritte Ausführungsform)
- 52c
- Lasche
(neunte Ausführungsform)
- 54
- Bohrung
in 52
- 56
- Luftspalt
- 58
- Verbindungsschraube
- 60
- Verbindungsblech
- 62
- Steuergerät
- 64
- Isolierbuchse
- 66
- Signalkabel
- 68
- Kanal
- 70
- Zugangsöffnung
- 72
- zweites
Steuergerät
- 74
- Einkerbung
in 14, 16
- 76,
78
- Anschlusselement
- 80
- Bohrung
für Innenleitung
- 82
- Einsenkung
- 84
- Fase
- 86
- Druckfläche
- 88
- Verbindungsmutter
- 90
- Distanzhülse
- 92
- Verdickung
- 94
- elastisches
Kissen
- 96
- Kontaktleiste
- 98
- Durchgangsbohrung
in 96
- 100
- Druckfläche
an 96
- 102
- Ausklinkung
- 104
- Rippe
- 106
- Bucht
- 108
- Steg
- 110
- Passfläche
- 112
- Freischnitt
- 114
- Kontaktierungsriegel Plus-auf-Plus
- 116
- Isolierhülse
- 118
- Kodierstift
- 120a,
b
- Kodierbohrung
in 8, 10
- 121
- Durchgangsbohrung
in 8, 10
- 122
- Kontaktierungsriegel
Minus-auf-Minus
- 124
- Isolationsriegel
- 126
- Halbriegel
Plus
- 128
- Grundplatte
Plus
- 129
- Durchgangsbohrung
in 128, 136
- 130
- Passbohrung
- 131a
- Sackbohrung
in 128, 150
- 131b
- Sackbohrung
in 128, 150
- 132
- Pass-Stift
- 134
- Halbriegel
Minus
- 136
- Grundplatte
Minus
- 137
- Platte
- 138
- Durchgangsbohrung
in 124
- 140
- Kodierbohrung
in 124
- 142
- Ausnehmung
- 144
- Freifläche
- 146a
- Kodierbohrung
in 128, 150
- 146b
- Kodierbohrung
in 136, 150
- 148
- Isolations-
und Zentrierriegel
- 150
- Grundkörper
- 152
- Erhebung
- 154
- Durchgangsbohrung
in 150
- 156
- Einsenkung
- 158
- Abstandshalbplatte-Plus
- 160
- Abstandshalbplatte-Minus
- 162
- Durchgangsbohrung
- 164
- Kontakthülse
- 166
- Hohlzylinder
- 168
- Einsenkung
- 170
- Doppelzapfenmanschette
- 172
- Hohlzylinder
- 174
- Abdrehung
- 176
- Innenmanschette
- 178
- Einzapfenmanschette
- 180
- Hohlzylinder
- 182
- Isolierhülse
- 184
- Hohlzylinder
- 186
- Totbereich
- 188
- Durchgangsbohrung
- 190
- Ausklinkung
- 192
- Distanzstück
- 194
- Ausklinkung
- 196a,
b
- Distanzstück
- 198
- Zapfen
- 199
- Gegenbohrung
- 200
- Prägung
- 202
- Distanzstück
- 204,
206
- Reliefstruktur
- 208
- Durchgangsbohrung
- 210
- Isolierhülse
- 212
- Kontaktierungshülse
- 214
- Einsenkung
- 216
- Abdrehung
(Zapfen)
- 218
- Zellkontaktierungselement
- 220
- Zellisolationselement
- 222
- Ösenschraube
- 224
- Kontaktscheibe
- 226
- Öse
- 228
- Lochwinkel
- 230
- Durchgangsbohrung
- 231
- laterale Öffnung
- 232
- Kontaktierungsklammer
- 233
- Isolierkörper
- 234
- Kontaktfeder
- 236
- Endkontaktierungsklammer
- 237
- Isolierkörper
- 238
- Kontaktfeder
- 239
- Fenster
- 240
- Ausklinkung
- 242
- Öffnung
- 244
- Vorsprung
- 245
- Aufnahmeschlitz
- 246
- Schraube
- 248
- Halbmanschette
- 250
- Spannlasche
- 252
- Durchgangsbohrung
- m
- Anzahl
der Zwischenrahmen 14 in einem Zellblock
- n
- Anzahl
der Zellen 2 in einem Zellblock
- t
- Falzdicke
- x1,
x2
- Abstand
der Passbohrungen 34a, 34b, der Kodierbohrungen 120a, 120b, 140 und
Kodierstifte 118
- H
- Rückseite
(hintere Seite)
- L
- linke
laterale Seite
- R
- rechte
laterale Seite
- S
- Stapelrichtung
- V
- Vorderseite
-
Es
wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehende
Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008/128764
A1 [0005]
- - WO 2008/128769 A1 [0005]
- - WO 2008/128770 A1 [0005]
- - WO 2008/128771 A1 [0005]
- - JP 07-282841 A [0006]