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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren integrierten elektrischen Energiespeichern, insbesondere mehreren Doppelschichtkondensatoren.
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Der verstärkte Einsatz von Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen führt zu einem steigenden Bedarf an leistungsstarken und kompakten elektrischen Energiespeichern. Die elektrischen Energiespeicher kommen dabei sowohl als Energiequelle für die Elektroantriebe als auch zur Stabilisierung des Bordnetzes zum Einsatz. Dabei wird zwischen elektrochemischen (beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien) und elektrostatischen Energiespeichern (beispielsweise Doppelschichtkondensatoren) unterschieden. Die elektrochemischen Energiespeicher unterscheiden sich von den elektrostatischen Energiespeichern vor allem durch ihre deutlich höhere Speicherkapazität bei deutlich geringerer maximaler Leistungsabgabe. Zur Pufferung hoher Leistungsspitzen kommen in modernen Hybrid- oder Elektrofahrzeugen neben den elektrochemischen Energiespeichern meist auch elektrostatische Energiespeicher, insbesondere Doppelschichtkondensatoren zum Einsatz.
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Die kleinsten im Handel angebotenen Energiespeichereinheiten, sogenannte Energiespeicherzellen, umfassen meist eine minimale Konfiguration, bestehend aus einem Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden, einem dazwischen angeordneten Separator und gegebenenfalls einem Elektrolyt. Diese Anordnung ist meist gehäust und nach außen hermetisch abgedichtet. An der Außenseite des Gehäuses sind meist zwei entgegengesetzt gepolte elektrische Anschlüsse bzw. Ableitelektroden vorgesehen, welche mit der jeweiligen Elektrode im Inneren der Energiespeicherzelle kontaktiert sind. Über diese elektrischen Anschlüsse kann die Energiespeicherzelle von außen geladen und entladen werden. Die gängigsten Energiespeicherzellen weisen Betriebsspannung zwischen 1 und 4 Volt auf.
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Zur Darstellung höherer Spannungen ist es jedoch notwendig, mehrere dieser Energiespeicherzellen in Reihe zu schalten. Da bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen kurzzeitig Ströme von über 1000 Ampere durch diese Reihenschaltung fließen, sind die Anforderungen an die elektrischen Kontaktierungs- und Verbindungselemente hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und des inneren Widerstands sehr hoch. Die Konstruktion und Fertigung solcher Reihenschaltungen ist daher sehr aufwändig und kostspielig.
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Hinzu kommt, dass sich die äußeren Abmessungen der Energiespeicherzellen in Abhängigkeit von der Temperatur verändern können. Die elektrischen Verbindungselemente müssen daher so konstruiert sein, dass sie diese temperaturabhängigen geometrischen Veränderungen kompensieren können, um mechanische Spannungen und einen Bruch der Verbindung zu vermeiden.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass zur Bereitstellung hoher Spannungsniveaus, eine große Anzahl von einzelnen Energiespeicherzellen in Reihe zu schalten sind. Gleichzeitig besteht das Erfordernis, den Bauraum einer solchen Anordnung so gering wie möglich zu halten. Neben der Miniaturisierung der Energiespeicherzellen selbst muss daher auch der von den elektrischen Kontaktierungs- und Verbindungselementen beanspruchte Bauraum immer weiter verringert werden.
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Zur Sicherstellung eines optimalen Betriebs der Reihenschaltung aus Energiespeicherzellen ist es ferner notwendig, die Spannungen der einzelnen Energiespeicherzellen innerhalb einer solchen Reihenschaltung gegeneinander abzugleichen (auch als „Balancing“ bezeichnet). Dazu sind herkömmlicherweise an jeder der Energiespeicherzellen Kontaktleitungen vorgesehen, mittels denen nicht nur die individuellen Spannungen der Energiespeicherzellen messbar sind, sondern die Energiespeicherzellen auch individuell und gezielt geladen bzw. entladen werden können.
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Diese Kontaktleitungen sind herkömmlicherweise direkt an die elektrischen Verbindungselemente angeschlossen, sodass auch die Kontaktleitungen dieselben hohen Anforderungen an Stromfestigkeit und geringen inneren Widerstand erfüllen müssen. Dadurch werden die Kosten und der Herstellungsaufwand der Anordnung weiter erhöht.
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Aus dem oben dargelegten Sachverhalt wird deutlich, dass insbesondere an die elektrischen Verbindungselemente und die Kontaktleitungen für die Energiespeicherzellen hohe Anforderungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit, dem geringem Bauraum, dem geringem elektrischem Widerstand und der mechanischen Stabilität gestellt sind. Die Erfüllung dieser hohen Anforderungen geht mit hohen Kosten bei der Entwicklung und einem hohen Fertigungsaufwand einher.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Energiespeichervorrichtung bereit zu stellen, welche sich durch einen kompakten Aufbau und geringere Kosten auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die Energiespeichervorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Energiespeichervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen formuliert.
