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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen und ein Verfahren zum Herstellen dieses Batteriegehäuses.
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Ein Batteriegehäuse im Sinne der Erfindung umgibt, im Wesentlichen mit starren Wandungen, wenigstens zwei elektrochemische Energiespeicherzellen. Ein solches Batteriegehäuse weist vorzugsweise eine Vielzahl von Zellenfächern aber wenigstens ein Zellenfach auf, wobei in einem Zellenfach eine oder mehrere elektrochemische Energiespeicherzellen angeordnet sind. Das Batteriegehäuse ist dazu vorgesehen, äußere Beanspruchungen, wie z. B. eine Krafteinwirkung, von den elektrochemischen Energiespeicherzellen fernzuhalten und den Temperaturhaushalt zu beeinflussen.
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Bisher eingesetzte Batteriegehäuse beeinflussen den Temperaturhaushalt der Energiespeicherzellen durch eine relativ komplexe, räumliche Anordnungen dieser, wie z. B.
DE 10 2008 014 155 A1 . Diese Art der Anordnung kann durch zum Teil aufwändige Gehäuseelemente wie z. B.
DE 10 2007 063 269 A1 erreicht werden. Komplexe Gehäuse sind schwierig herzustellende mechanische Bauteile. Ein Aspekt der vorgestellten Erfindung ist es daher, ein einfach zu fertigendes Batteriegehäuse für elektrochemische Energiespeicherzellen zur Verfügung zustellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Batteriegehäuse zur Verfügung zustellen, welches der Erhöhung der Betriebssicherheit von elektrochemischen Energiespeicherzellen dient.
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Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Batteriegehäuse weist mindestens ein Zellenfachelement, vorzugsweise eine Vielzahl von Zellenfachelementen auf. Vorzugsweise begrenzt ein Zellenfachelement ein Zellenfach wenigstens teilweise, besonders bevorzugt begrenzen zwei Zellenfachelemente ein Zellenfach wenigstens teilweise. Vorzugsweise ist ein Zellenfach dazu vorgesehen, eine, vorzugsweise mehrere und besonders bevorzugt zwei elektrochemische Energiespeicherzellen aufzunehmen. Vorzugsweise ist zwischen zwei elektrochemischen Energiespeicherzellen ein elastisches Ausgleichselement angeordnet. Vorzugsweise weist das Batteriegehäuse zur Aufnahme der elektrochemischen Energiespeicherzellen wenigstens ein, besonders bevorzugt eine Vielzahl von Zellenfächern auf. Vorzugsweise begrenzt ein Zellenfachelement und ein Deckelelement, vorzugsweise mehrere Zellenfachelemente und zwei Deckelelemente wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Zellenfächer. Vorzugsweise ist ein Deckelelement und ein Zellenfachelement miteinander verbindbar.
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Vorzugsweise weist ein Deckelelement einen Befestigungsbolzen auf. Vorzugsweise weist ein Deckelelement eine Bohrung für einen Befestigungsbolzen auf.
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Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist wenigstens einen Elektrodenstapel, einen Stromableiter und eine Umhüllung auf. Eine elektrochemische Energiespeicherzelle ist dazu vorgesehen, elektrische Energie in chemische Energie umzuwandeln und zu speichern. Umgekehrt kann die elektrochemische Energiespeicherzelle die chemisch gespeicherte Energie wieder in elektrische Energie umwandeln und abgeben. Vorzugsweise ist eine solche elektrochemische Energiespeicherzelle als Lithium-Ionen Akku ausgeführt.
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Unter einem Zellenfachelement ist ein dünnwandiges Formteil zu verstehen, welches im Wesentlichen ein Zellenfach, wenigstens teilweise begrenzt. Vorzugsweise ist ein Zellenfachelement ein wenigstens bereichsweise rohrförmiger Körper mit einem vorzugsweise rechteckigem Querschnitt. Vorzugsweise bilden zwei Zellenfachelemente einen rohrförmigen Körper vorzugsweise mit einem wenigstens bereichsweise rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise weist ein wenigsten bereichsweise rohrförmige Körper an seinen Stirnseiten zwei Randöffnungen auf. Ein Zellenfachelement bildet wenigstens mit einem Abschnitt seiner Wandung wenigstens einen Abschnitt der Außenfläche des Batteriegehäuses, vorzugsweise einen Abschnitt der Seitenwand des Batteriegehäuses. Vorzugsweise besteht zwischen einem Zellenfachelement und wenigstens einer elektrochemischen Energiespeicherzelle eine temperaturleitende Verbindung.
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Unter einer Seitenwand des Batteriegehäuses ist die seitliche Begrenzung des Batteriegehäuses aufzufassen. Diese Seitenwand grenzt bereichsweise den Inhalt des Batteriegehäuses von der das Batteriegehäuse umgebenden Umwelt ab. Diese Seitenwand wird insbesondere von einem oder mehreren Zellenfachelementen gebildet.
