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Die Erfindung betrifft einen elektrischer Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, speziell für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Zelle und mit einem über ein Leiterelement elektrisch verbundenen elektrischen Element sowie ein Leiterelement für einen elektrischen Energiespeicher.
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Akkumulatoren finden beispielsweise innerhalb von Kraftfahrzeugen Verwendung. Bei einem von einem Verbrennungsmotor angetrieben Kraftfahrzeug wird üblicherweise ein Akkumulator mittels eines mit dem Motor verbundenen Generators aufgeladen. Der Akkumulator stellt die elektrische Versorgung des Bordnetzes auch bei einem Stillstand des Motors sicher und dient ebenfalls zum Starten des Motors. Bei einem teilweise oder vollständig von einem Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeug, sogenannten Hybrid-Fahrzeugen und Elektroautos, wird mittels eines Akkumulators die für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs benötigte Energie gespeichert. Derartige Akkumulatoren sind üblicherweise als Hochvolt-Akkumulatoren mit einer Spannung größer 40 V, bis hin zu mehreren hundert Volt Spannung sowie einer elektrischen Leistung von mehreren kW ausgelegt. Ein weiteres Anwendungsgebiet für Akkumulatoren ist die Stromversorgung von handgeführten elektronischen Geräten.
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Akkumulatoren werden üblicherweise aus einzelnen galvanischen Zellen gleicher Bauart aufgebaut. Bedingt durch den Aufbau und die verwendeten Materialien, weist jede Zelle eine bestimmte Kapazität und eine bestimmte Spannung auf. Zum Erreichen einer vorgegebenen Kapazität und Spannung des Akkumulators werden die einzelnen Zellen innerhalb des Akkumulators parallel und/oder in Reihe geschaltet. Die elektrische Verbindung der einzelnen Zellen miteinander erfolgt über Leiterelemente.
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In der
DE 10 2007 031 860 A1 ist ein Akkumulator offenbart, bei dem die einzelnen Zellen an ihren Polen mittels Leiterelementen elektrisch verbunden sind. Zur leichteren Fertigung des Akkumulators sind die Leiterelemente innerhalb eines Zellverbinderrahmens angeordnet. Dieser eine vordefinierte Verschaltung aufweisende Rahmen wird vormontiert und bei der Fertigung des Akkumulators auf die Zellen aufgesetzt sowie dort befestigt. Die Befestigung der einzelnen Leiterelemente an den jeweiligen Polen der einzelnen Zellen erfolgt bevorzugt mittels Schweißen.
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Aus der
DE 20 2009 002 852 U1 ist bekannt, eine Sicherung zwischen einen Akkumulator und einen Verbraucher zu schalten. Die Sicherung ist als Schmelzsicherung ausgebildet und in ein Sicherungsblech integriert. Das Sicherungsblech weist eine Anzahl derartiger Sicherungen auf, die verschiedene Strompfade gegen einen zu großen Stromfluss absichern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Energiespeicher, der ohne ein weiteres Bauteil sicher in einem Stromkreis betreibbar ist, sowie ein Leiterelement für einen elektrischer Energiespeicher anzugeben.
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Bezüglich des elektrischen Energiespeichers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des Leiterelements wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Energiespeicher angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß und auf das Leiterelement übertragbar.
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Eine elektrische Zelle eines Akkumulators ist mittels eines Leiterelements mit einem weiteren elektrischen Element des Akkumulators elektrisch verbunden. Das Leiterelement umfasst ein Sicherungselement, das einem zu großen Stromfluss zwischen der Zelle und dem elektrischen Element vorbeugt. Aufgrund der intrinsischen Absicherung des Akkumulators mittels des Sicherungselements ist es möglich den Akkumulator in einem Stromkreis ohne eine weitere Sicherung zu betreiben, wobei eine Überlastung der einzelnen in den Stromkreis eingebundenen Verbraucher und/oder auch des Akkumulators ausgeschlossen ist. Unter Energiespeicher bzw. Akkumulator wird hierbei insbesondere ein bei Hybrid-Fahrzeugen vorgesehener Akkumulator zur Versorgung eines Elektromotors für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs verstanden, insbesondere ein eingangs beschriebener Hochleistungs- und Hochvolt-Akkumulator.
