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Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers, einen elektrischen Energiespeicher und ein Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Die Druckschrift
DE 38 03 321 C1 offenbart eine bandförmige Kupferlamelle mit Durchbrechungen in den Endbereichen, welche auf Polbolzen von Batteriezellen aufgesteckt werden können.
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Die Druckschrift
DE 41 23 361 C2 beschreibt eine Akkumulatorenbatterie, deren Zellen auf der Oberseite des Gehäuses durch an den Zellenpolen angebrachten Zellenverbinder elektrisch verbunden sind, wobei die Zellenverbinder zur Überwachung des Betriebszustandes der Batterie mit einem Messwiderstand und Anschlüssen für Messeinrichtungen versehen sind.
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Bei der dort beschrieben Akkumulatorenbatterie sind Bleiakkumulatoren vorgesehen, die ununterbrochenen starken Belastungen durch Lade- und Entladezyklen unterliegen und deren Zellen auf der Oberseite des Gehäuses durch an den Zellenpolen angebrachte Zellenverbinder elektrisch verbunden sind, wobei die Zellenverbinder zur Überwachung des Betriebszustandes der Batterie mit einem Messwiderstand und Anschlüssen für Messeinrichtungen versehen sind, wobei der Messwiderstand ein mittlerer Teilabschnitt eines über seine volle Länge starren Zellenverbinders ist.
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Die Druckschrift
DE 25 58 456 C2 beschreibt einen Energiespeicher für Elektrofahrzeuge mit Akkumulatorenbatterien in Form von mehreren separat handhabbaren Untereinheiten, deren Endkontakte mit entsprechenden Gegenkontakten im Fahrzeug für einen automatischen elektrischen Anschluss korrespondieren, wobei die Untereinheiten von beiden Seiten des Fahrzeugs quer zu dessen Längsachse einschiebbar sind, wobei zur elektrischen Verbindung der Untereinheiten miteinander und mit dem Fahrzeug ein Verbindungsteil vorgesehen ist, der aus zwei gleichförmig ausgebildeten, spiegelsymmetrisch angeordneten und miteinander befestigten Kunststoffteilen besteht, die sich in der Mitte des Fahrzeugs in Fahrzeuglängsrichtung erstrecken und jeweils Stecker aufweisen, die bei eingeschobenen Untereinheiten in Steckbuchsen eingreifen.
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Durch die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa bei Hybridelektrokraftfahrzeugen oder rein elektrisch angetriebenen Elektrofahrzeugen, werden immer größere Kapazitäten der elektrischen Energiespeicher und folglich größere Akkupacks in den Fahrzeugen verbaut. Meist werden für die Akkupacks Lithium-Ionen Energiespeicherzellen als Energieträger verwendet.
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Für die Gehäuse der Energiespeicherzellen werden zwei verschiedene Arten verwendet. So genannte „Pouch“-Gehäuse, englisch für „Beutel“, kommen dabei zum Einsatz. Diese sind in der Regel sehr weich. Alternativ werden Zellgehäuse aus Edelstahl oder Aluminium gefertigt, welche deutlich stabiler sind. Bevor die einzelnen Zellen zu kompletten Akkupacks montiert werden, werden die Zellen zu so genannten Modulen oder Submodulen verbaut, die zwei oder mehr Zellen umfassen.
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Die elektrische Verbindung der einzelnen Zellen eines Moduls oder Submoduls erfolgt mittels so genannter Zellverbinder. Bei der Modulmontage werden die einzelnen Zellen miteinander durch einen Rahmen verspannt. Durch die chemischen Abläufe beim Laden und Entladen der Zelle dehnt und zieht sich der Inhalt der Zelle bzw. das Gehäuse zusammen. Da die einzelnen Zellen in den Modulen und Submodulen aneinander gereiht sind, verändert sich der Abstand der elektrischen Kontaktierstelle von Zelle zu Zelle. Folgende Fehlerfälle können dabei Auftreten: Es reist der Zellverbinder oder die Schweißung oder die Dichtung der elektrischen Kontaktierstelle zum Gehäuse wird beschädigt.
