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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher, der mindestens ein Trageelement mit einer Speicherzelle sowie auf beiden Seiten angebrachte Deckel umfasst. Ein derartiger Energiespeicher ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 0 692 838 A1 bekannt.
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Derartige Energiespeicher gemäß der Stand der Technik weisen den Nachteil auf, dass ein Außengehäuse zum mechanischen Verbinden notwendig ist, während gleichzeitig ein zusätzlicher Schutz gegen Feuchtigkeit, beispielsweise durch abgedichtete Ausbildung der Speicherzellen, notwendig ist. Hierdurch ist die Herstellung derartiger Energiespeicher sehr aufwendig, so dass hohe Produktionskosten anfallen.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 043 635 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse, dessen Außenwände aus einem zusammenhängenden Stück gefertigt sind. Sowohl diese innere Struktur als auch das äußere Batteriegehäuse, welches die Außenwände bildet, sind durchgängig für alle Zellen gemeinsam ausgestaltet.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 034 889 A1 beschreibt eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, das nebeneinander liegende, gepackte Rundzellen in einem durchgehenden Rahmen enthält. Der Rahmen ist mit einem Deckel und einem Boden durch Schraubverbindungen abgeschlossen. Der Rahmen sowie der Deckel und der Boden sind zusammen einteilig ausgebildet und umgreifen alle Zellen.
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Die Druckschrift
US 2005/0255379A1 beschreibt eine Batterie mit einem durchgehenden, einteiligen Gehäuse, in dem alle Zellen untergebracht sind. Ebenso ist ein Deckel dargestellt, der einteilig ausgebildet ist, und alle Zellen auf einmal abdeckt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiespeicher vorzuschlagen, der günstig herstellbar ist, und dessen Konstruktionsprinzip ein einfaches Variieren der Größe des Energiespeichers zum Anpassen an vorgegebene Anforderungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Dadurch, dass die Deckel zusammen mit dem mindestens einem Trageelement ein feuchtigkeitsdichtes Gehäuse bilden, wobei das Trageelement einen Teil der Außenfläche des Gehäuses bildet, ist eine kombinierte Ausbildung von tragenden und abdichtenden Strukturen möglich. Hierdurch kann ein separates Ausbilden von Tragestrukturen und Abdichtungen der Batterie, wie es im Stand der Technik nötig ist, entfallen. Jedes Trageelement ist vorzugsweise einstückig ausgebildet.
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Als Speicherzellen können Batteriezellen, und besonders bevorzugt Lithium-Ion-Zellen verwendet werden. Alternativ könnten jedoch nach dem gleichen Konstruktionsprinzip Energiespeicher mit anderen Speichermedien, beispielsweise Kondensatoren, konstruiert werden.
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Je nach Größe der Speicherzellen und anwendungsbedingten geometrischen Vorgaben können eine oder mehrere Speicherzellen pro Trageelement vorgesehen sein. In den meisten Anwendungsfällen hat sich eine Zahl von zwei Speicherzellen pro Trageelement als zweckdienlich erwiesen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann in dem durch die Trageelemente gebildeten Teil der Außenfläche des Gehäuses mindestens ein Kühlelement angeordnet sein. Zum Vorsehen einer Luftkühlung können beispielsweise in dem durch die Tragelemente gebildeten Teil der Außenfläche des Gehäuses Kühlrippen angeordnet sein. Diese können von dem Trageelement ausgehend, strahlenförmig nach außen verlaufen.
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Ebenso kann eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein, für die in den durch das Trageelement gebildeten Teil der Außenfläche eine Vertiefung (beispielsweise in Nutform) zum Führen einer Kühlleitung eingearbeitet sein kann. Unabhängig davon, ob eine Nut für eine Kühlleitung vorgesehen ist oder nicht, kann eine Kühlleitung vorzugsweise spiralförmig um den durch das Tragelement gebildeten Teil der Außenfläche herumgewickelt sein. Um eine Leckage zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass die Kühlleitung in den um das Trageelement gewickelten Bereich keinerlei Verbindungsstücke umfasst, d. h. eine in diesem Bereich durchgehende Ummantelung aufweist. Da jedoch, aufgrund der Anordnung auf der Außenfläche des Gehäuses, das Kühlsystem außerhalb des abgedichteten Bereichs des Gehäuses angeordnet ist, können die elektronischen Komponenten des Energiespeichers selbst im Falle der Beschädigung des Kühlsystems nicht mit auslaufender Kühlflüssigkeit in Kontakt kommen. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise ein Wasser-Glycol-Gemisch verwendet werden.