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Eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 1 weist ein Gehäuse auf, in dem zumindest zwei Kammern zur Aufnahme jeweils einer Energiespeichereinrichtung ausgebildet sind. Die Energiespeichervorrichtung weist ferner zumindest zwei Energiespeichereinrichtungen auf, welche in Reihe geschaltet und jeweils in einer der Kammern angeordnet sind. Die Energiespeichervorrichtung weist ferner einen ersten Pol auf, welcher mit der ersten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden, sowie einen zweiten Pol, welcher mit der letzten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden. Die Energiespeichervorrichtung weist ferner zumindest einen weiteren Pol auf, welcher mit zumindest einer der Energiespeichereinrichtungen derart elektrisch leitend verbunden ist, dass über diesen weiteren Pol die Spannung der jeweiligen Energiespeichereinrichtung individuell erfassbar ist.
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Bei den Energiespeichereinrichtungen kann es sich um elektrochemische und/oder elektrostatische Energiespeicher handeln. Bevorzugterweise sind die elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen als Lithium-Ionen-Zellen und die elektrostatischen Energiespeichereinrichtungen als Doppelschichtkondensatoren ausgebildet. Die Energiespeichereinrichtungen können eine positive und eine negative Elektrode, eine positive und negative Ableitelektrode (Kollektoren), einen dazwischenliegenden Separator und einen fließfähigen Elektrolyt ausweisen. Der Separator verhindert den unmittelbaren Kontakt zwischen den Elektroden und somit einen Kurzschluss. Der Elektrolyt bildet die leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Die zwei Kollektoren (flächige Ableitelektroden) kontaktieren die jeweils zugeordnete Elektrode und sind mit den äußeren Anschlüssen (Polen) verbunden.
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Das Gehäuse kann einen Grundkörper aufweisen, welcher als Behälter mit zumindest zwei voneinander getrennten, separaten Zellen bzw. Kammern zur Aufnahme jeweils einer Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist. Die Kammern können dabei einseitig offen sein, um die Platzierung der Energiespeichereinrichtungen zu ermöglichen. Die oben beschriebenen Energiespeichereinrichtungen werden jeweils in einer der Zellen bzw. Kammern angeordnet. Das Gehäuse kann ferner zumindest eine Verschlusseinrichtung zum dichten Verschließen der Kammern aufweisen. Die Verschlusseinrichtung und der Grundkörper des Gehäuses sind vorteilhafterweise derart ausgebildet und aufeinander angepasst, dass im verschlossenen Zustand die Kammern derart abgedichtet sind, dass der Elektrolyt aus den Kammern nicht austreten kann. Idealerweise sind die Kammern durch die Verschlusseinrichtung hermetisch abgedichtet (gas- und flüssigkeitsdicht).
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Die beiden Pole können am Gehäuse angeordnet sein und dienen als elektrische Anschlüsse. Die Pole können gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert sein. Über die Pole kann der Reihenschaltung aus Energiespeichereinrichtungen (also allen Energiespeichereinrichtungen gemeinsam) von außen elektrische Energie zugeführt oder entnommen werden.
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Bei dem mindestens einen weiteren Pol handelt es sich demnach um einen weiteren elektrischen Anschluss, welcher derart am Gehäuse angeordnet sein kann, dass die Spannung der jeweiligen Energiespeichereinrichtung von außerhalb erfassbar ist. Ferner kann mittels des mindestens einen weiteren Pols der jeweilig zugeordneten Energiespeichereinrichtung bzw. den zugeordneten Energiespeichereinrichtungen gezielt und individuell elektrische Energie zugeführt oder von entnommen werden. Dadurch ist ein gezielter Abgleich der Einzelspannungen der Energiespeichereinrichten von außen möglich. Vorteilhafterweise sind die Anzahl der zusätzlichen Pole und deren Anschlüsse an die Energiespeichereinrichtungen so gewählt, dass die Spannungen aller Energiespeichereinrichtungen innerhalb der Energiespeichervorrichtung individuell von außen ermittelt werden können.
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Die der Erfindung zugrundliegende Idee ist dahin zu sehen, mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen (beispielsweise Doppelschichtkondensatoren) in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren. Die Anzahl der in einer Energiespeichervorrichtung enthaltenen und in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen und damit die Gesamtspannung der Energiespeichervorrichtung richten sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Um die Kosten, den technischen Aufwand und den Bauraum der Energiespeichervorrichtung so gering wie möglich zu halten, weist das Gehäuse mehrere benachbarte Kammern auf, in welcher jeweils die Komponenten der Energiespeichereinrichtungen bzw. Energiespeicherzellen (beispielsweise die Elektroden, der Separator, der Elektrolyt und gegebenenfalls die Ableitelektroden) angeordnet werden können. Dazu ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Gehäuse zumindest einen Grundkörper in Form eines Behälters mit mehreren solchen Kammern und eine Verschlusseinrichtung zum dichten Verschließen der Kammern aufweist. Die elektrischen Verbindungselemente zum Verbinden der einzelnen Energiespeichereinrichtungen bzw. Energiespeicherzellen können sehr kurz und kompakt ausgeführt werden und sind daher sehr kostengünstig und platzsparend. Ferner sind sämtliche Verbindungsleitungen in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und dadurch gut vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt. Gegenüber einer Reihenschaltung aus herkömmlichen Energiespeicherzellen, welche jeweils ein eigenes Gehäuse mit jeweils außen liegenden, abgedichteten und elektrisch vom Gehäuse isolierten Polen aufweisen, kann die Anzahl der benötigten Verbindungselemente, der Bauraum, der technische und finanzielle Aufwand für deren Herstellung deutlich verringert, sowie die Betriebssicherheit deutlich gesteigert werden.
