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Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Batterieeinheit mit zumindest zwei Batteriemodulen.
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Leistungsfähige modulare Batterieeinheiten finden in vielen Gebieten Anwendung, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zum Betrieb von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Bei dem Betrieb derartiger Batterieeinheiten entstehen oftmals große Wärmemengen, sodass eine aktive Kühlung der Batteriemodule – etwa durch einen Kühlmittelkreislauf – erforderlich ist. Es stellt sich dabei regelmäßig das Problem, die aktive Kühlung auf der einen Seite möglichst effizient auszugestalten, auf der anderen Seite sollen aber auch die Kosten zur Bereitstellung der Kühlung gering gehalten werden. Aufgrund eines stetig wachsenden Kostendrucks soll die Montage von solchen, mit einer aktiven Kühlung versehenen Batterieeinheiten möglichst einfach sein, ohne dass Kompromisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und/oder Zuverlässigkeit der Batterieeinheiten eingegangen werden müssen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Batterieeinheit zu schaffen, die auf effiziente und zuverlässige Weise gekühlt wird, die gleichzeitig aber auch kostengünstig herstellbar und/oder einfach montierbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Batterieeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß weist die modulare Batterieeinheit zumindest zwei Batteriemodule auf, die jeweils an einer ihrer Außenseiten mit einem Kühlmittel gekühlten Kühlkörper versehen sind. Der Kühlkörper bedeckt die eine Außenseite zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig. Die Kühlkörper stehen durch zumindest ein separates Verbindungsstück miteinander in Fluidverbindung.
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Mit anderen Worten wird ein separates Verbindungsstück bereitgestellt, mit dem die Kühlkörper derart verbunden werden können, dass ein Kühlmittelaustausch zwischen ihnen möglich ist. Ein separates Verbindungsstück lässt sich auf einfache Weise kostengünstig herstellen und erleichtert die Montage der modularen Batterieeinheit.
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Um eine möglichst einfache und effiziente Kühlung der Batteriemodule zu erreichen, sind die Kühlkörper an jeweils zumindest einer ihrer Außenseiten angeordnet. Je nach Auslegung der Kühlkörper und der Temperaturentwicklung beim Betrieb der Batteriemodule kann die entsprechende Außenseite teilweise oder vollständig von dem Kühlkörper bedeckt sein. Der Kühlkörper kann beispielsweise ein Spritzguss- oder Alugussbauteil sein, das neben der Kühlfunktion noch eine Befestigungs- und/oder Stabilisierungsfunktion aufweist. Insbesondere sind die Kühlkörper durch stabilisierende Rippen versteift.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kühlkörper in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. In vielen Fallen ist es vorteilhaft, wenn die Kühlkörper in Bezug auf eine Einbaulage der Batterieeinheit an einem Boden der Batteriemodule angeordnet sind. Die Batteriemodule ”stehen” somit in montiertem Zustand auf den Kühlkörpern.
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Das Verbindungsstück ist insbesondere lösbar mit den Kühlkörpern verbunden, wobei die lösbare Verbindung beispielsweise eine Steckverbindung ist. Dies erleichtert die Montage der modularen Batterieeinheit.
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Das Verbindungsstück kann starr ausgebildet sein und/oder ein Kunststoff-Spritzgussteil sein. Es kann zumindest eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen, in die jeweils ein Kopplungsfortsatz der Kühlkörper einführbar ist und die durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Die Kupplungsfortsätze stellen eine zuverlässige Verbindung zu dem Verbindungsstück her.
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Zur effizienten Abdichtung der Verbindung zwischen den Kühlkörpern und dem Verbindungsstück können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung jeweils eine nutartige Vertiefung aufweisen, in der ein Dichtelement, bevorzugt ein O-Ring angeordnet ist.
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Zur Minimierung des Strömungswiderstands im Kühlmittelkreislauf können die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung jeweils eine Ebene aufspannen, die relativ zu einer Ebene geneigt angeordnet ist, die durch den der jeweiligen Öffnung zugeordneten Kühlkörper aufgespannt wird. Dies erleichtert ein Einströmen des Kühlmittels in das Verbindungsstück bzw. ein Ausströmen des Kühlmittels aus dem Verbindungsstück bei einer entsprechenden Anbindung an den jeweiligen Kühlkörper. Beispielsweise können die Kopplungsfortsätze ebenfalls schräg angeordnet sein.
