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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellverbindereinheit zum elektrisch leitfähigen Verschalten von Terminals von Batteriezellen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Zellverbindereinheit, ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zellverbindereinheit.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batterien zum Einsatz kommen werden. Unter Batterien werden dem üblichen Sprachgebrauch angepasst Akkumulatoren verstanden und oft auch als Batteriesysteme bezeichnet.
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Batterien umfassen Batteriezellen, welche in der Batterie elektrisch leitend verschaltet werden. In der Regel werden mehrere Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengefasst und elektrisch leitend verschaltet, bevor die Batteriemodule zu einer Batterie verschaltet werden. Die bei der Verschaltung der Batteriezellen eingesetzten Zellverbinder werden, z. B. über Schraubverbindungen, an Terminals (Polanschlüssen) der Batteriezellen angebracht. Wesentlich geringere Übergangswiderstände und robustere elektrische Verbindungen erhält man, wenn die Zellverbinder mit den Terminals verschweißt werden.
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Batteriezellen auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode und Anode), welche Lithium-Ionen (Li+) reversibel einlagern (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
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1 zeigt, wie zwei Terminals 12 von zwei Batteriezellen 10 (insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen für Anwendungen in Fahrzeugen) mittels eines Zellverbinders 14 und Schweißverbindungen 16 miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Terminals 12, welche für eine Schweißverbindung 16 vorgesehen sind, weisen in der Draufsicht eine ebene Metallfläche, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, auf. Die elektrisch leitfähige Verbindung der Terminals 12 der Batteriezellen 10 erfolgt, nachdem die Batteriezellen 10, z. B. innerhalb eines Batteriemoduls, mechanisch fixiert sind, durch Auflegen eines metallischen Zellverbinders 14, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium und anschließendes Verschweißen. Die Verschweißung erfolgt dabei, z. B. durch den Zellverbinder 14 hindurch und in das Terminal 12 hinein, mittels Laserschweißen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Zellverbindereinheit zum elektrisch leitfähigen Verschalten von Terminals von Batteriezellen zur Verfügung gestellt, wobei die Zellverbindereinheit wenigstens zwei elektrisch leitfähige Segmente und wenigstens einen Kunststoffkörper umfasst und die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente von dem Kunststoffkörper gehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Zellverbindereinheit wird eine Fertigung von Batteriemodulen, welche mehrere Batteriezellen umfassen, vereinfacht. Dadurch kann eine benötigte Zeitspanne zum Verschalten der Batteriezellen bei der Montage verkürzt werden. Somit können Batteriezellen einer Batterie kosten- und fertigungsoptimiert elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden. Ferner wird bei einem Einsatz der Zellverbindereinheit in einem Kraftfahrzeug ein ungewolltes Kontaktieren einzelner elektrisch leitfähiger Segmente, beispielsweise infolge eines Unfalls, erschwert oder verhindert.
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Die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente sind mit dem wenigstens einen Kunststoffkörper verbunden. Mit anderen Worten verbindet der wenigstens eine Kunststoffkörper die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente mechanisch.
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Der Kunststoffkörper ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet und isoliert die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente voneinander elektrisch. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn mittels einer Zellverbindereinheit eine Reihenschaltung von Batteriezellen realisiert werden soll, da in diesem Fall die einzelnen elektrisch leitfähigen Segmente auf unterschiedlichen Potenzialen liegen.
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Dadurch, dass die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente von dem Kunststoffkörper gehalten werden, bedarf es zur Fixierung der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente am Kunststoffkörper keinerlei weiterer Befestigungsmittel wie Schrauben oder Ähnlichem.
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In der Regel ist wenigstens eines der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente dazu ausgebildet, wenigstens zwei Terminals miteinander elektrisch leitfähig zu verschalten. Dies kann analog mit einem herkömmlichen Zellverbinder erfolgen, wobei die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente z. B. als Stromschiene ausgebildet sein können. Bevorzugt kann wenigstens ein elektrisch leitfähiges Segment auch als Endsegment ausgebildet sein. Das Endsegment ist in diesem Fall dazu ausgebildet, lediglich ein Terminal elektrisch leitfähig zu kontaktieren. Durch das Endsegment weisen alle elektrisch kontaktierbaren Anschlusspunkte der verschalteten Batteriezellen ein gemeinsames Höhenniveau auf, wodurch z. B. Vorteile bei einer Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Segmente entstehen können.