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Das elektrische Element ist beispielsweise eine Anschlussklemme bzw. ein Anschlusspol des Akkumulators oder auch ein Zusammenschluss mehrerer Zellen. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das elektrische Element eine weitere Zelle des Akkumulators. So wird ein zu großer Stromfluss innerhalb des Akkumulators vermieden, der beispielsweise durch eine Fehlfunktion einer oder mehrerer der Zellen des Akkumulators hervorgerufen wird. In einem Akkumulator, dessen Innverkabelung keine Sicherung aufweist, dessen Zellen also ohne eine Sicherung miteinander verbunden sind, kann ein solcher Stromfluss zu einer Überlastung der einzelnen Zellen führen und somit das Entflammen oder die Explosion des Akkumulators bedingen. Insbesondere sind alle Zellen des Akkumulators über jeweils ein erfindungsgemäßes Leiterelement miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsvariante ist üblicherweise in den mindestens einen Verbraucher umfassenden Stromkreis, innerhalb dessen der Akkumulator betrieben wird, noch mindestens eine zusätzliches elektrische Sicherung eingebunden, deren Auslöseschwelle auf den Verbraucher und die innerhalb des Stromkreises verwendeten elektrischen Leitungen abgestimmt ist. Die Auslöseschwelle der Sicherungselemente der Leiterelemente des Akkumulators ist somit auf die Grenzbelastung der Zellen des Akkumulators eingestellt. Das Sicherungselement ist daher eine innere Sicherung des Akkumulators und dient nicht als Lastsicherung für einen Verbraucher oder den Leitungsschutz, da deren Grenzbelastung meist niedriger liegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leiterelement als ein Metallstreifen ausgeführt, der zweckmäßig aus einem Blech, insbesondere aus einem Blech aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gestanzt ist. Hierdurch ist eine robuste und zugleich kostengünstige Ausgestaltung erzielt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Leiterelement eine Vorrichtung, insbesondere Kontaktlaschen, zum Anschluss einer Messvorrichtung zum Messen des über das Leiterelement fließenden Stroms. Hierdurch ist eine Überwachung des Akkumulators oder eine frühzeitige Erkennung von Störungen oder Fehlfunktionen ermöglicht und auch vorgesehen. Diese Überwachung erfolgt wahlweise beim Betrieb des Akkumulators oder im Rahmen von Service-Arbeiten. Insbesondere bei einem ungewollten, langsamen Anstieg des Stromflusses innerhalb des in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Akkumulators kann dadurch mittels einer an die Messvorrichtung elektrisch verbundenen Überwachungseinheit ein Mechaniker bei einer routinemäßigen Überprüfung des Kraftfahrzeugs eine Fehlfunktion und einen möglichen bevorstehen Ausfall des Akkumulators erkennen. Alternativ oder ergänzend steht ein Temperatursensor in thermischen Kontakt mit dem Sicherungselement. Bei einem erhöhten Stromfluss steigt die Temperatur des Sicherungselements, die z. B. als Indiz für die aktuelle Belastung ausgewertet wird.
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Geeigneterweise ist das Sicherungselement als eine Schmelzsicherung ausgestaltet. Das erlaubt eine kostengünstige Herstellung des Leiterelements.
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Vorteilhafterweise bildet das Leiterelement selbst das Sicherungselement aus, d. h. das Sicherungselement ist einstückiger Bestandteil des Leiterelements. Bei Verwendung eines Stanzbleches ist das Sicherungselement durch eine geeignete Formgebung des Stanzbleches selbst ausgebildet.