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Um die Kühlung des Energiespeichers weiter zu verbessern, können zusätzliche Mittel zum Optimieren der Kühlleistung vorgesehen sein. Im Falle einer Flüssigkeitskühlung kann beispielsweise eine isolierende Materialschicht vorgesehen sein, die die Kühlleitungen von einer Umgebung abschirmen, so dass die Kühlleistung vollständig zur Kühlung des Energiespeichers zur Verfügung steht. Im Falle einer Luftkühlung kann ein Leitrohr zum Führen der Luftströmung vorgesehen sein, um den Abtransport von Wärme mit der Luftströmung zu optimieren. Es ist jedoch auch möglich, eine hinreichende Kühlung durch eine freie Anströmung von Kühlrippen ohne ein Leitrohr zu erzielen.
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Der Energiespeicher umfasst mehrere Trageelemente, die jeweils mit mindestens einer Speicherzelle ausgestaltet sind. Die Trageelemente sind dann zwischen den beiden Deckeln in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt. Durch diesen modularen Aufbau mit mehreren Trageelementen kann eine Größe des Energiespeichers an den Anwendungszweck durch Ändern der Anzahl von Trageelementen auf ein-fache Art und Weise angepasst werden. Besonders einfach ist dies möglich, wenn die Trageelemente identisch zueinander aufgebaut sind. Insbesondere können die Trageelemente scheibenförmig ausgebildet sein.
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Um eine besonders hohe mechanische Stabilität des Energiespeichers zu erzielen, können die Trageelemente mittels mindestens eines Spannelements, das beispielsweise als Zuganker ausgebildet sein kann, miteinander verspannt sein. Um einen besonders guten Schutz für das Spannelement zu erzielen kann vorgesehen sein, die Deckel nicht mit dem Spannelement mit zu verspannen. Das Spannelement kann somit vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Da der Innenraum des Gehäuses vollständig vor einem Zugriff geschützt ist, wird das Spannelement zuverlässig vor Beschädigungen geschützt. Durch die feuchtigkeitsdichte Ausbildung des Gehäuses wird zugleich ein hervorragender Korrosionsschutz für das Spannelement erzielt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Trageelement bzw. die Trageelemente jeweils eine Montagefläche auf, auf der die mindestens eine Speicherzelle angeordnet ist, sowie eine Mantelfläche, die vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal (d. h. in einem Winkel zwischen 80 und 100°) zur Montagefläche verläuft. Die Montagefläche ist hierbei vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet, während die Mantelfläche den durch das Trageelement gebildeten Teil der Außenfläche umfasst.
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Eine besonders gute Kühlung für die Zellen wird erreicht, wenn diese flächig auf der Montagefläche aufliegen. Ein idealer Wärmeübergang kann erzielt werden, wenn die Zellen direkt mit einer Zellaußenfolie auf der Montagefläche aufliegen. Besonders bevorzugt kann sowohl auf der Ober- als auch der Unterseite der Montagefläche jeweils mindestens eine (bevorzugt jeweils genau eine) Speicherzelle angeordnet sein. Die Mantelfläche kann beispielsweise als ein ringförmiger oder ovaler Kranz ausgebildet sein, der die Montagefläche umläuft. Die Zelle bzw. die Zellen können auf der Vorder- und/oder Rückseite der Montagefläche jeweils mittig angeordnet sein.
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Die Trageelemente können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform jeweils mindestens eine in die Montagefläche eingearbeitete Öffnung umfassen. Die Öffnung kann zum Durchführen des Spannelements, zum elektrischen Verbinden benachbarter Speicherzellen oder zum Durchführen anderer Leitungen dienen. Besonders bevorzugt ist sowohl mindestens eine Öffnung für ein Spannelement als auch mindestens eine Öffnung für mindestens eine Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden benachbarter Speicherzellen vorgesehen. Die Öffnung für das Spannelement kann einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen dem Durchmesser des Spannelements selbst entspricht. Im Bereich der Öffnung für das Spannelement kann eine Materialstärke der Montagefläche gleich der Breite des durch das jeweilige Trageelement gebildeten Teils der Außenfläche des Gehäuses sein. Die Materialstärke im Bereich einer Öffnung zum Durchführen von Verbindungsleitungen kann hingegen deutlich geringer (beispielsweise weniger als halb so groß) sein.