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Eine Lösung ist es daher die Zellverbinder „weich“ ausgeführt. Der Zellverbinder kann dann die Längenänderung aufnehmen, ohne dass dabei schädigende Kräfte auf die Terminals übertragen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen mit: mindestens zwei Endbereichen, welche dazu ausgelegt sind, jeweils einen elektrischen Anschluss von einem der elektrischen Bauelemente aufzunehmen und dadurch die elektrischen Bauelemente zu verbinden; und einem Mittelbereich, welcher zwischen den mindestens zwei Endbereichen der Verbindungseinrichtung angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, bei dem Verbinden der elektrischen Bauelemente auftretende Längenänderungen zwischen den elektrischen Anschlüssen aufzunehmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von als elektrische Bauelemente des elektrischen Energiespeichers vorgesehenen Energiespeicherzellen mit jeweils zwei elektrischen Anschlüssen und einer Mehrzahl der Verbindungseinrichtungen mit mindestens zwei Endbereichen, welche dazu ausgelegt sind, jeweils einen elektrischen Anschluss von einem der elektrischen Bauelemente aufzunehmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauelementen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Vorteile der Erfindung
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Eine grundlegende Idee der Erfindung ist es, einen einfachen Zellverbinder als Verbindungseinrichtung zwischen den elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen, welcher als ein Stanzbiegeteil ausgeführt ist und kostengünstig herstellbar ist. Die Verbindungseinrichtung ist in vorteilhafter Weise als ein nicht-biegeschlaffes Bauteil ausgeführt und kann daher auch automatisch montiert werden. Ferner wird die Verbindungseinrichtung in vorteilhafter Weise aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet und kann daher geschweißt werden. Vorteilhafterweise können durch die Verbindungseinrichtung mit einem geringen Bauraumbedarf große Querschnitte der Verbindungseinrichtung zur Übertragung des benötigten Stroms erreicht werden.
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Durch den flexiblen Mittelbereich der Verbindungseinrichtung kann ein Schwellen oder ein Schrumpfen der verbundenen Energiespeicherzellen, beispielsweise bei Lade-/Entladezyklen der Energiespeicherzellen oder aufgrund von Alterungsprozessen der Energiespeicherzellen, ausgeglichen werden, ohne dass es zu mechanischen Belastungen der verbundenen Energiespeicherzellen kommt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der verformbare Mittelbereich dazu ausgelegt, einen elektrischen Stromfluss zwischen den verbundenen elektrischen Bauelementen zu ermöglichen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der verformbare Mittelbereich dazu ausgelegt, durch die auftretenden Längenänderungen erzeugten und zwischen den elektrischen Bauelementen wirkenden Schubspannungen und/oder Druckspannungen und/oder Zugspannungen und/oder Torsionsspannungen aufzunehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der verformbare Mittelbereich Kupfer und/oder Aluminium.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindungseinrichtung als ein Stanzbiegeteil ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindungseinrichtung als ein formstabiles Bauteil ausgebildet, welches zur automatisierten Montage geeignet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindungseinrichtung als ein mehrlagiges Stanzbiegeteil ausgebildet.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers als Stanzteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2–3 jeweils eine schematische Darstellung einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4–6 jeweils eine schematische Darstellung einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Draufsicht einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers als Fertigteil des in 1 dargestellten Stanzteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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9 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der in 8 gezeigten Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In den Figuren der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Der Doppelpfeil in den 1, 2, 3, 6, 7 und 9 gibt dabei jeweils eine Hauptrichtung der Verformbarkeit der Verbindungseinrichtung an.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Stanzteil.
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Eine Verbindungseinrichtung 100 zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers umfasst mindestens zwei Endbereiche 101A, 101B und einen verformbaren Mittelbereich 102. Beispielsweise ist die in der 1 gezeigte Verbindungseinrichtung 100 als Stanzteil oder Stanzrohling ausgeführt.
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Die mindestens zwei Endbereiche 101A, 101B weisen beispielsweise jeweils ein Durchgangsloch 105A, 105B auf. Die mindestens zwei Endbereiche 101A, 101B sind beispielsweise dazu ausgelegt, jeweils einen elektrischen Anschluss von einem der elektrischen Bauelemente aufzunehmen.