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Gemäß einer kostengünstig herstellbaren Ausführungsform des Verbindungsstücks ist dieses in einem Querschnitt senkrecht und/oder parallel zu einer Verbindungslinie zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung rechteckig oder trapezförmig ausgestaltet.
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Jeder Kühlkörper kann zumindest eine Ausnehmung aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass das Verbindungsstück in montiertem Zustand so in der Ausnehmung positionierbar ist, dass das Verbindungsstück eine dem Batteriemodul abgewandte Fläche des Kühlkörpers nicht überragt, insbesondere dass das Verbindungsstück mit der dem Batteriemodul abgewandten Fläche des Kühlkörpers bündig abschließt. Dadurch wird sichergestellt, dass die modulare Batterieeinheit in einem montierten Zustand möglichst kompakt ist und möglichst wenig hervorstehende Konturen aufweist, die einen Einbau erschweren. Ein bündiges Abschließen des Verbindungsstücks mit der dem Batteriemodul abgewandten Fläche des Kühlkörpers ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kühlkörper zur Montage von oben mit dem jeweiligen Verbindungsstück verbunden wird, sodass das entsprechende Batteriemodul auf dem Verbindungsstück ”steht”. Durch das bündige Abschließen ist sichergestellt, dass das Verbindungsstück durch das Aufsetzen des Batteriemoduls zuverlässig mit dem Kühlkörper verbunden ist.
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Mit anderen Worten wird bei einer Montage der modularen Batterieeinheit auf einer zumindest im Bereich des Verbindungsstücks und in angrenzenden Bereichen ebenen Fläche automatisch eine korrekte Verbindung hergestellt. Insbesondere kann das Verbindungsstück zumindest teilweise formschlüssig in der Ausnehmung aufgenommen werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Verbindungsstücks und eine komplementäre Ausbildung der Ausnehmung kann überdies sichergestellt werden, dass das Verbindungsstück lediglich auf korrekte Weise mit dem Kühlkörper verbunden werden kann.
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Zur Erleichterung der Montage der Batterieeinheit können das Verbindungsstück und/oder die Kühlkörper zumindest ein Führungselement aufweisen, das in eine komplementäre Führungsausnehmung der Kühlkörper bzw. des Verbindungsstücks einführbar ist. Beispielsweise können Stifte und/oder schienenartige Führungen als Führungselemente fungieren, die in Zusammenwirken mit entsprechenden Bohrungen oder komplementären Führungsflächen eine korrekte Zentrierung bzw. Positionierung der beteiligten Komponenten gewährleisten.
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Das Verbindungsstück und/oder die Kühlkörper können zumindest einen Rastabschnitt aufweisen, der mit einem komplementär ausgebildeten Rastelement der Kühlkörper bzw. des Verbindungsstücks verrastbar ist. Durch die Rastverbindung kann sichergestellt werden, dass das Verbindungsstück und die Kühlkörper mit einer geeigneten minimalen Kraft zusammengehalten werden. Um eine Demontage des Verbindungsstücks zu erleichtern, können der Rastabschnitt und/oder das Rastelement eine Sollbruchstelle aufweisen. Bevorzugt ist die Sollbruchstelle dem Verbindungsstück zugeordnet, damit eine Beschädigung der Kühlkörper bei einer Demontage vermieden wird, da diese in der Regel in der Herstellung teurer sind als das vergleichsweise einfach aufgebaute Verbindungsstück.
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Um die Kühlkörper mit einem Kühlmittelsystem zu koppeln, kann zumindest einer der Kühlkörper mit einem Verbindungsendstück, das bevorzugt baugleich zu dem Verbindungsstück ausgebildet ist, in Fluidverbindung stehen, wobei das Verbindungsendstück mit einer Sammelleitung in Fluidverbindung steht.