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Um eine besonders zuverlässige Abdichtung des Gehäuses zu erzielen, kann zwischen dem Trageelement und benachbarten Trageelementen und/oder Deckeln jeweils mindestens ein Dichtelement vorgesehen sein. Dieses kann beispielsweise als ein Dichtring, der beispielweise aus Kunststoff ausgebildet sein kann, ausgebildet sein. Der Dichtring kann beispielsweise eine O-Ringform aufweisen. Durch das Vorsehen derartiger Dichtungen kann das Gehäuse sogar der Schutzklasse IP 69 entsprechend ausgebildet werden. Besonders gut ist dies möglich, wenn sowohl Dichtelemente als auch Spannelemente verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeweils auf der zum Trageelement bzw. zu den Trageelementen weisenden Seite der beiden Deckel eine Montagescheibe angeordnet. Zwischen den Deckeln und der Montagescheibe wird dann jeweils ein Hohlraum gebildet, in dem Schaltelemente zur Ansteuerung des Energiespeichers und/oder Auflagepunkte von Spannelementen angeordnet sind. Auch die Montagescheiben können einen Außenteil der Außenfläche des Gehäuses bilden, wobei in dem durch die Montagescheiben gebildeten Teil der Außenfläche des Gehäuses Anbindungselemente zum Verbinden mit einer Befestigungsvorrichtung für den Energiespeicher vorgesehen sein können. Eine Breite des durch jeweils eine Montagescheibe gebildeten Teils der Außenfläche ist hierbei vorzugsweise größer als eine Breite der durch ein einzelnes Trageelement gebildeten Teils der Außenfläche. Insbesondere bei Energiespeichern mit einer Vielzahl von Trageelementen können zusätzlich zwischen einigen benachbarten Trageelementen Zwischenscheiben angeordnet sein, die ebenfalls einen Teil der Außenfläche des Gehäuses umfassen, wobei in diesem Teil ebenfalls Anbindungselemente vorgesehen sind.
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Eine besonders stabile Verbindung der einzelnen Gehäuseteile kann erzielt werden, wenn der Deckel und/oder die Trageelemente und/oder Montagescheiben mit Nut- und Federverbindungen miteinander verbunden sind. In derartigen Ausführungsformen ist die Höhe eines Federelements der Nut- und Federverbindungen vorzugsweise kleiner als eine Tiefe der entsprechenden Nut. In der Nut kann, soweit vorhanden, das bereits erwähnte Dichtelement angeordnet sein. Hierdurch ist das Dichtelement vor Beschädigungen von außen geschützt. Durch die Differenz von Nuttiefe und Höhe des Federelements wird eine Restdicke des Dichtelements nach dem Verspannen der Gehäuseteile vorgegeben. Im zusammengebauten Zustand ist das Federelement also vollständig in die Nut eingeschoben. Da eine Restdicke durch entsprechende Wahl der Nuttiefe gewählt werden kann, kann ein Verquetschen des Dichtelements zuverlässig verhindert werden.
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Zur elektrischen Anbindung des Energiespeichers an einen Verbraucher bzw. eine Energiezuführung kann mindestens einer der Deckel Strom- und/oder Signaldurchführungen umfassen, wobei diese ebenso wasserdicht ausgeführt sind.
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Durch die Ausbildung des vorangehend vorgestellten Energiespeichers mit einem dichten Gehäuse kann der Energiespeicher unter verschiedensten auch widrigen Umweltbedingungen eingesetzt werden. Hierdurch kann ein derartiger Energiespeicher beispielsweise im Kardantunnel eines Fahrzeuges, bei einem Elektrofahrzeug unter einer Fahrzeugrücksitzbank, unter der normalerweise ein Tank angeordnet ist, auf der Unterseite eines LKW, auf einem Bus, einer Baumaschine, in oder unter einem Boot, oder auch in Grubenschächten oder Bergwerken (dann als Explosionsschutzausführung) verbaut werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 Aufsicht auf und Schnittansicht durch eine erste vorteilhafte Ausführungsform eines ersten Deckels,
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2 eine Aufsicht auf und eine Schnittansicht durch eine erste vorteilhafte Ausführungsform eines zweiten Deckels,
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3 Aufsicht auf und Schnittansicht durch eine vorteilhafte Ausführungsform einer Montagescheibe,
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4 Aufsicht auf und Schnitt durch eine vorteilhafte Ausführungsform eines Trageelements und
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5 Aufsicht und Schnitt durch eine vorteilhafte Ausführungsform eines Energiespeichers.