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Unter einem erfindungsgemäßen Deckelelement ist ein Bauteil oder eine Einrichtung zu verstehen, welche dazu vorgesehen ist, eine Randöffnung zu verschließen. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der Zellenfachelemente weist ein Zellenfach vorzugsweise eine oder bevorzugt zwei Randöffnungen auf, vorzugsweise werden zwei Randöffnungen von zwei Deckelelementen verschlossen. Vorzugsweise weist eine Deckelelement Kunststoff als einen Bestandteil auf. Vorzugsweise grenzt ein Deckelelement den Inhalt des Batteriegehäuses wenigstens bereichsweise gegenüber der das Batteriegehäuse umgebenden Umwelt ab. Vorzugsweise weist ein Deckelelement einen Befestigungsbolzen auf. Vorzugsweise weist ein Deckelelement eine Bohrung für einen Befestigungsbolzen auf. Vorzugsweise weist die Bohrung für den Befestigungsbolzen ein Gewinde auf. Insbesondere ist ein Deckelelement dazu vorgesehen, gezielt einen Temperiermediumsstrom zu den Zellenfachelementen hin- oder von diesen abzuleiten. Vorzugsweise weist ein Deckelelement zum Leiten des Temperiermediums Hohlräume auf. Diese Hohlräume sind insbesondere so gestaltet, dass die Zellenfachelemente nicht nur von einem Temperiermediumsstrom durchströmt werden können, sondern dass die Zellenfachelemente insbesondere von zwei oder mehreren Temperiermediumsströmen durchströmt werden können. Vorzugsweise können die Zellenfachelemente durch eine vorbestimmte Gestaltung dieser Hohlräume in beliebiger Reihenfolge durchströmt werden. Vorzugsweise können diese Hohlräume so gestaltet sein, dass wenigstens zwei oder vorzugsweise alle Zellenfachelemente parallel vom Temperiermedium durchströmt werden. In ein Deckelelement können insbesondere Einrichtungen eingesetzt sein, welche dazu vorgesehen sind, den Temperiermediumsstrom aktiv zu leiten.
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Unter dem aktiven Leiten des Temperiermediumstroms ist zu verstehen, dass insbesondere in Abhängigkeit von externen Steuerbefehlen oder in Abhängigkeit der Temperiermediums-Temperatur vorbestimmte Hohlräume des Deckelelements geöffnet oder verschlossen werden. Zum Leiten des Temperiermediumsstroms sind insbesondere Thermostate oder Ventile vorgesehen.
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Vorzugsweise weist ein Deckelelement wenigstens einen, bevorzugt zwei bis vier oder mehr, Befestigungsbolzen und/oder Bohrungen für je einen Befestigungsbolzen auf. Unter einem derartigen Befestigungsbolzen ist ein Bauteil zu verstehen, welches form-, kraft- oder stoffschlüssig mit dem Deckelelement verbunden ist. Ein Befestigungsbolzen ist insbesondere dazu vorgesehen Kräfte auf das Deckelelement zu übertragen beziehungsweise von diesem abzuleiten. Vorzugsweise dient ein derartiger Befestigungsbolzen zur Kraftübertragung zwischen dem Deckelelement und einem Fundament oder einem anderen Bauteil. Vorzugsweise dient ein derartiger Befestigungsbolzen zur sicheren Verbindung bzw. Befestigung des Deckelelements an einem Fundament oder an einem anderen Bauteil. Ersatzweise dient eine Bohrung für einen Befestigungsbolzen welche am Deckelelement angeordnete ist, dem selben Zwecken. In diesem Fall ist der zugehörige Befestigungsbolzen an einem Fundament oder an einem anderen Bauteil angebracht. Dabei nimmt eine derartige Bohrung den zugehörigen Befestigungsbolzen zumindest abschnittsweise in sich auf. Vorzugsweise weist eine Befestigungsbohrung ein Gewinde auf, bevorzugt weist eine Befestigungsbohrung ein Gewinde auf, nach dem diese den Befestigungsbolzen aufgenommen hat. Durch die besonders sichere Befestigung des Deckelelements durch einen Befestigungsbolzen oder durch eine Bohrung für einen Befestigungsbolzen wird vorzugsweise das Batteriegehäuses sicher befestigt und damit dessen Betriebssicherheit erhöht.
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Unter einer Zwischenwand ist eine innerhalb des Batteriegehäuses verlaufende Wandung zu verstehen, welche Hohlräume und/oder Ausnehmungen aufweisen kann. Diese Wandung begrenzt vorzugsweise die Zellenfächer wenigstens bereichsweise und ist insbesondere ein Teil des Zellenfachelements.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einem Verbindungselement ein Bauteil zu verstehen, welches dazu vorgesehen ist, eine formschlüssige Verbindung zwischen einem Deckelelement und wenigstens einem Zellenfachelement herzustellen.
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Eine Rastverbindung ist erfindungsgemäß eine formschlüssige Verbindung, welche vorzugsweise ohne weitere Bauteile eine Verbindung zwischen einem Deckelelement und wenigstens einem Zellenfachelement herstellt.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einem Verbindungsbereich ein bestimmter Abschnitt eines Zellenfachelementes zu verstehen. In diesem Verbindungsbereich kontaktiert insbesondere ein erstes Zellenfachelement ein zweites Zellenfachelement.
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Erfindungsgemäß ist unter einem Temperiermedium ein gasförmiges oder flüssiges Fluid zu verstehen. Das Temperiermedium ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Batteriegehäuse einen Energiestrom zuzuführen oder von diesem abzuführen.
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Unter Durchströmungskanälen sind im Sinne der Erfindung Hohlräume im Batteriegehäuse aufzufassen. Diese Hohlräume werden planmäßig vom Temperiermedium durchströmt und können sich sowohl in einem oder in mehreren Deckelelementen und in einem oder in mehreren Zellenfachelementen befinden.