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Hierzu umfasst das Sicherungselement in bevorzugter Ausgestaltung einen Sicherungsbereich, innerhalb dessen der Querschnitt des Leiterelements reduziert ist. Beispielsweise ist der Querschnitt des Leiterelements im Sicherungsbereich auf unter 20%, insbesondere auf unter 50%, des Querschnitts des Leiterelements außerhalb des Sicherungsbereichs reduziert. Die Reduzierung des Querschnitts des Leiterelements erfolgt zum Beispiel mittels einer Reduzierung der Dicke des Leiterelements und/oder mittels mindestens einer Aussparung innerhalb des Leiterelements. Insbesondere weist das Leiterelement mehrere Aussparungen auf, die beispielsweise parallel und im Wesentlichen entlang der Verbindungsachse zwischen der Zelle und dem elektrischen Element verlaufen, so dass innerhalb des Sicherungsbereichs das Leiterelement als mehrere parallel zueinander verlaufende Leiterstreifen ausgebildet ist.
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In einer geeigneten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Leiterelement, und davon insbesondere das Sicherungselement einen Ausgleichsbereich, insbesondere eine Ausgleichsbiegung. Der Ausgleichsbereich dient der Kompensation einer longitudinalen Verschiebung der elektrischen Zelle relativ zu dem elektrischen Element, wobei die Verschiebung entlang der Verbindungsachse zwischen den beiden verläuft. Das Leiterelement weist daher im Ausgleichsbereich eine höhere Flexibilität (geringere Festigkeit) in Richtung der Verbindungsachse auf als im restlichen Bereich. Vorteilhafterweise ist hierfür die Ausgleichsbiegung vorgesehen, d. h. im Ausgleichsbereich ist das Leiterelement aus einer die Verbindungsachse enthaltenen Ebene herausgebogen.
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Insbesondere befindet sich die Ausgleichsbiegung im Wesentlichen in der Mitte des Leiterelements, verläuft zweckmäßigerweise quer zur Verbindungsachse und ist zum Beispiel V- bzw. U-förmig ausgestaltet. Bevorzugt bildet der Ausgleichsbereich zugleich auch den Sicherungsbereich.
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Diese Ausgestaltung mit der Flexibilität zur Längenkompensation ist grundsätzlich auch ohne das Sicherungselement möglich und wird insoweit als eine eigenständige Erfindung angesehen. Die Einreichung einer Teilanmeldung auf diesen Aspekt ohne die Ausgestaltung des Sicherungselements bleibt vorbehalten. Die beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf diese Ausgestaltung ohne Sicherungselement zu übertragen.
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Geeigneterweise umfasst das Leiterelement als Herstell- und/oder Montagehilfe eine Anzahl von Positionierungslöchern, insbesondere vier Positionierungslöcher. Bevorzugt sind die Löcher randseitig des Sicherungs- und/oder Ausgleichsbereichs in das Leiterelement eingebracht. Insbesondere wird bei der Herstellung mittels der Positionierungslöcher das Leiterelement fixiert, während die Ausgleichsbiegung beispielsweise bei einem Stanz-Biegeprozess in das Leiterelement eingebracht wird.
