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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Batteriezellen, teilweise auch als Akkumulatorzellen bezeichnet, dienen zur chemischen Speicherung von elektrisch zur Verfügung gestellter Energie. Bereits heute werden Batteriezellen zur Energieversorgung einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt. Zukünftig sollen Batteriezellen unter anderem zur Energieversorgung von mobilen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zu Land wie auch zu Wasser, oder zur stationären Zwischenspeicherung von aus alternativen Energiequellen stammender elektrischer Energie eingesetzt werden.
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Hierzu wird meist eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriepaketen zusammengesetzt. Um hierbei ein zur Verfügung stehendes Paketvolumen möglichst effizient auszunutzen, werden für solche Zwecke vornehmlich Batteriezellen mit einer prismatischen, beispielsweise einer Quader-artigen Form eingesetzt.
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Wegen ihrer möglichen hohen Energiedichte, thermischen Stabilität und fehlendem Memory-Effekt wird für anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise Speicherlösungen für Kraftfahrzeuge meist eine Lithium-Ionen-Akku-Technologie eingesetzt, welche aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung einer zukünftigen Elektromobilität derzeit intensiv weiterentwickelt wird.
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Es existieren bereits viele verschiedene Typen von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, und ferner insbesondere Batteriezellen mit prismatischer Form. Dabei sind Komponenten der Batteriezelle meist hermetisch abgedichtet im Innern eines Gehäuses aufgenommen. Das Gehäuse besteht im Allgemeinen aus einem nach oben offenen Behälter und einer Deckelanordnung, die diesen Behälter oben dicht abschließt. Teil der Deckelanordnung ist meist eine Deckplatte, welche mit dem Behälter an ihren Rändern dicht verbunden wird, beispielsweise durch Anschweißen der Deckplatte an einen Behälterrand. In der Deckplatte sind Öffnungen vorgesehen, durch die hindurch z.B. von außen zugängliche und mit den innenliegenden Komponenten elektrisch verbundene Kontaktanordnungen reichen.
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Es wurde beobachtet, dass es bei Batteriezellen insbesondere bei feuchten Betriebsbedingungen zu unerwarteten Kurzschlüssen kommen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit Hilfe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann unter anderem ein Risiko von Kurzschlüssen bei Batteriezellen verringert werden.
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Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die ein Wickelelement, einen Elektrolyten, zwei Stromabnehmer und ein Gehäuse aufweist. Das Wickelelement besteht aus einem gewickelten Stapel aus einer mit Anodenmaterial beschichteten ersten Folie, beispielsweise aus Kupfer, einer mit Kathodenmaterial beschichteten zweiten Folie, beispielsweise aus Aluminium, und zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien. Einer der Stromabnehmer ist mit der ersten Folie des Wickelelements elektrisch leitfähig verbunden, beispielsweise verschweißt. Der zweite Stromabnehmer ist mit der zweiten Folie des Wickelelements elektrisch leitfähig verbunden. Das Gehäuse weist einen metallischen Behälter und eine metallische Deckelanordnung auf. Der Behälter weist eine Öffnung auf, durch die das Wickelelement und die beiden Stromabnehmer während der Fertigung der Batteriezelle in das Gehäuse eingebracht werden können. Die Deckelanordnung ist dazu ausgebildet, die Öffnung des Behälters gasdicht und druckdicht abzuschließen. Hierfür weist die Deckelanordnung unter anderem eine Deckplatte auf, welche die Öffnung in dem Behälter weitgehend verschließen kann und welche zum hermetischen Verschließen des Gehäuses mit dem Behälter beispielsweise durch eine Schweißnaht verbunden werden kann. An der Deckelanordnung ist eine Durchführungsanordnung ausgebildet, um elektrisch leitfähige Kontaktanordnungen, welche jeweils mit einem der Stromabnehmer im Inneren des Gehäuses in Kontakt sind, aus dem Gehäuse heraus durch die Deckelanordnung hindurchzuführen. Die vorgeschlagene Batteriezelle zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Deckplatte einen Zentralbereich und einen den Zentralbereich umgebenden Randbereich aufweist, wobei der Zentralbereich sich oberhalb der Öffnung des Behälters erstreckt wohingegen sich der Randbereich innerhalb der Öffnung des Behälters erstreckt.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen unter anderem die folgenden Ideen und Erkenntnisse zugrunde:
Bei Gehäusen für herkömmliche Batteriezellen ist eine die Öffnung des Behälters verschließende Deckplatte im Allgemeinen eben ausgebildet. Die Deckplatte kann hierzu aus einem Metallblech derart ausgestanzt werden, dass eine Außenkontur der ausgestanzten Deckplatte im Wesentlichen dem Innenquerschnitt des Behälters im Bereich der Öffnung entspricht. Somit kann der Außenrand der Deckplatte einfach und hermetisch dicht an der Innenoberfläche der Wand des Behälters angeschweißt werden. In der Deckplatte werden ferner Durchgangslöcher ausgestanzt, durch die hindurch die elektrisch leitfähigen Kontaktanordnungen jeweils vom Inneren des Gehäuses, wo sie elektrisch mit einem der Stromabnehmer verbunden sind, nach außen aus dem Gehäuse herausgeführt sind, wo sie einen der Polkontakte der Batteriezelle bilden können.