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Insbesondere sind die Zellenfachelemente aus einem metallischen Werkstoff hergestellt oder bevorzugt aus einem Faserverbund Werkstoff. Insbesondere ist dies ein Werkstoff mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, vorzugsweise mit einer thermischen Leitfähigkeit bei 20°C von λ20° = 40 bis 1000 W/(K·m), bevorzugt 100 bis 400 W/(K·m) und besonders bevorzugt ca. 220 W/(K·m). Vorzugsweise weist dieser Werkstoff als einen wesentlichen Bestandteil Aluminium auf, weitere Bestandteile können insbesondere Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium, Nickel, Zink und Beryllium sein.
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Bei einem Faserverbundwerkstoff wird die thermische Leitfähigkeit insbesondere durch einen hohen Anteil an wärmeleitfähigen Fasern erreicht, welche insbesondere aus einem Werkstoff mit den zuvor genannten Wärmeleiteigenschaften bestehen. Insbesondere weist ein Faserverbundwerkstoff einen Faseranteil von 30 bis 95 Volumen-%, vorzugsweise von 40 bis 80 Volumen-% und besonders bevorzugt mit 50 bis 65 Volumen-% auf.
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Insbesondere sind die Zellenfachelemente aus einem Hybridwerkstoff gefertigt. Unter einen Hybridwerkstoff ist im Sinne der Erfindung ein Werkstoff zu verstehen, der bereichsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Faserverstärkten Kunststoff und bereichsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. In denjenigen Bereichen in denen der Hybridwerkstoff aus Metall besteht, besitzt er insbesondere gute Wärmeleiteigenschaften, in denjenigen Bereichen in den dieser Werkstoff aus faserverstärktem Kunststoff besteht, besitzt er insbesondere gut Wärme-Isolationseigenschaften. Insbesondere zeichnet sich diese Wärme-Isolationseigenschaft durch eine Wärmeleitfähigkeit kleiner als 0,5 W/(K·m), bevorzugt kleiner als 0,2 W/(K·m) und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 W/(K·m), jeweils bei 20°C, aus.
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Durch die günstigen Wärmeleiteigenschaften und im Fall eines Hybridwerkstoffs auch die guten Isolationseigenschaften des Batteriegehäuses lässt sich der Temperaturhaushalt der Energiespeicherzellen beeinflussen. Insbesondere wird die Wärme an die das Batteriegehäuse umgebende Umwelt abgegeben aber gleichzeitig verhindert, dass unkontrolliert Wärme von einem Zellenfach auf ein anderes übertragen wird; somit wird die Betriebssicherheit erhöht.
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Insbesondere sind die Zellenfachelemente als ein dünnwandiges, umformend hergestelltes Formteil aufzufassen. Vorzugsweise besteht dieses Formteil aus einem, in umformenden Fertigungsverfahren, wie z. B. Abkanten, Tiefziehen, Pressen oder Stanzen, bearbeitetem Blech. Dieses Blech weist insbesondere eine Wandstärke von 0,3 mm–2,2 mm, vorzugsweise von 0,8 mm–1,2 mm, bevorzugt von 1,0 mm auf. Insbesondere ergibt sich durch eine geeignete Wahl der Wandstärke ein günstiges Gewichts-/Steifigkeitsverhältnis (Leichtbau) des Batteriegehäuses, somit werden äußere Beanspruchungen von den elektrochemischen Energiespeicherzellen ferngehalten und damit die Betriebssicherheit erhöht.
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Insbesondere sind die Zellenfachelemente als ein dünnwandiges, urformend hergestelltes Formteil aufzufassen. Urformende Fertigungsverfahren sind insbesondere das Stranggießen oder das Strangpressen. Vorzugsweise weist ein solches urformend hergestelltes Zellenfachelement wenigstens abschnittsweise eine Wandstärke von 1,0 mm–3,0 mm, bevorzugt von 1,8 mm–2,5 mm und besonders bevorzugt von 2,2 mm auf. Durch eine geeignete Formgebung und Werkstoffwahl wird insbesondere die Temperaturleitung der Zellenfachelemente verbessert und dadurch die Betriebssicherheit der elektrochemischen Energiespeicherzellen erhöht.
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Insbesondere sind Zellenfachelemente aus einem metallischen Werkstoff in den Kontaktbereichen zu andern Zellenfachelementen mit einer Wärmeisolationsschicht, wie z. B. Mikrotherm, versehen. Insbesondere ist diese Wärmeisolationsschicht aufgedampft oder lackiert. Insbesondere weist die Wärmeisolationsschicht eine helle Farbe, diese ist vorzugsweise weiß, besonders bevorzugt ist die Wärmeisolationsschicht spiegelnd oder reflektierend ausgeführt. Somit wird insbesondere die Wärmeleitung von einem Zellenfachelement zum anderen erschwert und damit die Betriebssicherheit erhöht.