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In 1 ist ein erster Deckel für einen vorteilhaften Energiespeicher dargestellt. Der Deckel 1 umfasst einen mittleren flächigen Bereich 2, in dem Durchbrüche 3 für Spannungsdurchführungen vorgesehen sind. Desweiteren umfasst der Deckel 1 einen äußeren Bereich 4, in dem eine Feder 5 für eine Nut- und Federverbindung angeordnet ist. Wie in der Aufsicht zu erkennen ist, umfasst der Deckel 1 außerdem vorstehende Bereiche 6 und Bohrungen 7, welche dazu dienen den Deckel 1 mit dem restlichen Energiespeicher zu verbinden.
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In 2 ist ein zweiter Deckel 8, der zum Verschließen einer dem ersten Deckel 1 gegenüberliegenden Seite des Energiespeichers dient. Der zweite Deckel 8 weist ebenso einen flächigen Bereich 2 auf, wobei im flächigen Bereich 2 des zweiten Deckels 8 in dieser Ausführungsform keine Durchbrüche vorgesehen sind. Desweiteren weist auch der zweite Deckel 8 einen äußeren Bereich 4 auf, wobei im äußeren Bereich 4 des zweiten Deckels eine Nut 9 anstatt der Feder 5 wie beim ersten Deckel, vorgesehen ist. So wie der erste Deckel weist auch der zweite Deckel 8 vorstehende Bereiche 6 mit Bohrungen 7 auf, die ebenso wie beim ersten Deckel einer Verbindung des zweiten Deckels 8 mit dem restlichen Energiespeicher dienen.
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In 3 ist eine Montagescheibe 10 in Aufsicht und als Schnittansicht dargestellt. Die Montagescheibe 10 weist einen mittleren flächigen Bereich 11 sowie einen äußeren Kranz 12 auf. Der äußere Kranz 12 ist mit einer Nut 9 und einem Federelement 5 ausgestattet und somit zum Verbinden mit benachbarten Scheiben bzw. Deckeln ausgebildet. Im inneren Bereich 11 sind Durchbrüche 13 für elektrische Leitungen vorgesehen. Desweiteren sind Durchgangsbohrungen 14 vorgesehen, welche zum Durchführen von Zugankern dienen. Um die über die Zuganker übertragenen Kräfte aufzunehmen, ist der mittlere Bereich 11 im Bereich der Durchgangsbohrungen 14 mit erhöhter Materialstärke ausgebildet. Entsprechend sind in der Aufsicht Zungen 15 zu erkennen, welche vom äußeren Kranz 12 ausgehen. Um die relative Positionierung der Aufsicht zur Schnittansicht zu verdeutlichen, ist in der Schnittansicht die Blickrichtung 16 für die Aufsicht angedeutet. Auf der zum Deckel weisenden Seite 17 des flächigen Bereichs ist in dieser Ausführungsform keine entsprechende vom äußeren Ring 12 ausgehende Zunge 15 vorgesehen. Hierdurch kann ein Abschlusselement eines Zugankers (bei dem Abschlusselement kann es sich beispielsweise um einen Schraubenkopf oder eine Schraubenmutter handeln) auf der zum Deckel weisenden Seite des flächigen Bereichs 11 aufliegen. Nach außen hin an den äußeren Kranz anschließend, umfasst die Montagescheibe 8 noch Befestigungselemente 19, mit denen der Energiespeicher an einem Einbauort montiert werden kann. Desweiteren kann der Deckel 1 bzw. 8 in Einschrauböffnungen 20 der Befestigungselemente 19 eingeschraubt werden, wobei die Öffnungen 20 auf der in der Aufsicht verdeckten abgewandten Seite der Montagescheibe 10 angeordnet sind und daher nur mit gestrichelten Linien angedeutet sind.