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Vorzugsweise umfassen die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente ein Metall, insbesondere Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder bestehen aus denselben.
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Bevorzugt werden die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente von dem Kunststoffkörper form- und/oder kraftschlüssig gehalten. Dies erfolgt bevorzugt, indem der Kunststoffkörper eine Form aufweist, welche die elektrisch leitfähigen Segmente zumindest teilweise umgreift. Insbesondere bevorzugt weist der Kunststoffkörper eine Form auf, welche die elektrisch leitfähigen Segmente entlang Umfängen der elektrisch leitfähigen Segmente ringsum umgreift. Durch derartige Verbindungen wird ein sicherer Halt der elektrisch leitfähigen Segmente an oder in dem Kunststoffkörper gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wurde die Zellverbindereinheit mittels eines Nanomolding-Verfahrens hergestellt. Das relativ junge Fertigungsverfahren des Nanomoldings wird beispielsweise in den Druckschriften
EP 1 459 882 A1 , Absatz [0013] bis [0052] und
EP 1 559 542 A1 , Absatz [0025] bis [0056] beschrieben. Vorzugsweise ist der Kunststoffkörper derart dünn ausgeführt, dass dieser auf eine Nahtstelle zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten reduziert ist.
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Im Wesentlichen lässt sich die Idee hinter dem Nanomolding-Verfahren damit beschreiben, dass sich durch eine chemische Vorbehandlung metallischer Werkstücke in diesen winzige Poren bilden. In diese Poren kann ein geeigneter Kunststoff unter Druckbeaufschlagung eindringen. Nach Abkühlen des Kunststoffes ergibt sich eine feste Verbindung zwischen den metallischen Werkstücken und einem angrenzenden Kunststoffkörper. Solch eine Verbindung ist beispielsweise in
9 der
EP 1 559 542 A1 ersichtlich. Wie unter einem Mikroskop erkennbar, kann diese Verbindung des Kunststoffs mit dem Metall auch als form- und/oder kraftschlüssig bezeichnet werden, wobei auch Van-der-Waals-Kräfte eine Rolle spielen können.
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Somit werden die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente bevorzugt von dem Kunststoffkörper gehalten, indem ein Kunststoff des Kunststoffkörpers in Poren der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente eingedrungen ist. Die Poren der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente weisen bevorzugt einen Durchmesser kleiner 0,01 mm, ferner bevorzugt kleiner 0,001 mm, insbesondere bevorzugt kleiner 0,0001 mm auf, in welche der Kunststoff des Kunststoffkörpers eingedrungen ist.
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Vorzugsweise sind die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente und der wenigstens eine Kunststoffkörper in einer Reihe alternierend angeordnet, derart dass die Zellverbindereinheit die Form eines Streifens aufweist. Durch die streifenförmige Zellverbindereinheit können die elektrisch leitfähigen Segmente in einem einzigen Arbeitsschritt auf die Terminals einer Seite eines Batteriemoduls aufgelegt werden. Insbesondere ist die Anzahl der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente um ein Stück größer als eine Anzahl des wenigstens einen Kunststoffkörpers.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen und wenigstens eine Zellverbindereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen mittels der wenigstens einen Zellverbindereinheit elektrisch leitfähig verschaltet ist. Durch das Verbauen einer erfindungsgemäßen Zellverbindereinheit innerhalb einer Batterie ergeben sich die oben genannten Vorteile bezüglich der Batteriemontage und Sicherheit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend eine Vielzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen (Sekundärzellen). Durch Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie wird insbesondere eine hohe Energiedichte erreicht, was besonders im Bereich der Elektromobilität weitere Vorteile mit sich bringt.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zellverbindereinheit zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- I) Einlegen der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente in ein Spritzgusswerkzeug;
- II) Einspritzen eines Kunststoffes des Kunststoffkörpers in das Spritzgusswerkzeug;
- III) Entnehmen der Zellverbindereinheit aus dem Spritzgusswerkzeug.