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Vorzugsweise sind die Zellenfachelemente als ein dünnwandiges Formteil, welches aus einem Hybridwerkstoff hergestellt ist aufzufassen. Dabei wird das Zellenfachelement vorzugsweise an den Stellen, an denen es ein weiteres Zellenfachelement kontaktiert aus Kunststoff ausgeführt. In anderen Bereichen ist dieses Zellenfachelement insbesondere aus einem metallischen Werkstoff ausgeführt. Durch diese Gestaltung der Zellenfachelemente wird vorzugsweise der Wärmedurchtritt von einem Zellenfach zum anderen und damit die gegenseitige Aufheizung der elektrochemischen Energiespeicherzellen erschwert und andererseits die Wärmeabgabe an die das Batteriegehäuse umgebende Umwelt begünstigt. Vorzugsweise ist dieser Kunststoffbereich des Zellenfachelementes wenigstens bereichsweise, insbesondere in dem der elektrochemischen Energiespeicherzelle zugewandten Bereich, mit einer Wärmeleitschicht, z. B. einer wärmeleitenden Folie, überzogen. Vorzugsweise ist dieser Kunststoffbereich mit einer Wärmereflektierenden-Schicht bedampft. Diese Wärmereflektierende-Schicht ist insbesondere weiß oder spiegelnd. Diese Wärmeleitschicht weist insbesondere mit dem metallischen Bereich des Zellenfachelementes eine temperaturleitende Verbindung auf. Durch diese Wärmeleitschicht wird insbesondere ein Temperaturstrom von der elektrochemischen Energiespeicherzelle abgeführt und zum metallischen Bereich des Zellenfachelementes geleitet. Durch eine geeignete Formgebung und Werkstoffwahl wird die Temperaturleitung der Zellenfachelemente verbessert und dadurch die Betriebssicherheit der elektrochemischen Energiespeicherzellen erhöht.
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Ein Zellenfachelement weist vorzugsweise einen Verbindungsbereich auf, welcher dazu vorgesehen ist, eine formschlüssige Verbindung mit einem Deckelelement herzustellen. Vorzugsweise besteht eine solche formschlüssige Verbindung zwischen einem Deckelelement und mehreren Zellenfachelementen, bevorzugt zwischen einem Deckelelement und allen Zellenfachelementen. Durch die gewählte Art der Verbindung zwischen Deckel- und Zellenfachelementen wird der Zellenfachinhalt vor äußeren, insbesondere vor mechanischen, Einflüssen geschützt und somit die Betriebssicherheit erhöht.
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Vorzugsweise ist zum Herstellen dieser formschlüssigen Verbindung ein zusätzliches Verbindungselement vorgesehen. Bevorzugt ist ein solches Verbindungselement ein im Wesentlichen langgestrecktes Bauteil. Dieses Verbindungselement wird vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Batteriegehäuse verbunden, bevorzugt wird das Verbindungselement wenigstens bereichsweise mit dem Batteriegehäuse verklebt. Vorzugsweise entsteht so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement, dem Deckelelement und/oder dem Zellenfachelement. Durch die besonders beanspruchbare Ausgestaltung dieses Verbindungsbereichs, wird die Betriebssicherheit erhöht.
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Vorzugsweise wird die formschlüssige Verbindung zwischen einem Deckelelement und einem Zellenfachelement ohne zusätzliche Verbindungselemente hergestellt. Eine solche Rastverbindung verbindet vorzugsweise ein Deckelelement mit einem oder bevorzugt mit allen Zellenfachelementen. Eine solche Rastverbindung ist vorzugsweise eine kraftschlüssige oder besonders bevorzugt formschlüssige Verbindung. Die besonders einfache Gestaltung dieses Deckelelementverbindungsbereichs beinhaltet nur wenige Fehlerquellen bei der Montage und Fertigung, somit wird die Sicherheit des Batteriegehäuses erhöht.
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Vorzugsweise weisen zwei benachbarte Zellenfachelemente einen gemeinsamen Verbindungsbereich auf. Bevorzugt kontaktieren sich diese Zellenfachelemente in diesem Verbindungsbereich. Vorzugsweise sind die Zellenfachelemente in diesem Verbindungsbereich stoffschlüssig miteinander verbunden. Vorzugsweise wird eine solche stoffschlüssige Verbindung durch Kleben hergestellt. Bevorzugt sind die Zellenfachelemente in diesem Verbindungsbereich formschlüssig miteinander verbunden. Durch zusätzliche Verrippung, die ein solcher Verbindungsbereich für das Batteriegehäuse darstellt, ergibt sich ein besonders steifes und damit sicheres Batteriegehäuse.
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Vorzugsweise ist in einem Batteriegehäuse ein Temperiermedium vorhanden. Dieses Temperiermedium ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Energiestrom zu leiten. Vorzugsweise wird dieser Energiestrom zu einem Deckelelement hin- oder von diesem abgeleitet. Besonders bevorzugt wird dieser Energiestrom zu wenigstens einem Zellenfachelement hin- oder von diesem abgeleitet. Vorzugsweise durchströmt das Temperiermedium wenigstens ein Zellenfachelement und wenigstens ein Deckelelement. Vorzugsweise können mehrere Batteriegehäuse durch Temperiermediumsanschlüsse verbunden werden. Unter einem Temperiermediumsanschluss ist ein Element zu verstehen, durch welches das Temperiermedium in das Batteriegehäuse eintreten oder aus diesem austreten kann. Durch die Verbindung der mehrerer Temperiermediumsanschlüsse werden auf einfache Weise mehrere Batteriegehäuse vom Temperiermedium durchströmt. Durch die aktive Temperaturbeeinflussung der elektrochemischen Energiespeicherzellen wird die Betriebssicherheit dieser erhöht. Vorzugsweise ist ein Temperiermediumsanschluss als Schnellkupplung ausgebildet.
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Vorzugsweise weist ein Zellenfachelement wenigstens einen oder bevorzugt mehrere Durchströmungskanäle auf. Vorzugsweise bilden zwei Zellenfachelemente wenigstens einen Durchströmungskanal. Diese Durchströmungskanäle sind dazu vorgesehen, von einem Temperiermedium durchströmt zu werden. Vorzugsweise sind solche Durchströmungskanäle zwischen zwei Zellenfachelementen evakuiert und werden nicht durchströmt. Der Druck in einem solchen Zwischenraum beträgt dabei vorzugsweise 0,9·105 Pascal bis nahe 0 Pascal bevorzugt 0,8·105 Pascal bis 0,5·105 Pascal und besonders bevorzugt 0,7·105 Pascal bis 0,6·105 Pascal. Durch die Evakuierung dieser Durchströmungskanäle wird die Wärmeleitfähigkeit dieser Bereiche vorzugsweise unter 0,03 W/(m·K) bei 20°C gesengt.