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In 4 schließlich werden Zellscheiben 21, welche zum Tragen von Energiespeicherzellen wie beispielsweise Batteriezellen ausgebildet sind, dargestellt. Wie auch die Montagescheiben 10 weisen die Zellscheiben 21 im Bereich ihres äußeren Kranzes 22 ein Nutelement 9 und eine Feder 5 auf, um eine Verbindung mit benachbarten Scheiben zu ermöglichen. Außerdem sind in die Außenseite des äußeren Kranzes umlaufende Nuten 23 eingebracht, die zum Aufnehmen von Kühlleitungen dienen. Statt den Nuten 23 können in alternativen Ausführungsformen auch Kühlrippen oder auch andere Kühlelemente vorgesehen sein. Wie auch die Montagescheibe 10 weisen auch die Zellscheiben 21 durchgehende Bohrungen 14 für die Zuganker auf. Ebenso ist auch bei den Zellscheiben eine Materialstärke im Bereich der Durchgangsbohrungen erhöht. Bei den Zellscheiben ist die Materialstärke im Bereich der Durchgangsbohrungen 14 sogar gleich einer Gesamtdicke 24 der Zellscheiben 21, die beispielsweise 20 mm betragen kann. Für die Bestimmung der Gesamtdicke 24 der Zell-scheiben 21 werden die Federelemente nicht mit berücksichtigt, da diese im zusammengebauten Zustand des Energiespeichers vollständig in Nuten 9 von benachbarten Scheiben verschwinden.
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In 5 ist ein Energiespeicher 25 im zusammengebauten Zustand dargestellt. Die Unterbrechungslinie 26 soll hierbei verdeutlichen, dass an der entsprechenden Stelle beliebig viele zusätzliche Zellscheiben vorgesehen sein können. Wie zu erkennen ist, greifen Federn 5 jeweils in die Nuten 9 von benachbarten Scheiben ein. Hierdurch werden in den Nuten 9 angeordnete Dichtungselemente (im vorliegenden Ausführungsbeispiel O-Ringe 31, die beispielsweise im noch nicht zusammengedrückten Zustand einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen können), zusammengedrückt, so dass sich eine Dichtwirkung ergibt. Eine Randfläche 36 der Zellscheiben 22 bildet hierbei einen Teil des Gehäuses des Energiespeichers 25. Ebenso zu erkennen ist, dass Zuganker 27 durch jegliche Scheiben des Energiespeichers hindurch verlaufen. Die Zuganker 27 weisen Abschlusselemente 28, beispielsweise Schraubenköpfe oder Muttern, auf, über die eine Spannkraft aufgebracht werden kann. Die Zellscheiben 21 sind jeweils mit zwei Speicherzellen 29 ausgestattet, die flächig auf dem mittleren Bereich der Zellscheiben aufliegen. Durch das flächige Aufliegen wird ein guter Wärmeübergang der beim Auf- und Entladen der Speicherzellen 29 frei werdenden Wärme auf die Zellscheiben 22 erreicht. Diese Wärme wird über Kühlleitungen 30, welche in den außen verlaufenden Nuten 23 angeordnet sind, abgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass, auch wenn die Nuten in der Figur so dargestellt sind, als würden sie jede Zellscheibe einzeln in einem geschlossenen Ring umlaufen, eine Ausbildung derart, dass für alle Zellscheiben zusammen eine den Energiespeicher 25 mehrfach spiralförmig umlaufenden Nut gebildet wird, vorgesehen sein kann.
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Die Speicherzellen 29 sind über Leitungen 33 elektrisch miteinander verbunden. Ebenso sind die Speicherzellen über die Leitungen 33 mit elektronischen Steuerbauteilen 34 und Stromdurchführungen 35 verbunden.
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Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur eine Montagescheibe dargestellt ist, dass jedoch auch an beiden Enden des Energiespeichers Montagescheiben angeordnet sein können.
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Nach dem vorangehend vorgestellten Konstruktionsprinzip lassen sich verschiedene Größen von Energiespeichern 25 realisieren. Eine Dicke bzw. Materialstärke der Zellscheiben kann beispielsweise ca. 15–25 mm betragen, so dass sich für einen Energiespeicher von 100 Zellen (d. h. 50 Zellscheiben) eine Dicke von etwa einem Meter zuzüglich der Dicke der Montagescheiben (beispielsweise jeweils 80–150 mm) ergibt. Ein Durchmesser des Energiespeichers 25 kann beispielsweise 100 mm bis 500 mm, vorzugsweise etwa 250 mm betragen. Es können jedoch auch deutlich kleinere Energiespeicher nach demselben Prinzip konstruiert werden. So ist es beispielsweise möglich, einen Energiespeicher mit weniger als 50 Zellscheiben, beispielsweise mit nur einer Zellscheibe, vorzusehen.