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So weist die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung lediglich zwei externe Anschlusspole auf, welche gegebenenfalls gegenüber dem Gehäuse abgedichtet und elektrisch isoliert sein müssen. Des Weiteren können die einzelnen Energiespeichereinrichtungen ihre geometrische Ausdehnung innerhalb des Gehäuses in Abhängigkeit von der Temperatur frei variieren, ohne dabei den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Energiespeichereinrichtungen zu beeinträchtigen. Dadurch können die teuren Verbindungselemente zwischen den Energiespeichereinrichtungen weniger aufwendig konstruiert werden, da ein Ausgleich geometrischer Veränderungen entfällt. Durch die Reduktion der Anzahl der benötigten Elemente und deren elektrischer Verbindungen reduziert sich auch der elektrische Widerstand der gesamten Energiespeichervorrichtung. Da die einzelnen Energiespeichereinrichtungen sowie deren elektrische Verbindung untereinander durch das gemeinsame Gehäuse sehr gut vor mechanischen Einflüssen geschützt sind, können sämtliche Komponenten sowie die einzelnen Verbindungen untereinander weniger robust ausgeführt werden, was Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Bauraums und des Gewichts mit sich bringt.
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Eine Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2 weist zwei Energiespeichereinrichtungen auf, welche mittels eines Abschnitts des Gehäuses elektrisch in Reihe verbunden sind, Der weitere Pol steht mit diesem Abschnitt des Gehäuses in elektrisch leitendem Kontakt.
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Zumindest dieser Abschnitt des Gehäuses besteht auf elektrisch leitendem Material. Vorzugswelche besteht das ganze Gehäuse aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Aluminium.
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In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind die zwei Energiespeichereinrichtungen jeweils in benachbarten Kammern angeordnet. Dabei sind die benachbarten Kammern durch eine Trennwand des Gehäuses getrennt, welche elektrisch leitendes Material aufweist. Die zwei Energiespeichereinrichtungen sind mittels der Trennwand elektrisch verbunden und in Reihe geschaltet. Der zumindest eine weitere Pol ist mit der Trennwand elektrisch leitend verbunden.
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Der große Vorteil an dieser Ausgestaltung ist, dass die Trennwand, welche die beiden Kammern für die Energiespeichereinrichtungen trennt, selbst auch die Funktion des elektrischen Verbindungselements zwischen den beiden Energiespeichereinrichtungen übernimmt. Dadurch ist es auch möglich, die Einzelspannungen der beiden Energiespeichereinrichtungen durch entsprechenden Spannungsabgriff an der Trennwand individuell zu ermitteln. Um diesen Spannungsabgriff auch von außerhalb des Gehäuses zu ermöglichen, ist der weitere Pol mit der Trennwand bzw. mit dem elektrisch leitenden Abschnitt der Trennwand elektrisch verbunden. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung kann die Anzahl der benötigten Komponenten und Verbindungselementen noch weiter reduziert werden, da die Trennwand mehrere Aufgaben gleichzeitig übernimmt. Dadurch können die Kosten, der Bauraum, das Gewicht und der technische Herstellungsaufwand noch weiter reduziert und die Betriebssicherheit weiter gesteigert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 4 weist das Gehäuse einen Behälter auf, in dem die Kammern ausgebildet sind und mittels dem die Energiespeichereinrichtungen elektrisch verbunden sind. Das Gehäuse wesit ferner zumindest eine Verschlusseinrichtung, welche zumindest eine der Kammern verschließt, und welche mit dem Behälter elektrisch verbunden ist und die Funktion des weiteren Pols übernimmt.
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Die Verschlusseinrichtung besteht zumindest abschnittsweise oder vollständig aus elektrisch leitendem Material. Diese Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung zeichnet sich durch eine weitere Reduzierung der verwendeten oder benötigten Komponenten aus. Die Verschlusseinrichtung übernimmt neben ihrer Funktion des dichten Verschließens der Kammern zusätzlich die Funktion des weiteren Pols, indem sie mit dem Behälter elektrisch verbunden ist und somit auf dem Potential der einzelnen Energiespeichereinrichtungen innerhalb der Energiespeichervorrichtung liegt. Somit kann über die Verschlusseinrichtung die Spannung der einzelnen Energiespeichereinrichtungen auf sehr einfache und kostengünstige Weise individuell ermittelt werden.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung durch Anspruch 5 weist diese mindestens zwei Energiespeichereinrichtungen auf, welche mittels elektrischer Verbindungsleitungen in Reihe geschaltet sind. Die Energiespeichervorrichtung weist mehrere weitere Pole auf, welche jeweils über eine Kontaktleistung derart unmittelbar mit einer der Energiespeichereinrichtungen verbunden sind, so dass über diese weiteren Pole die Spannung aller Energiespeichereinrichtungen innerhalb der Energiespeichervorrichtung von außen erfassbar ist.