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Vorteilhafterweise ist an dem Leiterelement ein Stabilisierungselement befestigt oder reversibel befestigbar. Beispielsweise besteht das Stabilisierungselement aus Kunststoff und ist beispielsweise eine flächig auf das Leiterelement befestigte Platte und dient zur Stabilisierung des Sicherungsbereichs. Vorteilhafterweise umfasst das Stabilisierungselement eine Anzahl von Füßchen, insbesondere vier Füßchen. Zweckmäßigerweise ist das Stabilisierungselement mittels der Füßchen an dem Leiterelement befestigt, wobei die Füßchen formschlüssig in die Positionierungslöcher greifen. Insbesondere wird während der Montage wird das Leiterelement mittels des Stabilisierungselements und/oder der Positionierungslöcher relativ zu der elektrischen Zelle positioniert, wo es beispielsweise mittels Schweißen befestigt wird. Das Stabilisierungselement dient bevorzugt rein als Montagehilfe und wird nach erfolgter Montage wieder entfernt. Alternativ verbleibt es auf dem Leiterelement.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
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1 ausschnittsweise perspektivisch einen Akkumulator mit einer Anzahl von Zellen, die jeweils mittels eines Leiterelements verbunden sind,
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2a das ein Sicherungselement umfassende Leiterelement in Draufsicht,
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2b das Leiterelement in Seitenansicht,
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3a ein weiteres Leiterelement mit einem Stabilisierungselement in Unteransicht,
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3b das Leiterelement gemäß 3a in Seitenansicht und
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4 in perspektivischer Ansicht ein weiteres Leiterelement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise perspektivisch einen elektrischen Energiespeicher 2. Der Energiespeicher 2 ist ein quaderförmigen Akkumulator, beispielsweise ein Hochvolt-Lithium-Akkumulator. Der Akkumulator 2 umfasst eine Anzahl von gleichen, entlang der Längsrichtung 4 des Akkumulators 2 aneinandergefügten, quaderförmigen Zellen 6. Jede Zelle 6 weist an ihrer Oberseite zwei Pole 8 auf, wobei die Pole 8 auf einer Geraden liegen, die sich orthogonal zur Längsrichtung 4 des Akkumulators 2 erstreckt. Die Zellen 6 sind beispielsweise in Reihe geschaltet. Hierfür ist jede Zelle 6 mit den ihr direkt benachbarten Zellen 6 elektrisch verbunden. Die Verbindung erfolgt mittels einer Anzahl von Leiterelementen 10. Jedes der Leiterelemente 10 ist an einem seiner beiden Enden 12 mit einem der beiden Pole 8 einer der Zellen 6 verbunden, wobei sein anderes Ende 12 mit einem der beiden Pole 8 einer dieser Zelle 6 direkt benachbarten Zelle 6 verbunden ist. Zwei Zellen 6 sind jeweils nur mittels eines der Leiterelemente 12 verbunden und an jedem Pol 6 ist immer nur eines der Leiterelemente 12 befestigt. Die Leiterelemente 12 sind vorzugsweise mit den Polen 6 verschweißt. Die bezüglich der Längsrichtung 4 äußerste Zelle 14 ist lediglich mit einer der Zellen 6 des Akkumulators 2 elektrisch verbunden. Hierfür ist nur an einem der beiden Pole 8 der äußersten Zelle 14 eines der Leiterelemente 10 befestigt. Beispielsweise ist der andere der beiden Pole 8 der äußersten Zelle 14 verlängert als ein Anschlusspol 16 ausgeführt. An dem Anschlusspol 16 kann ein Kabel oder ein elektrischer Verbraucher angeschlossen werden.
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In 2a und 2b ist das Leiterelement 10 näher dargestellt. Das Leiterelement 10 ist ein Metallstreifen, der bevorzugt aus einem Blech gestanzt ist. Das Leiterelement 10 bildet ein Sicherungselement 18 aus. Das Sicherungselement 18 ist als Schmelzsicherung ausgeführt. Hierfür weist das Sicherungselement 18 einen Sicherungsbereich 20 auf, der sich in etwa in der Mitte des Leiterelements 10 befindet, und innerhalb dessen der Querschnitt des Leiterelements 10 reduziert ist. Die Verringerung des Querschnitts ist über eine Reduzierung der Querschnittsfläche des Leiterelements 10 beispielsweise auf in etwa die Hälfte der ursprünglichen Querschnittsfläche realisiert. Weiterhin sind in das Leiterelement 10 im Sicherungsbereich 20 mehrere Aussparungen 22 im Ausführungsbeispiel fünf Aussparungen 22 eingebracht. Beispielsweise sind die Aussparungen 22 gleichgroß und insbesondere rechteckförmig. Die Aussparungen 22 verlaufen zueinander und zur Längsrichtung des Leiterelements 10 parallel. Im Sicherungsbereich 20 bildet somit das Leiterelement 10 sechs Leiterstreifen 24 aus. Bei einem zu großen Stromfluss durch das Leiterelement 10, der beispielsweise zu einer Überlastung des Akkumulators 2 führt, schmelzen die Leiterstreifen 24 was den Stromfluss unterbricht. Beispielsweise kann ein solcher Stromfluss durch eine Beschädigung einer oder mehrerer Zellen 6 des Akkumulators 2, bedingt werden. Insbesondere bei der Anwendung des Akkumulators 2 innerhalb eines Kraftfahrzeugs ist der Akkumulator 2 im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs vor einer von einem zu großen Stromfluss hervorgerufen Entflammung oder Explosion geschützt.