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Die Sammelleitung kann zumindest zwei Leitungsmodule umfassen, die durch ein flexibles Kopplungsglied, insbesondere durch einen Faltenbalg miteinander fluiddicht koppelbar sind, um durch Form- und Lagetoleranzen bedingte Variationen im Aufbau der Batterieeinheit ausgleichen zu können, die sich bei der Montage der modularen Batterieeinheit ergeben. Es versteht sich, dass die Sammelleitung Anschlusskomponenten aufweisen kann, die komplementär zu den in Zusammenhang mit dem Verbindungsstück beschriebenen Komponenten – wie beispielsweise Querschnittsgeometrie, Führungselement, Rastabschnitt – ausgebildet sind.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines Batteriemoduls mit montierten Verbindungsstücken,
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2a eine Ausführungsform des Verbindungsstücks in einer Perspektivansicht,
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2b und 2c verschiedene Querschnittsformen des Verbindungsstücks,
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3a eine Prinzipskizze zur Montage einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit,
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3b eine teilweise montierte erfindungsgemäße Batterieeinheit,
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4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterieeinheit in einer Perspektivansicht von schräg unten mit montierten Sammelleitungen, und
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5 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Sammelleitung.
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1 zeigt ein Batteriemodul 10, das eine Mehrzahl von Batteriezellen 12 umfasst. Die Batteriezellen 12 weisen jeweils elektrische Anschlüsse 14, 14' auf, mittels derer die Batteriezellen 12 in geeigneter Weise elektrisch miteinander verschaltet werden können.
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Um die Batteriezellen 12 mechanisch miteinander zu verbinden, ist eine Befestigungsplatte 16 vorgesehen, die von oben auf die das Batteriemodul 10 bildenden Batteriezellen 12 gesetzt wird. Die Seitenwände des Batteriemoduls 10 werden durch einen Rahmen 18 gebildet, der eine seitliche Stabilisierung des Zellenpakets bewirkt.
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An der Unterseite des Batteriemoduls 10 ist ein Kühlkörper 20 befestigt. Der Kühlkörper 20 wird von einem Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchströmt, um die bei Betrieb des Batteriemoduls 10 auftretende Abwärme abführen zu können. Die einzelnen Batteriezellen 12 und/oder der Rahmen 18 können auf verschiedene Weise mit dem Kühlkörper 20 verbunden sein, beispielsweise durch Kleben oder durch mechanische Verbindungen. Bei einer Verbindung zwischen den Batteriezellen 12 und dem Kühlkörper 20 ist darauf zu achten, dass diese Verbindung eine gute Wärmeleitung ermöglicht, um gute Kühlergebnisse zu erzielen.
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Der Kühlkörper 20 bedeckt vollständig den Boden der Batteriezellen 12. In Abhängigkeit von der bei Betrieb des Batteriemoduls 10 auftretenden Abwärme und der Kühlleistung des Kühlkörpers 20 kann jedoch auch vorgesehen sein, lediglich einen den Boden der Batteriezellen 12 nur teilweise oder einen nicht alle Batteriezellen 12 erfassenden Kühlkörper vorzusehen.
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Um den Kühlkörper 20 des Batteriemoduls 10 an ein Kühlmittelsystem anbinden zu können, sind Verbindungsstücke 22 vorgesehen. Die Verbindungsstücke 22 ermöglichen eine Kopplung des Kühlkörpers 20 mit dem jeweiligen Kühlkörper 20 benachbarter Batteriemodule 10, sodass die Kühlkörper 20 beispielsweise nacheinander von einem Kühlmittel durchströmt werden können. Andere Arten der Verschaltung der Kühlkörper 20 sind aber auch möglich.
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2a zeigt eines der Verbindungsstücke 22 in einer Perspektivansicht. Das Verbindungsstück 22 ist ein Bauteil, das separat von dem Kühlkörper 20 ausgebildet ist. Es ist insbesondere ein kostengünstig herstellbares Kunststoff-Spritzgussteil. Das Verbindungsstück 22 weist zwei Öffnungen 24, 24' auf, die – je nach Strömungsrichtung des Kühlmittels – als Ein- bzw. Auslassöffnung fungieren können. Ferner ist das Verbindungsstück 22 mit Zentrierstiften 26 versehen, die in komplementär ausgebildete Bohrungen an dem Kühlkörper 20 einführbar sind, sodass stets eine korrekte Montage des Verbindungsstücks 22 an dem Kühlkörper 20 sichergestellt ist.