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Die Verbindungsleitungen können dabei gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert sein und weisen vorteilhafterweise einen sehr geringen Innenwiderstand und eine hohe Stromtragfähigkeit auf. Bei dieser Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung sind separat von den hochstromtauglichen und niederohmigen Verbindungsleitungen zusätzliche Kontaktleitungen vorgesehen, welche unmittelbar, d. h. nicht über die Verbindungsleitungen, mit den Energiespeichereinrichtungen verbunden sind. Dadurch ist eine Ermittlung der individuellen Spannungen sämtlicher Energiespeichereinrichtungen von außerhalb des Gehäuses möglich. Der große Vorteil bei dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Kontaktleitungen separat von den Verbindungsleitungen vorgesehen sind. Im Falle einer Energieentnahme bzw. einer Energiezufuhr über den ersten und den zweiten Pol fließt daher kein Strom über die Kontaktleitungen. Diese dienen nämlich lediglich der Spannungsmessung an den einzelnen Energiespeichereinrichtungen und/oder dem gezielten Laden bzw. Entladen der individuellen Energiespeicherzellen zum Zwecke der Spannungsbzw. Ladungsangleichung. Da beim gezielten Laden oder Entladen der individuellen Energiespeichereinrichtungen erheblich geringere Ströme fließen, sind hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und des Innenwiderstands deutlich geringere Ansprüche an die Kontaktleitungen gestellt. Dadurch können diese deutlich kostengünstiger hergestellt werden.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 5 sind die Energiespeichereinrichtungen gewickelt oder gestapelt ausgeführt.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6 ist der Behälter derart ausgebildet, dass eine der Kammern zentral im Behälter angeordnet und von der anderen Kammer umfänglich umgeben ist. Der erste Pol ist an der Verschlusseinrichtung angeordnet. Der zweite Pol an dem Behälter angeordnet. Die Energiespeichereinrichtungen sind gewickelt ausgestaltet.
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Je nach Anwendungsfall kann eine gewickelte Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung von Vorteil sein. Bei der gewickelten Ausführung sind die einzelnen Energiespeichereinrichtungen konzentrisch zueinander angeordnet. Sowohl die Elektroden, die Separatoren und gegebenenfalls die Ableitelektroden der einzelnen Energiespeichereinrichtungen sind dabei gewickelt ausführt.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 7 sind die erste Energiespeichereinrichtung und die zweite Energiespeichereinrichtung mittels des Behälters elektrisch in Reihe geschaltet, wobei der Behälter die Funktion des weiteren Pols übernimmt.
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Bezüglich der Vorteile, die sich aus dieser Ausgestaltung ergeben, wird auf die Ausführungen zu Anspruch 4 verwiesen, welche analog gelten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Innenfiguren sind:
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1 Ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung mit drei Energiespeichereinrichtungen in gestapelter Bauform;
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2a–2c Schematische Darstellungen einer Energiespeichereinrichtung in unterschiedlichen Ansichten;
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3 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Energiespeichervorrichtung mit zwei Energiespeichereinrichtungen in gestapelter Ausführung;
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4 eine schematische Draufsicht einer Energiespeichereinrichtung in gewickelter Ausgestaltung;
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5a–5b schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels einer Energiespeichervorrichtung mit zwei Energiespeichereinrichtungen in gewickelter Ausführung;
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6a–6b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung mit zwei Energiespeichereinrichtungen in gewickelter Ausführung.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 mit mehreren integrierten Energiespeichereinrichtungen 2 schematisch dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, in dem drei, in Reihe geschaltete Energiespeichereinrichtungen 2 angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse 3 einen Behälter 3-1, in dem drei Kammern 4 bzw. Zellen zur Aufnahme jeweils einer Energiespeichereinrichtungen 2 ausgebildet sind. Der Behälter 3-1 ist vorzugsweise einstückig und aus einem stoßfesten, elektrisch leitenden Material gebildet, beispielsweise Aluminium. In Trennwänden des Behälters, welche benachbarte Kammern 4 voneinander abgrenzen, sind Durchbrüche 6 (vorteilhafterweise Bohrungen) ausgebildet, durch welche elektrische Verbindungsleitungen zur Herstellung einer Reihenschaltung zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen 2 geführt werden können.