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Das Sicherungselement 18 weist eine V-förmige Ausgleichsbiegung 26 auf. Die flexible Ausgleichsbiegung 26 befindet sich in etwa in der Mitte des Leiterelements 10 und verläuft quer zur Längsrichtung des Leiterelements 10. Mittels der Ausgleichsbiegung 26 wird eine etwaige Bewegung der Zellen zueinander entlang der Längsrichtung 4 des Akkumulators 2 sowie eine etwaige Ausdehnung des Leiterelements 10 oder der Zellen 6 aufgrund einer Erwärmung während des Betriebs des Akkumulators 2 oder aufgrund des Betriebs in unterschiedlichen Temperaturregionen kompensiert. Weiterhin ist es möglich mit Hilfe der Ausgleichsbiegung 26 Fehlertoleranzen bei der Herstellung des Akkumulators 2 auszugleichen.
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Das Leiterelement
10 umfasst zwei Messabgänge
28. Über die Messabgänge
28 ist bevorzugt eine Messvorrichtung an dem Leiterelement
10 angeschlossen oder zumindest anschließbar, die die elektrische Spannung, die am Leiterelement
10 anfällt, misst und daraus den elektrischen Strom, der durch das einen bestimmten elektrischen Widerstand aufweisende Leiterelement
10 fließt, bestimmt. Die Messabgänge können sich in Bezug auf die Stromrichtung auf einer Seite des Sicherungselements
18 befinden. Bevorzugt sind, wie hier dargestellt und beispielsweise aus der
DE 20 2009 002 852 U1 bekannt ist, die beiden Messabgänge
28 beidseitig des Sicherungsbereichs
20 angeordnet. So muss kein zusätzlicher Shunt-Widerstand in das Leiterelement
10 eingebracht werden, da der Sicherungsbereich
20 als ein solcher fungiert. Insbesondere wird mittels einer mit der Messvorrichtung verbundenen Überwachungsvorrichtung während des Betriebs des Akkumulators
2 kontinuierlich oder zu Servicezwecken diskontinuierlich der Stromfluss überwacht. Beispielsweise wird eine sich abzeichnende Funktionsstörung einer der Zellen
6 des Akkumulators
2 frühzeitig eine Warnmeldung abgeben. Wie beispielsweise ebenfalls aus der
DE 20 2009 002 852 U1 bekannt ist, kann insbesondere zusätzlich oder ersatzweise zur indirekten Stromüberwachung ein Temperatursensor in thermischen Kontakt mit dem Leiterelement
10 stehen.
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In 3a und 3b ist ein weiteres Leiterelement 10 dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 2a und 2b gezeigten Leiterelement 10 ist an diesem Leiterelement 10 zusätzlich ein Stabilisierungselement 30 beispielsweise aus Kunststoff befestigt. Das quaderförmige Stabilisierungselement 30 weist vier Füßchen 32 auf, von denen jeweils eines formschlüssig in ein Positionierungsloch 34 innerhalb des Leiterelements 10 eingreift. Die Positionierungslöcher 34 befinden sich in der Nähe des Rands des Leiterelements 10 und in der Nähe des Sicherungsbereichs 20. Das Stabilisierungselement 30 überspannt die Ausgleichsbiegung 26 des Leiterelements 10. Somit weist die Kombination aus dem Leiterelement 10 und dem Stabilisierungselement 26 trotz eines verringerten Querschnitts des Leiterelements 10 in dem Bereich des Sicherungsbereichs 20 eine hohe Stabilität auf. Weiterhin ist auch bei einem Auslösen des Sicherungselements 18, also einer Teilung des Leiterelements 10 im Bereich der Ausgleichsbiegung 26, die strukturelle Integrität des Akkumulators 2 gegeben.