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Beim Einspritzen des Kunststoffs des Kunststoffkörpers kontaktiert der Kunststoff die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente. Das Entnehmen der Zellverbindereinheit gemäß Schritt III) erfolgt, wie allgemein bekannt, erst, nachdem der Kunststoff des Kunststoffkörpers einen erstarrten Zustand eingenommen hat.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner einen, dem Schritt I) vorangehenden Schritt des chemischen Vorbehandelns von Oberflächen der wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente entsprechend eines Nanomolding-Verfahrens. Entsprechende Schritte des Vorbehandelns sind in den Druckschriften
EP 1 459 882 A1 , Absatz [0018] bis [0038] und
EP 1 559 542 A1 , Absatz [0040] bis [0046] beschrieben.
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Auf den beim Nanomolding-Verfahren verwendeten Kunststoff wird in
EP 1 459 882 A1 , Absatz [0040] bis [0048] und
EP 1 559 542 A1 , Absatz [0047] bis [0049] eingegangen.
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In
EP 1 459 882 A1 , Absatz [0049] bis [0050] und
EP 1 559 542 A1 , Absatz bis [0056], insbesondere in Absatz [0056] wird auf den Spritzgussprozess beim Nanomolding eingegangen.
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Alternativ dazu kann eine Zellverbindereinheit auch hergestellt werden, indem der Kunststoff des Kunststoffkörpers zwischen den wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmenten eingebracht wird und die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmente unter Aufheizen miteinander verpresst werden. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen dem Kunststoff und den wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Segmenten analog dem oben genannten Nanomolding-Verfahren. In
EP 1 459 882 A1 , Absatz [0051] bis [0052] wird eine analoge Vorgehensweise beschrieben.
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Als Resultat der oben genannten Nanomolding-Verfahren ergibt sich eine Interaktion des Kunststoffs des Kunststoffkörpers mit den elektrisch leitenden Segmenten, wie z. B. in
EP 1 459 882 A1 9 ersichtlich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der Beschreibung zu entnehmen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 zwei verschaltete Batteriezellen (Stand der Technik),
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2 vier verschaltete Batteriezellen (Stand der Technik),
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3 vier mittels Zellverbindereinheiten verschaltete Batteriezellen,
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4 eine Zellverbindereinheit gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
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5 sechs verschaltete Batteriezellen (Stand der Technik), und
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6 sechs mittels Zellverbindereinheiten verschaltete Batteriezellen.
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Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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2 zeigt gemäß dem Stand der Technik vier Batteriezellen 10, welche an deren Terminals 12 mittels Zellverbindern 14 beispielsweise über Schweißverbindungen 16 elektrisch leitfähig zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Die vier Batteriezellen 10 sind in einer sogenannten 4s1p (4 in Serie, 1 parallel) Konfiguration miteinander verschaltet. Demnach sind alle vier Batteriezellen 10 seriell (also in Reihe) miteinander verschaltet.
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3 zeigt vier Batteriezellen 10, welche im Gegensatz zu 2 mittels zwei erfindungsgemäßen Zellverbindereinheiten 22 zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Die links in 3 ersichtliche Zellverbindereinheit 22 umfasst zwei elektrisch leitfähige Segmente 20 in Form von Zellverbindern, welche über einen Kunststoffkörper 18 miteinander verbunden sind. Die elektrisch leitfähigen Segmente 20 umfassen in der Regel ein Metall, insbesondere Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder bestehen aus diesem. Die elektrisch leitfähigen Segmente 20 der Zellverbindereinheiten 22 können mit den Terminals 12 der Batteriezellen 10 über Schweißstellen 16 verschweißt sein. Der Kunststoffkörper umfasst einen Kunststoff oder besteht aus diesem, wobei der Kunststoff insbesondere ein Füllmaterial, insbesondere ein Fasermaterial aufweist. Um eine elektrische Isolation zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten zu gewährleisten, ist der Kunststoffkörper elektrisch isolierend.
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Eine Schnittansicht A-A der Zellverbindereinheit 22 verdeutlicht den kompakten Aufbau der Zellverbindereinheit 22. Demnach wurde die Zellverbindereinheit 22 mittels eines Nanomolding-Verfahrens hergestellt. Durch die typische, beim Nanomolding entstehende Verbindung zwischen einem Kunststoff des Kunststoffkörpers 18 und den elektrisch leitfähigen Segmenten 20 ist ein sehr sparsamer Einsatz von Kunststoff möglich. Der Normalabstand zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten 20 kann so weit reduziert werden, dass der Kunststoffkörper 18 die Form einer Nahtstelle zwischen den elektrisch leitfähigen Segmenten 20 annimmt, wobei der Kunststoffkörper 18 weiterhin einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Segmenten 20 verhindert.