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Das Gehäuse 3 weist ferner eine Verschlusseinrichtung 3-2 zum Verschließen der Kammern 4 bzw. Zellen auf. Die Verschlusseinrichtung 3-2 ist vorzugsweise einstückig als flächiger, plattenförmiger Körper aus stoßfestem, vorzugsweise metallischem Material hergestellt (beispielsweise Aluminium). Im Ausführungsbeispiel weist die Verschlusseinrichtung 3-2 vier Durchbrüche 7 (vorzugsweise Bohrungen) auf, durch welche die Energiespeicherzellen 2 von außen kontaktiert werden können. In 4 sind diese Durchbrüche 7 gestrichelt dargestellt. Die Verschlusseinrichtung 3-2 ist mit dem Behälter 3-1 fest verbunden, beispielsweise verschraubt, vernietet, verlötet, verschweißt oder verklebt. Der Behälter 3-1 und die Verschlusseinrichtung 3-2 sind derart ausgebildet und aneinander angepasst, dass im verschlossenen Zustand die Kammern 4 sowohl gegeneinander als auch nach außen abgedichtet, insbesondere hermetisch abgedichtet sind. Dies bedeutet, dass die Kammern 4 gegeneinander oder nach außen zumindest so dicht sind, dass Flüssigkeiten und vorteilhafterweise auch Gase weder in die Kammern 4 eintreten noch von diesen austreten können.
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In jeder der Kammern 4 ist eine Energiespeichereinrichtung 2 angeordnet. Bei den Energiespeichereinrichtungen 2 kann es sich um elektrochemische und/oder elektrostatische Energiespeicher handeln. Bei den elektrochemischen Energiespeichern kommen vorzugsweise solche auf Lithium-Basis, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, zum Einsatz. Bei den elektrostatischen Energiespeichern finden Kondensatoren, vorzugsweise Doppelschichtkondensatoren Verwendung. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann sowohl nur elektrochemische Energiespeicher als auch nur elektrostatische Energiespeicher als auch beide Arten von Energiespeichereinrichtungen 2 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 1 kommen ausschließlich Doppelschichtkondensatoren zum Einsatz.
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Der Aufbau der im Ausführungsbeispiel der 1 verwendeten Energiespeichereinrichtungen (Doppelschichtkondensatoren) wird anhand der 1 in Verbindung mit den 2a, 2b und 2c näher erläutert. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde auf die durchgängige Bezeichnung aller Bestandteile der Energiespeichereinrichtungen in den Figuren verzichtet. Der genaue Aufbau der Energiespeichereinrichtungen ergibt sich aus den exemplarischen, detaillierten Bezeichnungen in den 1, 2a, 2b und 2c, sowie aus den Bezeichnungen zur Polarität der Ableitelektroden.
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Wie aus den 2a, 2b und 2c hervorgeht, handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel der 1 um eine gestapelte Ausführung der Energiespeichereinrichtungen 2. Jede Energiespeichereinrichtung 2 weist zwei parallel geschaltete Doppelschichtkondensatoren 8 auf. Jeder der Doppelschichtkondensatoren 8 weist eine positive Elektrode 8-1, eine damit verbundene positive Ableitelektrode 8-2 sowie eine negative Elektrode 8-3 und eine damit elektrisch verbundene negative Ableitelektrode 8-4 auf. Die negative Elektrode 8-3 und die positive Elektrode 8-1 sind durch einen Separator 8-5 voneinander getrennt und dadurch gegen eine direkte Berührung und gegen Kurzschluss geschützt. Auch sind die Ableitelektroden 8-2, 8-4 von dem Gehäuse 3 durch Separatoren 8-5 elektrisch isoliert. Bei dem Separator 8-5 handelt es sich beispielsweise um eine elektrisch durchlässige Membran. Während die positive Elektrode 8-1 bzw. die negative Elektrode 8-3 zur Speicherung positiver bzw. negativer Ladungen dient, fungieren die positive bzw. die negative Ableitelektrode 8-2, 8-4 (auch als positiver Kollektor bzw. negativer Kollektor bezeichnet) zum elektrischen Anbinden der Elektroden an äußere Anschlüsse.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sogenannte gestapelte Ausführung der Energiespeichereinrichtungen 1. Die Ableitelektroden 8-2, 8-4, die Elektroden 8-1, 8-3 und die Separatoren 8-5 sind als ebene, großflächige, plattenförmige Körper ausgebildet und hintereinander gestapelt. Die beiden Doppelschichtkondensatoren 8 einer Energiespeichereinrichtung 2 sind, wie in den 2b und 2c dargestellt, über ihre Ableitelektroden 8-2, 8-4 parallel geschaltet. Die entsprechend zugeordneten Ableitelektroden 8-2, 8-4 können beispielsweise miteinander verlötet werden.
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Jede Energiespeichereinrichtung umfasst auch einen Elektrolyt (nicht explizit bezeichnet), welcher als Ionenleiter fungiert und so die Elektroden 8-1, 8-3 ionenleitend miteinander verbindet. Die Separatoren 8-5, die Ableitelektroden 8-2, 8-4 und die Elektroden 8-1. 8-3 sind vollständig mit dem Elektrolyt benetzt. Dazu sind die Kammern 4 des Behälters 3-1 des Gehäuses 3 größtenteils oder vollständig mit dem fließfähigen bzw. flüssigen Elektrolyt gefüllt. Aufgrund der Ausgestaltung des Behälters 3-1 und der Verschlusseinrichtung 3-2 des Gehäuses 3 und deren dichter Verbindung wird ein Austreten von Elektrolyt aus dem Gehäuse 3 sowie ein Übertritt von Elektrolyt von einer Kammer 4 zur nächsten sicher vermieden.
