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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Zellverbund gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien für die Verwendung in einem Fahrzeug bekannt, die eine Vielzahl von in Reihe und/oder in Serie geschalteten Einzelzellen aufweisen. Dabei sind die Einzelzellen im Allgemeinen zusammen mit einer Steuerungs- und/oder Überwachungselektronik und einer Kühlungsvorrichtung in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet. Für die Einzelzellen sind verschiedene Bauformen bekannt und gebräuchlich.
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Aus der
DE 10 2007 036 849 ,
DE 10 2007 036 847 und
DE 10 2007 063 179 ist eine bipolare Flachzelle, die im Folgenden auch als Einzelzelle bezeichnet wird, bekannt, die ein Einzelzellgehäuse aufweist, das aus zwei elektrisch und thermisch leitfähigen, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Hüllblechen und einem dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen gebildet ist. Die Hüllbleche sind durch den Rahmen elektrisch voneinander isoliert. Zumindest ein Teil des elektrisch isolierenden Rahmens ist aus einem thermoplastischem Material und insbesondere Kunststoff gefertigt. Der stoffschlüssige Verschluss der Einzelzelle bzw. die Verbindung der Hüllbleche mit dem thermoplastischen Rahmen wird mittels bekannter Heißpressverfahren erreicht.
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Dabei sind die insbesondere aus einem Metall gefertigten Hüllbleche einerseits als elektrischer Pol und andererseits als Wärmeleitblech ausgeführt. Eine beim Laden und Entladen der Flachzelle entstehende Wärme ist über die entsprechend aufgedickten Hüllbleche nach außen hin ableitbar. Die Wärme ist einer Kühlplatte zuführbar, die von einem Klimakühlmittel und/oder von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Im Bereich der Kühlplatte sind die Hüllbleche parallel zu der Kühlplatte um 90° abgewinkelt, um die Wärmeleitung zu verbessern.
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Zur elektrischen Isolation der Hüllbleche von der aus metallischem Material gefertigten Kühlplatte ist zwischen Hüllblech und Kühlplatte eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet.
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Im Inneren der Einzelzelle sind mit elektrochemisch aktiven Materialien beschichtete Kathoden- und Anodenfolien zu einem Elektrodenfolienstapel zusammengefasst angeordnet, wobei die Kathoden- und Anodenfolien mittels eines Separators elektrisch voneinander getrennt sind. Ein jeweiliger Randbereich des Elektrodenfolienstapels ist beispielsweise durch Schweißung mit dem den elektrischen Pol bildenden Hüllblech verbunden.
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Eine Vielzahl solch ausgebildeter Einzelzellen ist nebeneinander und parallel zueinander zur Bildung eines Zellverbunds anordbar. Dabei liegen jeweils zwei mit einem elektrischen Pol verbundene Hüllbleche aneinander an, so dass die jeweils zwei Hüllbleche elektrisch leitfähig und kraftschlüssig verbunden und die Einzelzellen in Reihe geschalten sind.
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An den jeweiligen Enden des so gebildeten Zellverbunds sind elektrisch leitfähige Polplatten angeordnet, die mit jeweils einem Hüllblech kraftschlüssig in Verbindung stehen und so die beiden Hochvoltanschlüsse unterschiedlicher Polarität der Batterie bilden.
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Zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen den einzelnen Einzelzellen des Zellverbunds untereinander und zwischen den Polplatten und den jeweilig angrenzenden Einzelzellen sind Spannelemente vorgesehen, wie beispielsweise den Zellverbund umlaufende Spannbänder und/oder im Zellverbund verlegte Zuganker, mittels derer die Polplatten und die Einzelzellen in einer senkrecht zu dem Elektrodenstapel verlaufenden axialen Richtung miteinander verpressbar sind.