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Vorzugsweise sind diese Durchströmungskanäle mit einem bei Umgebungstemperatur als Festkörper vorliegenden Phasenwechselmaterial (PCM), z. B. einem Salz oder einem Parafin, gefüllt. Bei einem Anstieg der Temperatur innerhalb der Durchströmungskanäle von bevorzugt über 200°C oder besonders bevorzugt von über 100°C wechselt dieses Phasenwechselmaterial seinen Aggregatszustand und verflüssigt sich. Durch das Verflüssigen wird vorzugsweise Wärmeenergie aufgenommen. Durch diesen Wechsel des Aggregatszustandes tritt weniger Wärmeenergie von einem Zellenfach auf das andere über, dadurch wird die Betriebssicherheit der elektrochemischen Energiespeicherzellen erhöht.
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Vorzugsweise können ein, zwei oder mehrere Durchströmungskanäle eines Batteriegehäuses mit je einem Durchströmungskanal eines weiteren Batteriegehäuses verbunden sein. Vorzugsweise entsteht durch diese Verbindung der Durchströmungskanäle mehrerer Batteriegehäuse ein gemeinsamer Temperiermedienkreis. Vorzugsweise werden diese Durchströmungskanäle durch Temperiermediumsanschlüsse miteinander verbunden, bevorzugt sind die Temperiermediumsanschlüsse als Verbindungsstutzen ausgeführt. Ein Verbindungsstutzen ist vorzugsweise fluiddicht, bevorzugt durch elastische Dichtmittel oder besonders bevorzugt durch eine stoffschlüssige Verbindung, mit wenigstens einem Deckelelement oder mit wenigstens einem Zellenfachelement verbunden. Vorzugsweise sind elastische Dichtmittel in einer Ausnehmung des Verbindungsstutzens oder des Batteriegehäuses angebracht. Ein elastisches Dichtmittel ist vorzugsweise ein elastischer Ring, wie ein O-Ring. Vorzugsweise entspricht die Form des Querschnitts eines Verbindungsstutzens weitgehend der Form des Querschnitts der Durchströmungskanäle in dem Bereich der Durchströmungskanäle der verbunden werden soll. Vorzugsweise ist der Querschnitt eines Verbindungsstutzens so gestaltet, dass dieser wenigstens bereichsweise in einen Durchströmungskanal hineinragt. Vorzugsweise weist wenigstens ein Durchströmungskanal einen Verbindungsfortsatz auf. Vorzugsweise ragt dieser Verbindungsfortsatz wenigstens bereichsweise in einen Verbindungsstutzen oder in einen Durchströmungskanal und ist mit diesem fluiddicht verbunden. Durch die fluiddichte Verbindung von Durchströmungskanälen wird die Betriebssicherheit der Batteriegehäuse erhöht.
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Vorzugsweise weist ein Batteriegehäuse eine elektrische Systemschnittstelle auf. Eine solche elektrische Systemschnittstelle weist vorzugsweise zwei aufeinanderabgestimmte Systemschnittstellenteile mit vorzugsweise je 2 bis 7, bevorzugt mit 5 elektrischen Kontakten auf. Vorzugsweise ist eine solche elektrische Systemschnittstelle an einem Batteriegehäuse als ein Teil einer zweiteiligen Steckverbindung ausgeführt. Vorzugsweise weist eine solche Steckverbindung zumindest einen männlichen und einen weiblichen Teil auf. Ein Batteriegehäuse weist vorzugsweise einen weiblichen oder einen männlichen, oder bevorzugt einen weiblichen und einen männlichen Teil dieser Steckverbindung auf, besonders bevorzugt einen Stecker und eine Steckdose bzw. Buchse. Vorzugsweise sind ein solcher weiblicher und ein solcher männlicher Teil an gegenüberliegenden Seiten des Batteriegehäuses angebracht. Durch die elektrische Systemschnittstelle wird die Kombination einzelner Batteriegehäuse zu einer Gruppe vereinfacht und somit die Betriebssicherheit erhöht.
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Zur Herstellung eines Batteriegehäuses werden vorzugsweise Zellenfachelemente durch ein geeignetes ur- oder umformendes Fertigungsverfahren hergestellt. Vorzugsweise werden diese Zellenfachelemente zur Herstellung des Batteriegehäuses relativ zueinander, in eine vorbestimmte Position gebracht. Vorzugsweise wird dann wenigstens eines dieser Zellenfachelemente mit wenigstens einem Deckelelement verbunden. Vorzugsweise werden Kontaktstellen zwischen dem Deckelelement und Zellenfachelementen, welche dazu vorgesehen sind von einem Temperiermedium durchströmt zu werden, fluiddicht verbunden. Eine solche Verbindung wird vorzugsweise durch elastische Dichtmittel wie z. B. O-Ringe, Dichtungslippen oder durch eine stoffschlüssige Verbindung durch Dichtungspasten oder Dichtungsbänder hergestellt werden.