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Über die entsprechend ausgebildeten Durchbrüche 6 in den Trennwänden 5 des Behälters 3-1 des Gehäuses 3 sind die Energiespeichereinrichtungen 2 in Reihe geschaltet. Dazu sind die entsprechenden Ableitelektroden 3-2, 3-4 der Energiespeichereinrichtungen 2 über Verbindungsleitungen 9 entsprechend miteinander elektrisch verbunden. Die Verbindungsleitungen 9 verlaufen durch die in den Trennwänden 5 des Behälters 3-1 des Gehäuses 3 ausgebildeten Durchbrüchen 6. Die Verbindungsleitungen 9 können beispielsweise über Löt- oder Schweißverbindungen mit den Ableitelektroden 8-2, 8-4 der Energiespeichereinrichtungen 2 elektrisch verbunden werden. Die Durchbrüche 6, durch welche die Verbindungsleitungen verlaufen, sind jeweils mittels eines Dichtungselements 10 derart abgedichtet, dass ein Übertritt von Elektrolyt von einer Kammer 4 zur nächsten sicher unterbunden wird. Die Verbindungsleitungen 9 sind derart ausgebildet, dass sie einer Strombelastung von deutlich über 1000 Ampere standhalten können. Gleichzeitig sind sie aus einem Material gebildet und derart dimensioniert, dass der innere, elektrische Widerstand der Verbindungsleitungen 9 möglichst gering ist, um Verluste und Wärmeentwicklung so gering wie möglich zu halten. Die Verbindungsleitung kann beispielsweise aus Alu gefertigt sein, insbesondere Stanz-Biegeteile oder Rundteile.
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Wie in 1 dargestellt, weist die Energiespeichervorrichtung 1 einen ersten Pol 11, welcher mit der ersten Energiespeichereinrichtung 2 innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Pol 12, welcher mit der letzten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden ist, auf. Dabei sind der erste Pol 11 und der zweite Pol 12 entgegengesetzter Polarität. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Pol 11 mit den positiven Ableitelektroden 8-2 der ersten Energiespeichereinrichtung 2 innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden und daher von positiver Polarität. Der zweite Pol 12 ist mit den negativen Ableitelektroden 8-4 der letzten Energiespeichereinrichtung 2 innerhalb der Reihenschaltung elektrisch verbunden und daher von negativer Polarität. Die Pole sind vorzugsweise auf der Außenseite des Gehäuses 3, beispielsweise an der Außenseite der Verschlusseinrichtung 3-2, angeordnet und über die in der Verschlusseinrichtung 3-2 ausgebildeten Durchbrüche 7 mit den jeweiligen Ableitelektroden 8-2 bzw. 8-4 elektrisch kontaktiert. Beispielsweise können die Pole 11, 12 einen massiven elektrisch leitenden Zapfen aufweisen, welcher von außen durch die Durchbrüche 7 der Verschlusseinrichtung 3-2 durchgeführt ist, bis zu den jeweiligen Ableitelektroden 8-2 bzw. 8-4 ragt und mit diesen verlötet oder verschweißt ist. Über den ersten Pol 11 und den zweiten Pol 12 kann die Reihenschaltung aus Energiespeichereinrichtungen 2 von außen kontaktiert werden und elektrische Energie den Energiespeichereinrichtungen 2 entnommen oder zugeführt werden. Die Pole 11, 12 können auch als Anschlüsse oder Terminals bezeichnet werden
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Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Energiespeichervorrichtung zwei weitere Pole 13 auf, welche jeweils mit zumindest einer der Energiespeichereinrichtungen 2 derart elektrisch verbunden ist, dass mittels dieser zwei weiteren Pole 13 die Spannungen der jeweils zugeordneten Energiespeichereinrichtung individuell erfassbar bzw. messbar ist. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der weiteren Pole 13 und die Auswahl der damit kontaktierten Energiespeichereinrichtungen 2 so gewählt, dass die Spannungen sämtlicher Energiespeichereinrichtungen 2 von außen erfassbar sind. Da im Ausführungsbeispiel der 1 drei Energiespeichereinrichtungen 2 vorgesehen sind, sind zwei weitere Pole 13 notwendig, um die Einzelspannungen der drei Energiespeichereinrichtungen 2 von außen erfassen zu können. Dazu ist einer der weiteren Pole 13 unmittelbar mit den negativen Ableitelektroden 8-4 der ersten Energiespeichereinrichtung 2 innerhalb der Reihenschaltung (in 1 die linke Energiespeichereinrichtung 2) elektrisch kontaktiert. Der zweite weitere Pol ist dagegen mit den positiven Ableitelektroden 8-2 der letzten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung (in 1 die rechte Energiespeichereinrichtung 2) elektrisch kontaktiert. Die Einzelspannung der ersten Energiespeichereinrichtung 2 innerhalb der Reihenschaltung kann demnach an dem ersten Pol 11 und dem mit dieser Energiespeichereinrichtung 2 verbundenen weiteren Pol 13 (in 1 der linke weitere Pol 13) abgegriffen werden. Die Einzelspannung der zweiten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung kann über die beiden weiteren Pole 13 abgegriffen werden. Die Einzelspannung der letzten Energiespeichereinrichtung innerhalb der Reihenschaltung kann über den mit dieser Energiespeichereinrichtung 2 verbundenen weiteren Pol 13 weiteren Pol 13 (in 1 der linke weitere Pol 13) und den zweiten Pol abgegriffen werden. Die weiteren Pole 13 sind vorzugsweise von außen zugänglich am Gehäuse 3, insbesondere an der Außenseite der Verschlussvorrichtung 3-2, angeordnet und durch eine Kontaktleitung 14, welche durch entsprechend ausgebildete Durchbrüche 7 in der Verschlussvorrichtung 3-2 geführt sind, mit den entsprechenden Ableitelektroden 8-2 bzw. 8-4 der jeweils zugeordneten Energiespeichereinrichtung 2 elektrisch verbunden.