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Bei einer Überladung der Einzelzelle oder bei einem Kurzschluss kann sich innerhalb der Einzelzelle ein erhöhter Innendruck aufbauen. Bei einzelnen und unverpressten Einzelzellen beulen sich die Hüllbleche bereits bei einer relativ geringen Erhöhung des innerhalb der Einzelzelle vorliegenden Innendrucks aus. Erreicht dieser erhöhte Innendruck einen bestimmten Wert, so löst sich die stoffschlüssige Verbindung zwischen Hüllblech und Rahmen auf Grund von einer durch den erhöhten Innendruck hervorgerufenen Schälspannung.
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Bei den im Zellverbund mittels des Spannelements und der Polplatten axial verpressten Einzelzellen wird durch die Erhöhung des Innendrucks die Heißpressverbindung zwischen Rahmen und Hüllblech nur auf Schub belastet, so dass ein Lösen des Rahmens von dem Hüllblech erst bei großen Drücken erfolgt.
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Der erhöhte Innendruck muss ab Überschreiten eines Grenzwerts mittels eines kontrollierten Öffnens der Zelle abgebaut werden, um eine exotherme Kettenreaktion der Zellchemie („thermal runaway”) und/oder eine Explosion zu verhindern. Üblicher Weise weist dazu das Einzelzellengehäuse eine Bersteinrichtung, eine so genannte Ventingöffnung auf, bei der ein Teil des die Einzelzelle umgebenden Einzelzellengehäuses geschwächt ist, um so eine Sollbruchstelle auszubilden. Erreicht oder überschreitet der Innendruck den Grenzwert, so berstet das Einzelzellengehäuse an der Sollbruchstelle und Gase können aus dem Inneren der Einzelzelle entweichen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Batterie anzugeben, die einen sicheren Gebrauch ermöglicht und insbesondere eine Explosionsgefahr der Batterie verringert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie weist einen Zellverbund auf, der aus einer Vielzahl von zueinander parallel und/oder in Reihe geschalteten Einzelzellen gebildet ist. Die Einzelzellen des Zellverbunds sind zueinander mittels eines Spannelements kraftschlüssig verbunden und innerhalb eines Batteriegehäuses angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Spannelement bei Erreichen oder Überschreiten eines innerhalb zumindest einer der Einzelzellen vorliegenden ersten kritischen Innendrucks derart expandierbar, dass zumindest eine äußere Abmessung dieser Einzelzelle des Zellverbunds änderbar ist.
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Zur Bildung des Zellverbunds sind die Einzelzellen mittels des Spannelements miteinander kraftschlüssig verpresst. Entsteht insbesondere durch einen Kurzschluss oder eine Überladung innerhalb einer Einzelzelle des Zellverbunds ein erhöhter erster kritischer Innendruck, so ist mittels des expandierbaren Spannelements auf besonders einfache Weise sichergestellt, dass sich eine äußere Abmessung der im Zellverbund angeordneten Einzelzelle zum Ausgleich des erhöhten Innendrucks ändern kann. Dabei ist es insbesondere einem die Einzelzelle umgebenden Einzelzellengehäuse ermöglicht, sich nach außen zu wölben.
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Liegt innerhalb der Einzelzelle ein zweiter kritischer Innendruck vor, der größer als der erste kritische Innendruck ist, so öffnet sich das Einzelzellengehäuse zum Druckabbau. Dabei können Gase dem Einzelzellengehäuse entweichen, womit eine Explosionsgefahr verhindert und/oder eine exotherme Kettenreaktionen der Zellchemie verhindert oder unterbrochen werden bzw. wird.