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Zur Aufnahme des Verbindungsstücks 22 ist der Kühlkörper 20 mit einer komplementär zu der in 2a sichtbaren Oberseite des Verbindungsstücks 22 ausgebildeten Ausnehmung versehen (nicht gezeigt), sodass das Verbindungsstück 22 darin ”versenkt” werden kann. Eine zuverlässige Fixierung des Verbindungsstücks 22 in der genannten Ausnehmung wird durch Rastelemente 28 sichergestellt, die in entsprechende Rastabschnitte in der Ausnehmung des Kühlkörpers 20 eingreifen, wenn das Verbindungsstück 22 korrekt in der Ausnehmung platziert ist. Ein unbeabsichtigtes Lösen des Verbindungsstücks 22 wird so zuverlässig verhindert. Sollte das Verbindungsstück 22 gelöst werden müssen (z. B. zur Wartung der Batterieeinheit), so soll verhindert werden, dass der Kühlkörper 20 beschädigt wird. Dazu sind die Rastelemente 28 jeweils mit einer nicht gezeigte Sollbruchstelle versehen. Bei Entfernen des Verbindungsstücks 22 brechen die Rastelemente 28 an diesen Sollbruchstellen ab, bevor eine Beschädigung des Kühlkörpers 20 auftritt.
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Zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Kühlkörper 20 und dem Verbindungsstück 22 werden hohlzylinderartige Kopplungsfortsätze an den Kühlkörper 20 in die jeweilige Öffnung 24, 24' eingeführt. Die Öffnungen 24, 24' weisen jeweils einen nutförmigen Absatz 30, 30' auf, in dem jeweils ein O-Ring (nicht gezeigt) angeordnet ist. Bei korrekter Montage des Verbindungsstücks 22 an dem Kühlkörper 20 – also wenn diese beiden Komponenten miteinander verrastet sind – wird auf den O-Ring genug Anpresskraft ausgeübt, um eine zuverlässige Dichtwirkung zu erzielen.
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2b zeigt einen Querschnitt durch das Verbindungsstück 22 der 2a in einer Schnittebene S, in der auch die Mittelpunkte der Öffnungen 24, 24' angeordnet sind. 2b ist ein Kanal 32 zu entnehmen, der die Öffnungen 24, 24' miteinander verbindet, um einen Fluidfluss zwischen benachbarten Kühlkörpern 20 zu ermöglichen.
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2c zeigt eine alternative Ausführungsform des Verbindungsstücks 22. Der Querschnitt des Verbindungsstücks 22 der 2c ist in der Schnittebene S trapezförmig ausgebildet. Bei einer entsprechend schrägen Anordnung der Kopplungsfortsätze der Kühlkörper 20 wird eine strömungstechnisch günstige Konfiguration ermöglicht. Das Kühlmittel muss hier nicht zweimal um 90° abgelenkt werden, um von einem Kühlkörper 20 zu einem benachbarten Kühlkörper 20 zu gelangen.
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Mit anderen Worten spannen die Öffnungen 24, 24' bei der in 2c gezeigten Ausführungsform des Verbindungsstücks 22 zueinander und zu einer Grundfläche G des Verbindungsstücks geneigte Ebenen auf. Es versteht sich, dass eine das Verbindungsstück 22 aufnehmende Ausnehmung an dem jeweiligen Kühlkörper 20 eine komplementäre Querschnittsgeometrie aufweist, um eine möglichst zuverlässige Verbindung der beiden genannten Komponenten zu ermöglichen.
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3a zeigt schematisch, wie eine modulare Batterieeinheit schrittweise aus mehreren Batteriemodulen 10a, 10b, 10c zusammengesetzt wird.
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Zur Aufnahme der Batteriemodule 10 ist ein Trägerrahmen 34 vorgesehen, an dem die Batteriemodule 10a, 10b, 10c befestigt werden, beispielsweise verschraubt werden. Zunächst wird das in 3a rechts gezeigte Modul 10a an dem Trägerrahmen 34 fixiert. Es ist bereits mit einem Verbindungsstück 22 versehen. Anschließend wird das mittlere Batteriemodul 10b – das ebenfalls bereits mit einem vormontierten Verbindungsstück 22 versehen ist – in seiner bestimmungsgemäßen Position befestigt. Dabei wird es automatisch mit dem freien Ende des bereits mit dem Kühlkörper 20 des Moduls 10a verbundenen Verbindungsstück 22 verbunden. Das Einsetzen des Batteriemoduls 10b von oben bewirkt, dass ein Kopplungsfortsatz des Kühlkörpers 20 bereits durch das Eigengewicht des Batteriemoduls 10b in die Öffnung 24 gedrückt und dort zuverlässig fixiert wird.