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Es wurde nun beobachtet, das insbesondere bei Batteriezellen, die in einer feuchten Umgebung eingesetzt werden, beispielsweise bei Anwendungen in Schiffen oder in feuchtem Klima, Kurzschlüsse zwischen den Polanschlüssen der Batteriezelle auftreten können. Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass diese Kurzschlüsse auf einen dünnen Wasserfilm zurückzuführen sein könnten, der sich beispielsweise durch kondensierenden Wasserdampf oder durch Spritzwasser bilden kann. Dabei kann sich Wasser auf der Deckplatte des Batteriezellengehäuses ansammeln und schlimmstenfalls eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktpolen erzeugen.
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Es wird daher vorgeschlagen, die Deckplatte nicht eben auszubilden, sondern mit einem Zentralbereich, der sich oberhalb der Öffnung des Behälters erstreckt und einem diesen Zentralbereich umgebenden Randbereich, der sich innerhalb der Öffnung des Behälters erstreckt. Anders ausgedrückt kann der Zentralbereich wie ein Podest über den Randbereich der Deckplatte überstehen, so dass sich der höher liegende Zentralbereich weiter entfernt vom Innern des Behälters erstreckt als der tiefer liegende Randbereich. Der Zentralbereich kann sich hierbei außerhalb eines von dem Behälter umschlossenen Volumens erstrecken, wohingegen der Randbereich sich innerhalb eines solchen Volumens oder an dessen Grenzfläche erstrecken kann.
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Der Zentralbereich kann sich zumindest über einen Teilbereich der Deckplatte erstrecken, wobei sich dieser Teilbereich von einer einen Pluspol bildenden Kontaktanordnung hin zu einer einen Minuspol bildenden Kontaktanordnung erstreckt. Mit anderen Worten soll sich der Zentralbereich zumindest in einem Teilbereich der Deckplatte erstrecken, in dem sich ansammelndes Wasser ansonsten zu einem Kurzschluss zwischen den beiden Kontaktanordnungen führen könnte. Dadurch, dass der Zentralbereich gegenüber dem Randbereich erhaben ist, kann vermieden werden, dass sich Wasser dort ansammelt. Stattdessen kann Wasser von dem podestartig erhabenen Zentralbereich seitlich hin zu dem niedriger liegenden Randbereich abfließen, wo es keinen Kurzschluss bewirken kann.
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Die Deckplatte mit auf unterschiedlichen Niveaus verlaufendem Zentralbereich und Randbereich kann beispielsweise durch Prägen eines Metallblechs hergestellt werden. Dabei kann der Zentralbereich selbst eben sein und gegebenenfalls ein Übergang hin zu dem niedriger liegenden Randbereich verrundet ausgestaltet werden, um ein Abfließen von Feuchtigkeit von dem Zentralbereich hin zu dem Randbereich zu erleichtern. Alternativ kann der Zentralbereich auch nach außen konvex ausgebildet sein, so dass eine Mitte des Zentralbereichs weiter nach außen über den Randbereich überragt als ein Rand des Zentralbereichs. Auf diese Weise kann weiter unterstützt werden, dass Wasser vom Zentralbereich hin zu dem Randbereich abfließt. Als ein Abfließen unterstützend kann insbesondere ein verrundeter Übergang zwischen dem Zentralbereich und dem Randbereich wirken.
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Der Randbereich kann eine nach innen in die Öffnung des Behälters reichende Rinne bilden, welche als Wasserauffangrinne wirken kann. Vom Zentralbereich ablaufendes Wasser kann somit in die Rinne strömen und dort mit der Zeit verdampfen. Dadurch kann verhindert werden, dass das Wasser beispielsweise hin zu benachbarten Batteriezellen strömt und dort Schaden anrichtet oder es sich in ein eine Batteriezelle umgebendes Gehäuse ergießt, wodurch es dort zu Korrosion kommen könnte.