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Das Einzelzellengehäuse ist von zwei nebeneinander angeordneten Hüllblechen und einem dazwischen liegenden Rahmen auf besonders einfache Art und Weise gebildet. Bei Erreichen oder Überschreiten des zweiten kritischen Innendrucks berstet das Einzelzellengehäuse an einer Verbindungsnaht zwischen dem Rahmen und dem Hüllblech zum Druckausgleich auf. Somit entfällt bei der Herstellung der Einzelzellen die Notwendigkeit, eine Sollbruchstelle und/oder Berstöffnung in das Einzelzellengehäuse einzufügen. Dadurch ist insbesondere eine besonders kostengünstige Herstellung der Einzelzellen ermöglicht. Darüber hinaus weisen die so gefertigten Einzelzellen gegenüber Einzelzellen mit Berstöffnungen, Sollbruchstellen und/oder partieller Schwächung des Einzelzellengehäuses eine vergrößerte mechanische Robustheit auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
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Eine so ausgebildete Batterie eignet sich insbesondere als Energiespeichereinheit eines Antriebaggregats eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise kann die Batterie in einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug verwendet werden.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle,
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2 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle,
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3 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle mit erhöhtem Innendruck,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle mit erhöhtem Innendruck,
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5 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Batterie, die einen Zellverbund nebeneinander angeordneter Einzelzellen umfasst,
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6 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Batterie, deren Zellverbund zumindest eine Einzelzelle mit erhöhtem Innendruck umfasst und
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7 schematisch eine Schnittdarstellung einer Batterie, die ein Batteriegehäuse mit einem Anschlagelement umfasst.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen eine Einzelzelle 1, beispielsweise eine Lithium-Ionen Zelle, deren Einzelzellengehäuse 2 zwei Hüllbleche 2.1 und einen Rahmen 2.2 umfasst. Dabei ist der Rahmen 2.2 an den beiden nebeneinander angeordneten Hüllblechen 2.1 im umlaufenden Randbereich des Hüllblechs 2.1 stoffschlüssig angeformt und bildet so das Einzelzellengehäuse 2 der Einzelzelle 1. Der Rahmen 2.2 beabstandet die beiden Hüllbleche 2.1 im Abstand D zueinander.
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Zweckmäßiger Weise besteht der Rahmen 2.2 aus einem thermoplastischen Material und insbesondere Kunststoff, so dass der Rahmen 2.2 dem jeweiligen Hüllblech 2.1 mittels eines bekannten Heißpressverfahrens anfügbar ist.
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Innerhalb des so gebildeten Einzelzellengehäuses 2 ist ein Elektrodenstapel 3 angeordnet, der aus einer Vielzahl von elektrochemisch aktiven und übereinander gestapelten Elektrodenfolien besteht. Dabei sind die einzelnen Elektrodenfolien in nicht näher dargestellter Weise mittels eines Separators voneinander getrennt. Eine Vielzahl von Polkontakten des Elektrodenstapels 3 einer Polarität ist zu einer Ableiterfahne 3.1 zusammengefasst. Jeweils eine Ableiterfahne 3.1 ist mittels bekannter stoff-, kraft- und/oder formschlüssiger Verbindungen und insbesondere einer Schweißverbindung mit jeweils einem der Hüllbleche 2.1 elektrisch leitfähig verbindbar, so dass jeweils ein Pol der Einzelzelle 1 auf jeweils einem der beiden Hüllbleche 2.1 liegt.
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Ein randseitiger Abschnitt 2.1.1 des Hüllblechs 2.1 ist gegenüber dem Hüllblech 2.1 rechtwinklig angewinkelt und erstreckt sich in etwa über eine Hälfte einer Breite B des Hüllblechs 2.1.
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3 und 4 zeigen die Einzelzelle 1 nach 1 als eine in Folge eines erhöhten Innendrucks aufgewölbte Einzelzelle 1', bei der zumindest eine äußere Abmessung der Einzelzelle 1 in einer senkrecht zu den beiden nebeneinander angeordneten Hüllblechen 2.1 verlaufenden axialen Richtung A verändert ist. Dabei ist auf Grund des erhöhten Innendrucks zumindest ein Hüllblech 2.1 des Einzelzellengehäuses 2 nach außen gewölbt.
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4 zeigt eine Kraftrichtung K einer anliegenden Schälspannung, die von dem erhöhten Innendruck hervorgerufen ist. Dabei löst sich die stoffschlüssige Verbindung zwischen Rahmen 2.2 und Hüllblech 2.1 bei einer freiliegenden Einzelzelle 1' mit erhöhtem Innendruck bereits bei einer Schälspannung, die von einem Innendruck hervorgerufen wird, der unterhalb eines ersten kritischen Innendrucks liegt.