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Bevorzugt erfolgt zusätzlich während der Herstellung des Akkumulators 2 bei der Montage des Leiterelements 10 dessen Positionierung mittels des Stabilisierungselements 30, was den Herstellungsprozess vereinfacht und das Leiterelement 10 geringen mechanischen Belastungen aussetzt. Insbesondere greift ein Greifer eines Roboterarms an dem Stabilisierungselement 30 an und legt das Leiterelement 10 auf die Pole 8 des Akkumulators 2, an denen das Leiterelement 10 befestigt werden soll. Daraufhin wird zum Beispiel mittels eines Laserpunktschweißgeräts das Leiterelement 10 an den Polen 8 befestigt, wobei der Greifer die Lage des Leiterelements 10 bezüglich der Pole 8 während dieses Arbeitsschrittes stabilisiert. Nach der Befestigung des Leiterelements 10 an den jeweiligen Zellen 6 mit Hilfe des Stabilisierungselements 30 kann beispielsweise aus Platz- und/oder Gewichtsgründen das Stabilisierungselement 30 wieder entfernt werden, so dass im montierten Zustand das Leiterelement 10 gemäß 2a und 2b ausgebildet ist.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung weist das Stabilisierungselement 30 die Form der Ausgleichsbiegung 26 auf, so dass die Ausgleichsbiegung 26 mittels Anpressen des Leiterelements 10 an das Stabilisierungselement 30 hergestellt werden kann. Ebenfalls kann das Stabilisierungselement 30 als ein Gehäuse ausgeformt sein, das das Leiterelement 10 zumindest im Sicherungsbereich umgibt, so dass das Leiterelement 10 während eines Transports oder Lagerung geschützt ist.
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4 zeigt ein weiteres Leiterelement 10. Im Vergleich zu den vorherigen Leiterelementen 10 weist das Leiterelement 10 hier keine Ausgleichsbiegung 26 auf. Die Reduzierung des Leiterquerschnitts im Sicherungsbereich 20 wird mittels einer mittig angeordneten, entlang der Längsrichtung des Leiterelements 10 verlaufenden, Doppel-T-förmigen Zentralaussparung 36 sowie zweier Randaussparungen 38 erreicht. Die im Wesentlichen rechteckförmigen Randaussparungen 38 verlaufen vom Rand des Leiterelements 10 quer zu dessen Längsrichtung und liegen auf einer Geraden, auf der der Mittelpunkt der Zentralaussparung 36 liegt. Zwischen den Randaussparungen 38 und der Zentralaussparung 36 liegt jeweils ein Leiterstreifen 40. Der Ausgleich einer longitudinalen Bewegung der elektrischen Zellen 6 zueinander erfolgt mittels einer elastischen Verformung der Leiterstreifen 10.
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Alternativ zu der Ausgestaltung des Leiterelements als Stanz(biege)blech umfasst das Leiterelement 10 eine Anzahl von Leiterlitzen, und ist insbesondere im Wesentlichen aus den Leiterlitzen gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektrischer Energiespeicher/Akkumulator
- 4
- Längsrichtung
- 6
- Zelle
- 8
- Pol
- 10
- Leiterelement
- 12
- Leiterelementende
- 14
- äußerste Zelle
- 16
- Anschlusspol
- 18
- Sicherungselement
- 20
- Sicherungsbereich
- 22
- Aussparung
- 24
- Leiterstreifen
- 26
- Ausgleichsbiegung
- 28
- Kontaktlasche/Messabgang
- 30
- Stabilisierungselement
- 32
- Füßchen
- 34
- Positionierungsloch
- 36
- Zentralaussparung
- 38
- Randaussparungen
- 40
- Leiterstreifen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007031860 A1 [0004]
- DE 202009002852 U1 [0005, 0031, 0031]