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Vorzugsweise wird zur Herstellung eines Zellenfachelementes aus einem Hybridwerkstoff eine metallischer Einleger in eine Form eingelegt und in seinem Randbereich stoffschlüssig mit Kunststoff zu einem Zellenfachelement verbunden. Vorzugsweise in diesem Randbereich, weist der Einleger eine Struktur auf, die bevorzugt Ausnehmungen aufweist um insbesondere eine feste Verbindung mit dem Kunststoffbereich des Zellenfachelementes zu bilden.
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Vorzugsweise wird ein Zellenfachelement mit einem Deckelelement stoffschlüssig, bevorzugt durch Kleben oder Schweißen, verbunden.
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Weiter Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1: ein Batteriegehäuse für elektrochemische Energiespeichereinrichtungen, bestehend aus mehreren Zellenfachelementen und zwei Deckelelementen, wobei an einem Deckelelement Anschlüsse für ein Temperiermedium vorgesehen sind,
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2: zwei Zellenfachelementen mit elektrochemischen Energiespeicherzellen. Dabei sind die Zellenfachelemente aus Blech hergestellt und bilden in ihrem Verbindungsbereich eine formschlüssige Verbindung. In den Zwischen zwei elektrochemischen Energiespeicherzellen befindet sich ein elastisches Ausgleichselement,
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3: zwei unterschiedliche Ausgestaltungen von Zellenfachelementen. Dabei sind diese Zellenfachelemente als Stranggussprofile ausgeführt. In 3 b bilden zwei Zellenfachelemente eine Doppelwand, welche von einem Temperiermedium durchströmt werden kann,
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4: zwei unterschiedliche Ausgestaltungen für Zellenfachelemente, welche aus Blech gefertigt sind. Wobei in 4a eine Temperiermediumsleitung in das Zellenfachelement eingesetzt ist und diese von einem Temperiermedium durchströmt werden kann. 4b zeigt ein Zellenfachelement mit mehreren Kühlrippen, welche dazu vorgesehen sind die Oberfläche des Zellenfachelements zu vergrößern und damit die Wärmeleitung zu verbessern,
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5: zwei unterschiedliche Ausgestaltungen für Zellenfachelemente, welche aus Stranggussprofilen gefertigt sind. Wobei in 5a Durchströmungskanäle in das Zellenfachelement eingebracht sind und diese Kanäle von einem Temperiermedium durchströmt werden können. 5b zeigt ein Zellenfachelement mit mehreren Kühlrippen, welche dazu vorgesehen sind die Oberfläche des Zellenfachelements zu vergrößern und damit die Wärmeleitung zu verbessern,
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6: den Verbindungsbereich zwischen Zellenfachelementen und einem Deckelelement, wobei die Verbindung durch ein Verbindungselement hergestellt wird. Dieses Verbindungselement ist mit dem Deckelelement und den Zellenfachelementen verklebt,
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7: den Verbindungsbereich zwischen Zellenfachelementen und einem Deckelelement, wobei die Verbindung durch eine Rastverbindung hergestellt wird,
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8: unterschiedliche Möglichkeiten zu Durchströmung von Zellenfachelementen, wobei der Temperiermediumsstrom vom Deckelelement gesteuert wird,
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9: ein Zellenfachelement aus einem Hybridwerkstoff,
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10: zwei unterschiedliche Arten der Verbindung von Durchströmungskanälen. 10a) eine Verbindung von Durchströmungskanälen, welche mit elastischen Dichtmittel abgedichtet ist. 10b) zwei Verbindungen von Durchströmungskanälen, welche durch stoffschlüssige Dichtungsmittel abgedichtet sind,
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11: zwei unterschiedliche Arten von Befestigungsbolzen. Dabei ist ein Befestigungsbolzen stoffschlüssig und ein weiterer Befestigungsbolzen formschlüssig mit dem Deckelelement verbunden, und
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12: mehrere Batteriegehäuse mit ihrer elektrischen Verbindung mit einer Steckverbindung mit fünf elektrischen Systemkontakten.
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Zunächst wird die Erfindung in einem Beispiel anhand von 1 verdeutlicht.
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In 1 ist ein Batteriegehäuse zur Aufnahme von elektrochemischen Energiespeicherzellen 15 dargestellt. Dieses Batteriegehäuse weist zwei Deckelelemente 2 und mehrere Zellenfachelemente 1 auf. Dabei sind in einem Deckelelement 2 zwei Anschlüsse 3 für ein Temperiermedium eingebracht. Durch einen dieser Anschlüsse strömt das Temperiermedium in das Deckelelement 2 hinein. Vom Deckelelement 2 aus strömt das Temperiermedium durch die einzelnen Zellenfachelemente 1 zum zweiten Anschluss 3 zurück.
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In 2 sind zwei Zellenfachelemente 1a aus Blech dargestellt. Diese Zellenfachelemente 1a bilden gemeinsam einen Verbindungsbereich 5a. In diesem Verbindungsbereich 5a sind die beiden Zellenfachelemente 1a formschlüssig miteinander verbunden. Die Zellenfächer 4 werden durch eine Zwischenwand 13 voneinander getrennt. In den Zellenfächern 4 befinden sich jeweils zwei elektrochemische Energiespeicherzellen 15. Diese Energiespeicherzellen 15 werden durch elastische Ausgleichselemente 16 gegen das Zellenfachelement 1 gedrückt, dadurch entsteht eine temperaturleitende Verbindung zwischen Zellenfachelement 1 und Energiespeicherzelle 15.