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Die Rinne kann einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Eine innenliegende Flanke der Rinne, das heißt, eine in den innenliegenden Zentralbereich übergehende Flanke der Rinne, kann dabei höher sein als eine außenliegende Flanke. Damit kann erreicht werden, dass Wasser, welches sich in der Rinne sammelt, nicht hin zu dem Zentralbereich gelangen kann, da es vorher über die niedrigere außenliegende Flanke ablaufen kann.
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Der Randbereich kann einen außen an die Rinne angrenzend seitlich abragenden Berandungsbereich aufweisen. Mit diesem Berandungsbereich kann die Deckplatte seitlich an der Innenoberfläche des Behälters angrenzen und dort mit dieser verschweißt werden.
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Die beschriebenen Merkmale der Batteriezelle und Ausgestaltungen der Komponenten der Batteriezelle, insbesondere der Deckplatte, sind insbesondere für den Einsatz bei Batteriezellen geeignet, deren Gehäuse eine prismatische Form aufweist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Batteriezelle hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann versteht, dass die einzelnen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine Explosionszeichnung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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2 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Deckplatte für eine Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Deckplatte für eine Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle mit einer speziell ausgebildeten Deckplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt ein Fahrzeug mit einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine konventionelle Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer Explosionsansicht. Es ist zu erkennen, dass die Batteriezelle aus einer Vielzahl einzelner Komponenten besteht, die separat vorgehalten werden und während der Fertigung aufwendig zusammengebaut werden müssen. Es werden hierin lediglich die für das Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung notwendigen Bauteile und deren Merkmale beschrieben, auf eine Beschreibung der übrigen Bauteile der Batteriezelle wird verzichtet.
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Die Batteriezelle 1 weist ein Wickelelement 3 mit einem gewickelten Stapel 5 aus einer Kupferfolie, welche mit Anodenmaterial beschichtet ist, und einer Aluminiumfolie, welche mit Kathodenmaterial beschichtet ist, sowie dazwischen liegenden Kunststofffolien, die als Diaphragmen dienen, auf.
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Zur elektrischen Kontaktierung werden die Kupferfolie und die Aluminiumfolie entlang der Wickelachse in entgegengesetzter Richtung leicht versetzt übereinander gestapelt, so dass die Kupferfolie auf einer Schmalseite und die Aluminiumfolie auf einer gegenüberliegenden Schmalseite über einen jeweiligen Rand des Wickelelements geringfügig überstehen. An einen überstehenden Bereich 4 der Kupferfolie wird ein aus Kupfer bestehender Stromabnehmer 7 angeschweißt, so dass dieser Stromabnehmer mit der Anode des Wickelelements elektrisch verbunden ist. An einen gegenüberliegenden überstehenden Bereich der Aluminiumfolie wird ein aus Aluminium bestehender zweiter Stromabnehmer 9 angeschweißt, um einen elektrischen Kontakt zu der Kathode des Wickelelements 3 herzustellen.
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Das mit den beiden Stromabnehmern 7, 9 versehene Wickelelement 3 wird dann in einen nach oben offenen, quaderförmigen Behälter 13 durch eine Öffnung 14 eingebracht. Die Öffnung 14 des Behälters 13 wird anschließend mit einer Deckplatte 23 verschlossen. Hierzu wird die Deckplatte 23 an ihrem Rand mit einer Innenoberfläche des Behälters 13 im Bereich der Öffnung 14 verschweißt. Anschließend wird durch eine kleine Öffnung 26 in der Deckplatte 23 in den Behälter 13 ein flüssiger Elektrolyt eingefüllt, der somit in Kontakt mit den an den Metallfolien des Wickelelements vorgesehenen Anoden- und Kathodenmaterialien kommt, so dass es an den Grenzflächen zu gewünschten chemischen Reaktionen zwischen diesen Materialien und dem Elektrolyten und entsprechend zur Umsetzung chemischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt kommen kann. Der Behälter 13 ist aus Metallblech gebildet, um unter anderem dem chemisch aggressiven Elektrolyten widerstehen zu können.
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Die Deckplatte 23 weist einige Öffnungen auf, die für unterschiedliche Zwecke vorgesehen sind und die während des Zusammenbaus der Batteriezelle 1 hermetisch verschlossen werden. Beispielsweise sind zwei runde Öffnungen 25 vorgesehen, durch die an den innenliegenden Stromabnehmern 7, 9 vorgesehene Anschlussbolzen 27 nach außen aus dem Gehäuse herausgeführt werden können, so dass sie als Teil der Kontaktanordnungen 19 einen elektrischen Kontakt zu außenliegenden Anschlüssen 21 bilden können. Außerdem ist eine Öffnung 26 vorgesehen, durch die Elektrolyt in das Innere des Behälters 13 eingefüllt werden kann. Zwei weitere Öffnungen 28, 29 dienen zur Aufnahme einer Berstscheibe 30 bzw. einer sogenannten OSD-Membran 31.