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In 5 ist eine Batterie 4 dargestellt, die einen Zellverbund aufweist, der von einer Vielzahl von nebeneinander und zueinander parallel angeordneten Einzelzellen 1 gebildet ist. Dabei liegen die Hüllbleche 2.1, die die Pole der Einzelzelle 1 bilden, derart kraftschlüssig aneinander an, dass die Einzelzellen 1 elektrisch in Reihe geschaltet sind. An einem jeweiligen Ende des Zellverbunds ist eine elektrisch leitfähige und insbesondere aus Metall gefertigte Polplatte 5 angeordnet, die mit dem jeweiligen angrenzenden Hüllblech 2.1 kraftschlüssig und elektrisch leitfähig verbunden ist. Die beiden Polplatten 5 bilden den Polanschluss der Batterie 4.
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Zur Bildung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Einzelzellen 1 und den Polplatten 5 und den Einzelzellen 1 untereinander weist die Batterie 4 ein als Spannband ausgebildetes Spannelement 6 auf, das den Zellverbund und die beiden endseitig angeordneten Polplatten 5 umläuft. Mittels des Spannelements 6 sind die Polplatten 5 und die dazwischen angeordneten Einzelzellen 1 in der axialen Richtung A gegeneinander verpressbar.
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Eine Kühlplatte 7 ist an einer Seite des Zellverbunds zur Kühlung der Batterie 4 angeordnet. Dabei weisen zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit die jeweiligen rechtwinklig abgewinkelten randseitigen Abschnitte 2.1.1 der Einzelzellengehäuse 2 in Richtung der Kühlplatte 7. Zwischen den randseitigen Abschnitten 2.1.1 und der Kühlplatte 7 ist in nicht näher dargestellter Weise eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie, die insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, angeordnet.
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Die Kühlplatte 7 ist kraftschlüssig mittels des umlaufenden Spannbands an dem Zellverbund der Einzelzellen 1 und den Polplatten 5 fixiert. Zur Kühlung der Kühlplatte 7 ist diese in nicht näher dargestellter Weise von einem gas- oder flüssigen Kühlmittel um- oder durchströmbar. Insbesondere kann bei Verwendung der Batterie 4 in einem Kraftfahrzeug das Kühlmittel ein Klimamittel einer Fahrzeugklimaanlage sein.
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6 zeigt die bereits beschriebene Batterie 4, bei der der Zellverbund eine Einzelzelle 1' aufweist, die einen erhöhten Innendruck aufweist. Dabei weist die Einzelzelle 1' den ersten kritischen Innendruck auf, so dass sich zumindest eine äußere Abmessung der im Zellverbund angeordneten Einzelzelle 1' verändert. Dabei wird von dem Innendruck eine in der axialen Richtung A wirkende Kraft erzeugt, mittels derer zumindest eine weitere, von der Einzelzelle 1' verschiedene, Einzelzelle 1 bewegbar und insbesondere im Zellverbund verschiebbar ist.
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Dazu ist das Spannelement 6 vollständig oder zumindest ein Abschnitt 6.1 des Spannelements 6 aus einem derartig flexiblen Material gefertigt, dass dieses bei Erreichen oder Überschreiten des ersten kritischen Innendrucks ausdehnbar ist. Das Spannelement 6 gibt bei der Ausdehnung insbesondere in axialer Richtung A genügend Bauraum frei, so dass sich die Einzelzelle 1' mit erhöhtem Innendruck bei Erreichen oder Überschreiten eines zweiten kritischen Innendrucks öffnen kann. Dabei löst sich die stoffschlüssige Verbindung zwischen Hüllblech 2.1 und Rahmen 2.2 der Einzelzelle 1' bei Erreichen oder Überschreiten des zweiten kritischen Innendrucks und ein innerhalb der Einzelzelle 1' befindliches Gas entweicht.
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Einer möglichen Ausbildung der Erfindung zufolge reist bzw. durchtrennt sich das Spannelement 6 im Bereich des Abschnitts 6.1, wenn eine Einzelzelle 1' den ersten kritischen Innendruck erreicht oder überschreitet. Dazu kann beispielsweise das Spannelement 6 derart ausgebildet sein, dass eine Zugfestigkeit des Spannelements 6 im Abschnitt 6.1 vermindert ist.