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Die rechts in 3 ersichtliche Zellverbindereinheit 22 umfasst insgesamt drei elektrisch leitfähige Segmente 20, welche mittels zweier Kunststoffkörper 18 miteinander verbunden sind. Das mittlere der elektrisch leitfähigen Segmente 20 ist dabei als Zellverbinder ausgeformt, während die äußeren zwei elektrisch leitfähigen Segmente 20 als Endsegmente ausgeformt sind.
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4 zeigt eine Alternative zur links in 3 gezeigten Zellverbindereinheit 22. Demnach sind die elektrisch leitfähigen Segmente 20 von dem Kunststoffkörper 18 entlang Umfängen der elektrisch leitfähigen Segmente 20 ringsum umgreift. Durch diese Ausgestaltung werden die elektrisch leitfähigen Segmente von dem Kunststoffkörper besonders stabil formschlüssig gehalten. Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kunststoffes des Kunststoffkörpers 18 und des Metalls der elektrisch leitfähigen Segmente 20 kann zudem eine kraftschlüssige Komponente hinzukommen. Im Gegensatz zu der links in 3 gezeigten Zellverbindereinheit 22 ist die in 4 gezeigte Zellverbindereinheit 22 breiter und länger gebaut. Dies ist notwendig, damit einerseits die elektrisch leitfähigen Segmente 20 die Terminals 12 der Batteriezellen 10 kontaktieren können, während Randbereiche des Kunststoffkörpers 18 seitlich über die Terminals 12 hinausstehen.
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5 zeigt im Gegensatz zu 2 sechs Batteriezellen 10, welche mittels Zellverbindern gemäß Stand der Technik in einer 3s2p (3 in Serie, 2 parallel) Konfiguration verschaltet sind. Demnach ist eine serielle Verschaltung von 3 mal 2 parallel geschalteten Batteriezellen 10 realisiert.
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Wie 6 zeigt, können auch solche 3s2p Konfigurationen mittels erfindungsgemäßen Zellverbindereinheiten 22 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung realisiert werden. Die Zellverbindereinheiten 22 sind prinzipiell analog den in 3 ersichtlichen Zellverbindereinheiten 22 aufgebaut, jedoch zur Realisierung einer 3s2p Konfigurationen ausgebildet. Demnach umfassen beide Zellverbindereinheiten 22 zwei elektrisch leitfähige Segmente 20, welche in Form von Zellverbindern ausgebildet sind und über einen Kunststoffkörper 18 miteinander verbunden sind.
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Die in den 3 und 6 gezeigten Batteriemodule werden wie folgt gefertigt:
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In der Regel werden die Batteriezellen 10 zunächst in der gewünschten Position mechanisch fixiert. Als Nächstes werden die Zellverbindereinheiten 22 auf die Terminals 12 aufgelegt. Im Gegensatz zum Stand der Technik müssen dazu nicht mehrere Zellverbinder 14 pro Seite des Batteriemoduls aufgelegt werden. Vielmehr genügt es, eine Zellverbindereinheit 22 pro Seite des Batteriemoduls, also insgesamt lediglich zwei Zellverbindereinheiten 22 pro Batteriemodul aufzulegen. Dadurch wird die Zeit für weitere Positioniervorgänge während der Fertigung des Batteriemoduls eingespart, wodurch das Batteriemodul schneller und somit kostengünstiger gefertigt werden kann. Im letzten Schritt werden die elektrisch leitfähigen Segmente 20 der zwei Zellverbindereinheiten 22 mit den Terminals 12 der Batteriezellen 10 verbunden, im gezeigten Fall verschweißt. Die gezeigten Zellverbindereinheiten 22 können somit auch als Mehrzellen-Schweißverbinder bezeichnet werden.
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Durch die feste mechanische Fixierung der elektrisch leitfähigen Segmente 20 durch den Kunststoffkörper 18 wird die Sicherheit der Batterie bei einem Unfall erheblich verbessert, da das Risiko von Kurzschlüssen aufgrund eines Berührens von zwei elektrisch leitfähigen Segmenten 20 geringer ist, als bei einem System gemäß dem Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1459882 A1 [0014, 0023, 0024, 0025, 0026, 0027]
- EP 1559542 A1 [0014, 0015, 0023, 0024, 0025]