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Beispielsweise kann das Aufnehmen des elektrischen Anschlusses von dem elektrischen Bauelement in dem Endbereich mittels einer Verschweißung von einem der zwei Endbereiche 101A, 101B mit einem der elektrischen Anschlüsse von dem elektrischen Bauelement erfolgen, wodurch die elektrischen Bauelemente verbunden werden. Dabei werden die Durchgangslöcher 105A, 105B beispielsweise zur automatischen Positionierung eines Werkzeugroboterarms verwendet.
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Der verformbare Mittelbereich 102, der zwischen den mindestens zwei Endbereichen 101A, 101B der Verbindungseinrichtung angeordnet ist, ist dazu ausgelegt, bei dem Verbinden der elektrischen Bauelemente auftretende Längenänderungen zwischen den elektrischen Anschlüssen aufzunehmen.
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Der verformbare Mittelbereich 102 weist beispielsweise eine Ausnehmung auf. Durch die Ausnehmung wird der Mittelbereich 102 in zwei Armbereiche 103 aufgeteilt. Durch den Umriss des Mittelbereichs 102 und die Form der Ausnehmung ist eine Federkennlinie des verformbaren Mittelbereichs 102 vorgebbar. Mittels einer Simulation und einer Berechnung lassen sich beispielsweise progressive oder degressive Federkennlinien des verformbaren Mittelbereichs 102 erreichen.
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Bei der in 1 gezeigten Verbindungseinrichtung 100 wird der zur Stromübertragung verwendete Querschnitt des Mittelbereichs 102 auf die zwei Armbereiche 103 aufgeteilt. Für die elektrische Stromübertragung ist diese Aufteilung ohne Einbußen der maximal durch die Verbindungseinrichtung 100 übertragbaren Stromstärke möglich.
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Die Verbindungseinrichtung 100 erreicht jedoch bei einer derartigen Ausbildung des verformbaren Mittelbereichs 102 mit den zwei Armbereichen 103 die gewünschte Reduzierung der mechanischen Steifigkeit. Ferner kann die Verbindungseinrichtung 100 mittels ihres verformbaren Mittelbereichs 102 nicht nur Bewegungen in der durch den Doppelpfeil gezeigten Hauptrichtung aufzunehmen, sondern beispielsweise auch in dazu orthogonal ausgerichteten Nebenrichtungen.
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Die Anzahl der Armbereiche 103 und deren Länge lassen sich je nach Stromanforderung und Steifigkeitsanforderung für die Verbindungseinrichtung 100 erhöhen oder verringern.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils unterschiedliche Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Verbindungseinrichtung 100.
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Die Verbindungseinrichtung 100 wird in der Ebene mit den Durchgangslöchern 105A, 105B mit elektrischen Energiespeicherzellen verbunden. In einer um 90° dazu gebogenen Ebene wird der verformbare Mittelbereich 102 als elastischer Teil der Verbindungseinrichtung 100 ausgebildet.
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Dabei wird der verformbare Mittelbereich 102 durch Ausbildung einer Schleife ausgeführt. Je länger der Armbereiche der ausgebildeten Schleife ist, desto weicher wird die Verbindungseinrichtung 100.
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Der Leitungsquerschnitt der Verbindungseinrichtung 100, welcher die maximal übertragbare Stromstärke festlegt, ergibt sich aus der Höhe der Verbindungseinrichtung 100 und der Blechdicke. Je dicker jedoch das Material wird, desto steifer wird die Verbindungseinrichtung 100.
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Die Durchgangslöcher 105A, 105B in der Verbindungseinrichtung 100 sind für die Befestigung bei einer Bolzenverbindung notwendig, können jedoch bei einer Schweißlösung auch entfallen.
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Die 4–6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Bei den in den 4–6 gezeigten Verbindungseinrichtungen 100 wird die Verformbarkeit des Mittelbereichs 102 nicht nur durch Biegung des verformbaren Mittelbereichs 102 sondern hauptsächlich durch eine Torsion des verformbaren Mittelbereichs 102 ermöglicht.