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Die Montage das linken Batteriemoduls 10c findet in analoger Weise statt. Danach ist der in 3b gezeigte Zustand erreicht. Es versteht sich, dass durch eine geeignete Ausgestaltung der Verbindungsstücke 22 und deren Befestigungsmöglichkeiten an den Kühlkörpern 20 beliebige, insbesondere flächige Anordnungen der Batteriemodule 10a, 10b, 10c möglich sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen benachbarten Batteriemodulen 10 mehr als eine Fluidverbindung hergestellt wird, indem mehrere Verbindungsstücke 22 bereitgestellt werden.
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Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise bei der Montage einer modularen Batterieeinheit ist einfach und kaum fehleranfällig. Zudem sind die benötigten Komponenten – nämlich die separaten Verbindungsstücke 22 – kostengünstig herstellbar. Auch wenn bei einer Demontage der modularen Batterieeinheit aufgrund der vorstehend beschriebenen Sollbruchstellen Verbindungsstücke 22 zu Bruch gehen sollten, so lassen sich diese ohne großen Kostenaufwand ersetzen. Dies erleichtert auch die Wartung der Batterieeinheit und den Austausch einzelner Batteriemodule 10a, 10b, 10c, falls dies erforderlich sein sollte.
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4 zeigt die in der 3b gezeigte Kombination der Batteriemodulen 10a, 10b, 10c in einer Ansicht von schräg unten. Es ist dadurch zu erkennen, dass die Verbindungsstücke 22 bündig mit der Unterseite der Kühlkörper 20 abschließen. Die Kühlkörper 20 sind an ihrer Unterseite mit einem Gitter von Versteifungsrippen 36 versehen, um die Stabilität der Gesamtanordnung zu erhöhen.
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Die Anbindung der Kühlkörper 20 an ein Kühlmittelsystem erfolgt über Sammelleitungen 38, zu denen über baugleich zu den Verbindungsstücken 22 ausgebildete Verbindungsendstücke 40 eine Fluidverbindung hergestellt wird. Die Verwendung baugleicher Verbindungsstücke 22 und Verbindungsendstücke 40 verringert die Herstellungskosten der modularen Batterieeinheit, da weniger unterschiedliche Bauteile benötigt werden. In besonderen Situationen können die Verbindungsendstücke 40 jedoch auch an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst sein und sich von den Verbindungsstücken 22 unterscheiden.
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Um eine zuverlässige Kopplung der aus mehreren Leitungsmodulen 42 bestehenden Sammelleitung 38 und der Verbindungsendstücke 40 zu ermöglichen, sind die Leitungsmodule 42 mit Ausnehmungen 44 versehen, die zumindest teilweise komplementär zu der Geometrie der Verbindungsendstücke 40 ausgebildet sind (5). Sie können auch Bohrungen zur Aufnahme der Zentrierstifte 26 und/oder zu den Rastelementen 28 komplementäre Rastabschnitte aufweisen.
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Um eine einfache Montage der Sammelleitungen 38 zu ermöglichen und Bauteiltoleranzen zu kompensieren, sind benachbarte Leitungsmodule 42 durch jeweils einen Faltenbalg 46 flexibel miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10a, 10b, 10c
- Batteriemodul
- 12
- Batteriezelle
- 14, 14'
- elektrischer Anschluss
- 16
- Befestigungsplatte
- 18
- Rahmen
- 20
- Kühlkörper
- 22
- Verbindungsstück
- 24, 24'
- Öffnung
- 26
- Zentrierstift
- 28
- Rastelement
- 30, 30'
- Absatz
- 32
- Kanal
- 34
- Trägerrahmen
- 36
- Versteifungsrippe
- 38
- Sammelleitung
- 40
- Verbindungsendstück
- 42
- Leitungsmodul
- 44
- Ausnehmung
- 46
- Faltenbalg
- S
- Schnittebene
- G
- Grundfläche