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In 3a sind zwei Zellenfachelemente 1b dargestellt. Diese Zellenfachelemente 1b sind aus einem Stranggussprofil hergestellt. Die beiden Zellenfachelemente 1b bilden einen gemeinsamen Verbindungsbereich 5b miteinander. In diesem Verbindungsbereich sind die Zellenfachelemente 1b formschlüssig miteinander verbunden.
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3b zeigt zwei Zellenfachelemente 1c, welche aus einem Stranggussprofil hergestellt sind. Die beiden Zellenfachelemente 1c bilden einen gemeinsamen Verbindungsbereich 5c miteinander. Durch die Verbindung der beiden Zellenfachelemente 1c entsteht ein Doppelwandhohlraum 6c zwischen diesen. Dieser Hohlraum 6c ist dazu vorgesehen, von einem Temperiermedium durchströmt zu werden. Die beiden Zellenfachelemente 1c werden in ihrem Verbindungsbereich 5c fluiddicht miteinander verbunden. Durch eine geeignete Wahl der Wandstärke im Bereich der doppelten Zwischenwand 12 ergibt sich ein elastischer Bereich des Zellenfachelementes 4. Durch diesen elastischen Bereich der Zellenfachelemente 1c kann das elastische Ausgleichselement 16 zwischen den Energiespeicherzellen 15 entfallen.
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In 4a ist ein Zellenfachelement 1d dargestellt, welches aus Blech hergestellt wird. Dieses Zellenfachelement 1d weist eine Formgebung auf, so dass eine Temperiermediumsleitung 6d in das Zellenfachelement 1d eingebracht werden kann. Diese Temperiermediumsleitung 6d ist dazu vorgesehen, von einem Temperiermedium durchströmt zu werden.
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In 4b ist ein Zellenfachelement 1e dargestellt, welches aus Blech hergestellt wird. Dieses Zellenfachelement 1e weist eine Vielzahl von Kühlrippen 7e auf. Durch diese Kühlrippen 7e wird die Oberfläche des Zellenfachelementes 1e vergrößert, somit wird eine bessere Temperaturleitung erreicht.
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In 5a ist ein Zellenfachelement 1f dargestellt, welches aus einem Stranggussprofil hergestellt wird. In dieses Zellenfachelement 1f sind Durchströmungskanäle 6f eingebracht. Diese Ausnehmungen 6f sind dazu vorgesehen, von einem Temperiermedium durchströmt zu werden. Diese Durchströmungskanäle 6f können auch in den Zwischenwänden 12 liegen. Die Durchströmungskanäle 6f in den Zellenfachelementen 1f können auch mit den Deckeldurchströmungskanälen 14 (nicht dargestellt) in Verbindung stehen.
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In 5b ist ein Zellenfachelement 1f dargestellt, welches aus einem Stranggussprofil hergestellt wird. Dieses Zellenfachelement 1f weist eine Vielzahl von Kühlrippen 7f auf. Diese sind dazu vorgesehen, die Oberfläche des Zellenfachelementes 1f zu vergrößern. Durch die Vergrößerung der Oberfläche wird eine bessere Temperaturleitung erreicht. Die Kühlrippen 7f werden dabei vorteilhaft so ausgerichtet, dass sie von einem künstlich erzeugten oder durch den, durch Erwärmung der Umgebungsluft entstehenden, Luftstrom in Rippenlängsrichtung angeströmt werden können.
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In 6 ist der Verbindungsbereich 9 zwischen einem Deckelelement 2 und Zellenfachelementen 1 dargestellt. Das Deckelelement 2 weist eine Reihe von Zellenfachausnehmungen 10 auf. In diese Ausnehmungen 10 greifen Zellenfachelemente 1 ein. Die Zellenfachelemente 1 und das Deckelelement 2 werden durch ein Verbindungselement 8 formschlüssig miteinander verbunden. Dieses Verbindungselement 8 wird durch Kleben stoffschlüssig mit den Zellenfachelementen 1 und dem Deckelelement 2 verbunden. Alternativ kann das Verbindungselement 8 durch Befestigungsmittel wie z. B. Schrauben, Niete oder Stifte mit dem Deckelelement 2 oder den Zellenfachelementen 1 verbunden werden.
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In 7 ist der Verbindungsbereich 9 zwischen einem Deckelelement 2 und Zellenfachelementen 1 dargestellt. Zum Ausbilden dieser Rastverbindung ist eine spezielle Formgebung der Zellenfachelemente vorgesehen. Die Zellenfachelemente weisen einen Schnappbereich 11 auf, welcher sich elastisch verformen lässt. Das Deckelelement 2 weist einen Rastenabschnitt 17 auf, in welchem dieser Schnappbereich 11 des Zellenfachelementes 1 einrasten kann. Die Rastverbindung kann auch durch zusätzliche Feder- und Hilfselemente hergestellt werden.
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In 8 sind verschiedene Möglichkeiten zur Durchströmung der Zellenfachelemente dargestellt.
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In 8a ist eine serielle Durchströmung von 3 Zellenfachelementen dargestellt. Der Temperiermediumsstrom 18 tritt in ein Deckelelement 2 ein und wird von diesem zu einem äußeren Zellenfachelement 1 geleitet. Das Temperiermedium durchströmt von hier ausgehend ein Zellenfachelement 1 nach dem anderen. Der Temperiermediumsstrom 18 tritt an einem zweiten Deckelelement 2 wieder aus.