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Der Mittelbereich 102 wird dabei beispielsweise durch die Brückenbereiche 108 gebildet und dadurch als eine rippenartige Struktur ausgebildet, wobei die Brückenbereiche 108 einzelne Rippen der rippenartigen Struktur bilden. Beispielsweise ist durch diese Struktur ein freier Zugang zu den Durchgangslöchern 105A, 105B der Verbindungseinrichtung 100 gewährleistet.
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Die Brückenbereiche 108 ermöglichen zusätzliche Strompfade zwischen den zwei Endbereichen 101A, 101B der Verbindungseinrichtung 100 ohne die Steifigkeit des verformbaren Mittelbereichs 102 merklich zu erhöhen.
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Die 7 zeigt eine schematische Draufsicht einer Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die in der 7 gezeigte Verbindungseinrichtung 100 entspricht einem aus dem in der 1 gezeigten Stanzteil geformten Fertigteil, wobei lediglich die Armbereiche 103 in einer um 90° zur Ebene der Durchgangslöcher 105A, 105B geneigten Ebene hochgebogen wurden. Dabei entspricht die Ebene der Durchgangslöcher 105A, 105B der Zeichenebene.
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Bei der in 7 gezeigten Verbindungseinrichtung 100 wird der zur Stromübertragung verwendete Querschnitt des Mittelbereichs 102 auf die zwei Armbereiche 103 aufgeteilt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Verbindungseinrichtung 100 sind bestimmte Teilbereiche 103b der Armbereiche 103 durch das Hochbiegen nun primär in einer orthogonal zur Zeichenebene der 7 verlaufenden Ebene ausgebildet. Diese orthogonal zur Zeichenebene verlaufenden Teilbereiche 103b sind in der 7 mit verdickt gezeichneten Linien dargestellt. Dabei können die Armbereiche 103 zu diesem Zweck eingeschnitten werden, um ein Hochbiegen der Teilbereiche 103b zu ermöglichen.
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Die weiteren in der 7 dargestellten Bezugszeichen sind bereits in der zu der 1 zugehörigen Figurenbeschreibung beschrieben und werden daher nicht weiter erläutert.
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Die 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnittes entlang einer Linie AA einer Verbindungseinrichtung 100 zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die Verbindungseinrichtung 100 ist in einer zweilagigen Bauweise ausgeführt. Dabei werden als Mittelbereich 102 der Verbindungseinrichtung 100 eine erste Lage 107a und eine zweite Lage 107b ausgebildet. Die Ausbildung zweier oder mehrerer Lagen 107a, 107b ist dabei analog der Ausbildung zweier oder mehrerer Armbereiche 103 vorgesehen. Dies erlaubt einen kompakten Aufbau der Verbindungseinrichtung 100. Dadurch können die gewünschten Anforderungen an die Verbindungseinrichtung 100 bezüglich einer übertragbaren Stromstärke und einer mechanischen Steifigkeit der Verbindungseinrichtung 100 erfüllt werden.
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Die 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts der in 8 gezeigten Verbindungseinrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauelementen eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Der in 9 gezeigte Querschnitt ist entlang der in der 8 gezeigten Linie AA ausgeführt.
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Die Durchgangslöcher 105A, 105B sind in beiden Lagen angeordnet, jedoch ist der Durchmesser in Lage 107a größer als in Lage 107b. Eine Unterbrechung 109 der zweiten Lage 107b ist mittels einer gestrichelten Linie dargestellt.
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Die erste Lage 107a und die zweite Lage 107b können dabei als durchgängige Ebenen ausgeführt sein oder, wie in den 8 und 9 gezeigt, eine rippenartige Struktur ausbilden mit den Brückenbereichen 108 analog zu den in den 4–6 gezeigten Verbindungseinrichtungen 100.
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Weitere Ausführungsformen der Verbindungseinrichtung 100 können sich aus der Kombination der gezeigten biegeweichen und torsionsweichen Strukturen ergeben. Entscheidend dabei ist ein Optimum zwischen benötigtem Querschnitt, der Federsteifigkeit des Verbinders und dem benötigten Bauraum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3803321 C1 [0002]
- DE 4123361 C2 [0003]
- DE 2558456 C2 [0005]