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Die Pole 11, 12 und die weiteren Pole 13 sind durch die Durchbrüche 7 der Verschlusseinrichtung 3-2 geführt und dabei mittels geeigneter Isolierelement (nicht dargestellt) gegenüber dem Gehäuse 3 elektrisch isoliert.
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Im Gegensatz zu dem ersten Pol 11, dem zweiten Pol 12 und den Verbindungsleitungen 9 sind an die weiteren Pole 13 und die zugeordneten Kontaktleitungen 14 hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und des inneren Widerstands erheblich geringere Anforderungen gestellt. Dadurch können sie hinsichtlich der Dimensionierung und der Materialauswahl deutlich kostengünstiger gestaltet werden.
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Über die weiteren Pole 13 kann neben der Spannungserfassung auch ein gezieltes, individuelles Laden und Entladen der Energiespeichereinrichtungen 2 ein Spannungsabgleich der Energiespeichereinrichtungen 2 erreicht werden. Die dabei fließenden Ströme bewegen sich im Bereich von Milliampere. Von daher ist die Belastung der weiteren Pole 13 und der Kontaktleitungen 14 erheblich geringer.
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Auch wenn in dem Ausführungsbeispiel der 1 lediglich drei Energiespeichereinrichtungen 2 in der Energiespeichervorrichtung 1 integriert sind, so kann diese auch so gestaltet werden, dass eine beliebige Anzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichereinrichtungen 2 vorgesehen ist. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann daher so konstruiert werden, dass deren Gesamtspannung optimal zu der jeweiligen Anwendung passt.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 in gestapelter Ausführung dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit werden im Folgenden nur die Unterschiede zu der Energiespeichervorrichtung 1, wie sie in 1 dargestellt ist, erläutert. Ansonsten entspricht die Konstruktion der Energiespeichervorrichtung 1 in 1.
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Die Energiespeichervorrichtung 1 in 3 weist im Unterschied zur Ausführungsform der 1 lediglich zwei Energiespeichereinrichtungen 2 auf. Der Behälter 3-1 des Gehäuses 3 weist zwei Kammern 4 zur Aufnahme der beiden Energiespeichereinrichtungen 2 auf. Der Behälter 3-1 ist dabei vorzugsweise vollständig aus elektrisch leitendem Material ausgebildet.
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Ein wesentlicher Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 1 ist darin zu sehen, dass die beiden Energiespeichereinrichtungen 2 mittels des Gehäuses 3 selbst, genauer gesagt mittels des Behälters 3-1 des Gehäuses 3, derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass sie eine Reihenschaltung bilden. Zu diesem Zweck kann der Behälter 3-1 des Gehäuses 3 eine Trennwand 5 (durch welche die beiden Kammern 4 getrennt sind) aufweisen, die an geeigneter Position über seitliche Fortsätze 5-1 verfügt. Diese Fortsätze sind mit den jeweiligen Ableitelektroden 8-2, 8-4 der Energiespeichereinrichtungen elektrisch kontaktiert, beispielweise verlötet oder verschweißt. Im Ausführungsbeispiel ist der gesamte Behälter 3-1 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium. Alternativ können kann auch nur ein Abschnitt der Trennwand 5 mit den Fortsätzen 5-1 aus elektrisch leitendem Material bestehen, während alle weiteren Abschnitte des Gehäuses aus elektrisch nicht leitendem Material hergestellt sind.
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Die Verschlusseinrichtung 3-2 des Gehäuses 3 ist vorzugsweise vollständig aus elektrisch leitendem Material gefertigt, beispielsweise Aluminium.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 weist die Verschlusseinrichtung 3-2 nur zwei 7 Durchbrüche zur Kontaktierung des ersten Pols 11 mit der ersten Energiespeichereinrichtung 2 der Reihenschaltung und zur Kontaktierung des zweiten Pols 12 mit der letzten Energiespeichereinrichtung 2 der Reihenschaltung.