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In 8b ist eine weitere Ausführungsform für die Durchströmung von mehreren Zellenfachelementen 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird der Temperiermediumsstrom zunächst durch das Deckelelement 2 ein und wird zu einem Zellenfachelement 1 geleitet. Dieses ist von anderen Zellenfachelementen 1 wenigstens bereichsweise umgeben. Von diesem als erstem durchströmten Zellenfachelement 1 teilt sich der Temperiermediumsstrom 18 in einem zweiten Deckelelement 2 auf und durchströmt danach gleichzeitig (parallel) zwei weitere Zellenfachelemente 1. Der Temperiermediumsstrom 18 tritt aus dem gleichen Deckelelement 2 aus, in das er zuvor eingetreten ist.
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In 8c ist eine weitere Ausführungsform für die Durchströmung von mehreren Zellenfachelementen 1 dargestellt. Dabei weist ein Deckelelement 2 Temperiermediumsventile 19 auf. Mit diesen Temperiermediumsventilen 19 lässt sich der Temperiermediumsstrom 18 gezielt zu einzelnen Zellenfachelementen 1 leiten. Vorzugsweise müssen nicht alle Zellenfachelemente 1 durch ein eigenes Temperiermediumsventil 19 ansteuerbar sein. Diese Temperiermediumsventile sind vorzugsweise Thermostate. Solche Thermostate geben den Temperiermediumsstrom 18 zu Zellenfachelementen 1 frei oder sperren ihn ab, oder drosseln die Durchflussmenge. Solche Thermostate arbeiten in Abhängigkeit der Temperatur, z. B. des Temperiermediumstroms 18.
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In 9 ist eine Ausführungsform eines Zellenfachelementes 1h aus einem Hybridwerkstoff dargestellt. Dabei wird die Wärmeleitung von einem Zellenfachelement zum anderen, durch den wärmeisolierenden Zwischenwand 12h aus Kunststoff verhindert (9a). Die Wärmeleitung von einem Zellenfachelement 1h an die das Zellenfachelement umgebende Umwelt hingegen wird durch die aus einem metallischen Werkstoff bestehende Seitenwand 13h begünstigt. Die Seitenwand 13h steht in temperaturleitender Verbindung mit der Wärmeleitfolie 20. Die Wärmeleitfolie 20 führt einen Temperaturstrom von der Oberfläche der elektrochemischen Energiespeicherzelle ab und gibt diesen and die Seitenwand 13h ab. Dadurch wird wirksam ein gegenseitiges Aufheizen von elektrochemischen Energiespeicherzellen in benachbarten Zellenfächer verhindert. In 9b sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausgestaltung des Randbereichs der Seitenwand 13h dargestellt. Die Ausnehmungen in der Seitenwand 13h führen zu einer bessern Verbindung des metallischen Seitenwand 13h mit der Zwischenwand 12h aus Kunststoff.
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In 10 ist die Verbindung von Deckeldurchströmungskanälen 14 dargestellt. In 10a ist die Verbindung von zwei Deckeldurchströmungskanälen mit Hilfe eines Verbindungsstutzens 21 und eines elastischen Dichtmittels 23 dargestellt. Das elastische Dichtmittel 23 wird in einer Ausnehmung 22 des Verbindungsstutzens 21 aufgenommen. Das elastische Dichtmittel 23 kontaktiert den Verbindungsstutzen 21 und das Deckelelement 2. Somit wird zwischen dem Verbindungsstutzen 21 und den Deckelelementen 2 eine fluiddichte Verbindung hergestellt.
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In 10b ist die Verbindung von Durchströmungskanälen 6 mit Hilfe von Verbindungsstutzen 21 dargestellt. Die Durchströmungskanäle 6 werden im Wesentlichen durch die Zellenfachelemente 1 gebildet. Die Verbindungsstutzen 21 sind stoffschlüssig mit den Durchströmungskanälen 6 verbunden. Durch die stoffschlüssige Verbindung entsteht eine fluiddichte Verbindung zwischen den Durchströmungskanälen 6 und dem Verbindungsstutzen 21.
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In 11 sind Batteriegehäuse mit Befestigungsbolzen 29, 29a dargestellt. Ein Befestigungsbolzen 29 ist durch eine stoffschlüssige Verbindung 31 mit dem Deckelelement 2 verbunden. Der Befestigungsbolzen 29 weist an dem Ende, an welchem dieser mit dem Deckelelement 2 verbunden ist, eine Querschnittsveränderung auf. Durch die Querschnittsveränderung kann eine besonders feste stoffschlüssige Verbindung 31 von Befestigungsbolzen 29 und Batteriegehäuse erreicht werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Befestigungsbolzen 29a durch eine formschlüssige Verbindung 30 mit dem Deckelelement 2 verbunden. Der Befestigungsbolzen 29a ist in das Deckelelement 2 eingeschraubt und kann somit bei Bedarf zerstörungsfrei vom Deckelelement getrennt werden.
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In 12 ist die elektrische Verbindung von mehreren Batteriegehäusen dargestellt. Diese elektrische Verbindung wird durch die elektrische Systemschnittstelle 25 erreicht. Die elektrische Systemschnittstelle 25 beinhaltet eine zweiteilige Steckverbindung mit einem männlichen Teil, dem Stecker 27 und einem weiblichen Teil, der Steckdose 28. Im Stecker 27 und in der Steckdose 28 sind fünf Systemkontakte 26 vorgesehen. Durch diese Systemkontakte 26 können Informationen zum Batteriestatus, Steuerungsbefehle und elektrische Leistung zwischen den Batteriegehäusen und einer Batteriesteuerung ausgetauscht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008014155 A1 [0003]
- DE 102007063269 A1 [0003]