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Weiterhin ist in nicht näher dargestellter Weise das Öffnen von mehreren mit einem Innendruck beaufschlagten Einzelzellen 1' vorgesehen. Falls mittels der Ausdehnung des Spannelements 6 nicht genügend viel axialer Bauraum zum gleichzeitigen Öffnen einer Vielzahl von Einzelzellen 1' mit erhöhtem Innendruck zur Verfügung gestellt wird, so öffnen sich die Einzelzellen 1' nacheinander. Dabei öffnet sich die Einzelzelle 1 mit dem höchsten Innendruck bei Erreichen oder Überschreiten des zweiten kritischen Innendrucks zuerst. Nach dem Entweichen des Gases und nach dem Abbau des erhöhten Innendrucks wird diese Einzelzelle 1' wieder zusammengedrückt, wobei der axiale Bauraum wieder freigegeben wird.
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7 zeigt eine alternative Ausführung der Erfindung, bei der der Zellverbund von Einzelzellen 1, die Kühlplatte 7 und die Polplatten 5 von einem Batteriegehäuse 4.1 umgeben ist. Dabei sind die Einzelzellen 1 des Zellverbunds relativ zueinander verschiebbar gelagert, so dass sich eine Einzelzelle 1', deren Innendruck dem ersten kritischen Innendruck entspricht, ausdehnen kann. Zu dieser Ausdehnung ist ein axialer Bauraum entlang der axialen Richtung A vorgesehen, der von zumindest einem endseitigen Anschlagelement 4.1.1 begrenzt ist. Innerhalb des Batteriegehäuses 4.1 ist dem Zellverbund somit ein axialer Bauraum zur Verfügung gestellt, der die Summe der Abstände D der Hüllbleche 2.1 im Zellverbund übersteigt. Eine unbegrenzte Ausdehnung des Zellverbunds ist insbesondere mittels einer Vielzahl von Anschlagelementen 4.1.1 verhindert.
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Die freiliegende Einzelzelle 1', die nicht in dem Zellverbund eingespannt ist und beispielsweise in 4 dargestellt ist, öffnet sich auf Grund der fehlenden Verpressungskräfte bei einem Innendruck, der unterhalb des ersten kritischen Innendrucks liegt. Damit können bei freiliegenden Einzelzellen 1, die bei Herstellung, Transport und Montage nicht von einer Schutzhülle umgeben sind, bereits geringe Innendrücke abgebaut werden. Insbesondere wird dieser geringe Innendruck bereits von einem innerhalb der Einzelzelle 1 befindlichem Gas mit geringem Energiegehalt hervorgerufen und somit eine mögliche thermische Kettenreaktion sofort unterbrochen. Die in einem Zellverbund angeordneten und kraftschlüssig verpressten Einzelzellen 1 öffnen sich erst bei dem höher liegenden zweiten kritischen Innendruck, so dass eine hohe Robustheit der Batterie 4 gegenüber mechanischer Belastung erreicht ist, wenn der Zellverbund von einem Druck und Temperatur abbauendem Batteriegehäuse 4.1 umgeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 1'
- Einzelzelle mit erhöhtem Innendruck
- 2
- Einzelzellengehäuse
- 2.1
- Hüllblech
- 2.1.1
- randseitiger Abschnitt
- 2.2
- Rahmen
- 3
- Elektrodenstapel
- 3.1
- Ableiterfahne
- 4
- Batterie
- 4.1
- Batteriegehäuse
- 4.1.1
- Anschlagelement
- 5
- Polplatte
- 6
- Spannelement
- 6.1
- Abschnitt des Spannelements
- 7
- Kühlplatte
- A
- axiale Richtung
- B
- Breite des Hüllblechs
- D
- Abstand der Hüllbleche
- K
- Kraftrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007036849 [0003]
- DE 102007036847 [0003]
- DE 102007063179 [0003]