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Bei der in 1 dargestellten herkömmlichen Batteriezelle 1 ist die Deckplatte 23 eben. Sie kann durch einfache Stanzprozesse aus einem Metallblech gebildet werden.
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Aufgrund dieser ebenen Ausgestaltung sowie der Tatsache, dass die Deckplatte an ihren Rändern an der Innenoberfläche Behälters 13 angeschweißt ist, so dass Schweißwülste die Deckplatte 23 überragen können, kann es jedoch dazu kommen, dass sich ein Flüssigkeitsfilm auf der Deckplatte 23 ansammelt, beispielsweise durch kondensierenden Wasserdampf. Ein solcher Flüssigkeitsfilm kann schlimmstenfalls eine elektrische Verbindung zwischen den durch die Öffnungen 25 hindurchragenden Bolzen 27 und damit zwischen den beiden Polen der Batteriezelle 1 bewirken, wodurch es zum Kurzschluss der Batteriezelle kommt.
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In 2 ist eine perspektivische Teilansicht einer Deckplatte 23 dargestellt, wie sie für eine Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In 3 ist ein Querschnitt durch eine solche Deckplatte 23 gezeigt. 4 zeigt eine Batteriezelle 1 mit einer derart ausgestalteten Deckplatte 23.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 deutlich zu erkennen, weist die Deckplatte 23 einen Zentralbereich 33 und einen diesen Zentralbereich 33 ringförmig umgebenden Randbereich 35 auf. Der Zentralbereich 33 überragt den Randbereich 35 podestartig.
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Wie in 3 dargestellt, kann die Deckplatte 23 somit derart in der Öffnung 14 des Behälters 13 angeordnet werden, dass der Randbereich 35 zwar innerhalb der Öffnung 14 liegt und der Randbereich 35 somit mit einer Innenoberfläche des Behälters 13 über Schweißnähte 39 verbunden werden kann, dass sich aber der Zentralbereich 33 oberhalb der Öffnung 14 des Behälters 13 erstreckt.
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Der Zentralbereich 33 der Deckplatte 23 kann, wie in den Figuren gezeigt, eben sein. Es ist jedoch auch möglich, den Zentralbereich nach außen gewölbt, d.h. konvex, auszubilden. Ein Übergang zwischen dem Zentralbereich und dem angrenzenden Randbereich sollte verrundet ausgestaltet sein.
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Der Randbereich 35 kann eine nach innen in die Öffnung 14 reichende Rinne 37 bilden. Diese Rinne 37 kann einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei eine innenliegende Flanke 38, das heißt eine Flanke der U-förmigen Rinne, die an den innenliegenden Zentralbereich 33 angrenzt, höher ausgebildet sein kann als eine außenliegende Flanke 36. Außen an die Rinne 37 angrenzend ist ein seitlich abragender Berandungsbereich 40 vorgesehen, der sich, ähnlich wie der Zentralbereich 33, im Wesentlichen horizontal, das heißt parallel zu einer die Öffnung 14 des Behälters 13 begrenzenden Ebene, erstreckt. An diesem Berandungsbereich 40 kann die Deckplatte 23 mit dem Behälter 13 verschweißt werden.
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Der Zentralbereich 33 der Deckplatte 23 beinhaltet unter anderem auch die Öffnungen 25, durch die sich die Kontaktanordnungen 19 (in den 2 und 3 nicht gezeigt), erstrecken. Wie in 4 dargestellt, befindet sich somit der gesamte Bereich zwischen einer einen Pluspol 43 bildenden Kontaktanordnung 19 und einer einen Minuspol 41 bildenden Kontaktanordnung 19 innerhalb des Zentralbereichs 33 der Deckplatte 23.
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Da dieser Zentralbereich 33 podestartig höher liegt als der umgebende Randbereich 35, kann auftretende Feuchtigkeit von dem Zentralbereich 33 über dessen verrundeten Übergang hin zu der in dem Randbereich 35 ausgebildeten Rinne 37 abfließen. Dort kann sich die Feuchtigkeit sammeln und mit der Zeit verdunsten. Das Risiko eines Kurzschlusses zwischen dem Pluspol 43 und dem Minuspol 41 kann somit erheblich verringert werden.
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4 zeigt ein Kraftfahrzeug 100, mit einer Batterie 102, die aus mehreren der oben beschriebenen Batteriezellen 1 zusammengesetzt ist.