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Ferner sind der Behälter 3-1 des Gehäuses 3 und die Verschlusseinrichtung 3-2 derart gestaltet und auf einander angepasst, dass die Verschlusseinrichtung 3-2 die Trennwand 5 (zumindest jedoch den die beiden Energiespeichereinrichtungen 2 elektrisch verbindenden Abschnitt der Trennwand 5) elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise übernimmt die Verschlusseinrichtung 3-2 die Funktion des weiteren Pols 13. Zum besseren Abgreifen des Potentials des Gehäuses bzw. der Verschlusseinrichtung kann ein Fortsatz an der Außenseite der Verschlusseinrichtung 3-2 ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Spannung der einen Energiespeichereinrichtung 2 durch Abgriff am ersten Pol 11 und der Verschlusseinrichtung 3-2 bzw. 13, die Spannung an der anderen Energiespeichereinrichtung 2 durch Abgriff an dem zweiten Pol 12 und der Verschlusseinrichtung 3-2 bzw. 13 von außen ermittelt werden. Ferner kann auf diese Weise auch der Spannungsabgleich der beiden Energiespeichereinrichtungen 2 durch gezieltes Zuführen oder Abführen elektrischer Energie erfolgen.
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Diese Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung zeichnet sich durch einen sehr kompakten, preisgünstigen und sehr betriebssicheren Aufbau dar, da die Trennwand 5 die Funktion der Verbindungsleitungen übernimmt.
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Eine gewickelte Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung 1 wird im Folgenden anhand der 4, 5a und 5b näher erläutert, wobei nur die wesentlichen Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 3 behandelt werden. Alle weiteren Konstruktionsmerkmale entsprechen analog denen der Ausführungsbeispiele der 1 bzw. 3.
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4 ist eine schematische Draufsicht einer zylindrisch ausgebildeten Energiespeichereinrichtung in gewickelter Ausführung. 5a ist eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A in 4, während 5b eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie B-B der 4 ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 5a und 5b sind im Behälter 3-1 des Gehäuses 3 zwei Kammern 4 derart ausgebildet, wobei eine der Kammern 4 zentral im Behälter angeordnet und von der anderen Kammer 4 umfänglich umgeben. Der erste Pol 11 ist an der Verschlusseinrichtung 3-2 angeordnet, während der zweite Pol 12 an dem Behälter angeordnet ist. In jeder Kammer ist eine Energiespeichereinrichtung in gewickelter Ausführung angeordnet. Dadurch ergeben sich zwei konzentrisch zueinander angeordnete Wicklungen von Energiespeichereinrichtungen. Die Separatoren 8-5, Elektroden 8-1, 8-3 und Ableitelektroden 8-2, 8-4 (siehe 1 und 2a–c analog) der Energiespeichereinrichtungen 2 sind konzentrisch zueinander gewickelt.
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Auch wenn aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Kammern 4 im Behälter 3-1 ausgebildet sind, so wird explizit darauf hingewiesen, dass die in den 5a und 5b dargestellte Ausführungsform auch weitere konzentrisch angeordnete Kammer mit darin angeordneten Wicklungen von Energiespeichereinrichtungen 2 aufweisen kann, welche auf die beschriebene Art in Reihe geschaltet sein können.
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In den Ausführungsbeispielen der 6a und 6b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Energiespeichervorrichtung in gewickelter Ausgestaltung schematisch dargestellt. Die Wicklung der Energiespeichereinrichtungen 2 entspricht der Wicklung im Ausführungsbeispiel der 5a und 5b.
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Von der Grundidee entspricht diese Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung 1 dem Ausführungsbeispiel der gestapelten Ausführung der Energiespeichervorrichtung, wie sie in 3 dargestellt ist. Allerdings handelt es sich um eine gewickelte Ausführung, deren konstruktiver Aufbau dem Ausführungsbeispiel der 5a und 5b ähnelt.
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Diese dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 umfasst nur zwei im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete, gewickelte Energiespeichereinrichtungen 2. Die beiden Energiespeichereinrichtungen 2 sind nicht über separate Verbindungsleitungen 9 (siehe 1) sondern direkt mittels des Behälters 3-1 des Gehäuses 3 elektrisch verbunden und in Reihe geschaltet. Dazu kann der Behälter 3-1 des Gehäuses 3 an geeigneten Positionen seitliche Fortsätze aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen, welche mit den entsprechenden Ableitelektroden 8-2, 8-4 der Energiespeichereinrichtungen 2 elektrisch verbunden ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel fungiert der Behälter 3-1 als weiterer Pol zur Ermittlung der Einzelspannungen der Energiespeichereinrichtungen 2. Zur besseren Handhabung ist an der Außenseite des Behälters 3-1 ein Fortsatz ausgebildet.
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Hinsichtlich der Vorteile welche sich durch diese Ausgestaltung ergeben wird auf die Ausführungen zur 3 verwiesen. Die elektrische Kontaktierung der Energiespeichereinrichtungen 2 und der Pole 11, 12 sowie des weiteren Pols 13 erfolgt analog zum Ausführungsbeispiel der 3.
