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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mindestens zwei Batteriezellen, die über einen Zellverbinder miteinander elektrisch verbunden sind.
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Stand der Technik
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Li-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare elektrische Energiespeicher, die heute schon einen breiten Einsatz in Handys, Laptops und tragbaren Konsumgeräten finden. Es ist in der letzten Zeit zunehmend ein Trend eingetreten, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie z. B. Hybrid-, Plug-In- und Elektrofahrzeugen, als auch im Anwenderbereich, z. B. bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen. An diese werden neben hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit auch immer höhere Anforderungen bezüglich geringem Bauraum, minimalem Gewicht und höherem Wirkungsgrad gestellt.
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Wiederaufladbare Batterien sowie Batteriesysteme und Kraftfahrzeuge mit Batterien sind im Stand der Technik bekannt. Um Batterien insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einer gewünschten elektrischen Leistungsfähigkeit herstellen zu können, weisen die Batterien mehrere Batteriezellen auf, die parallel oder in Reihe miteinander zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Mehrere Module können dann wieder zu einer Untereinheit und mehrere Untereinheiten wiederum zu einem Batteriepack zusammengefasst werden.
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Eine immer größere Herausforderung im Mechanik-Design von wiederaufladbaren Batterien liegt in der Volumen- und Gewichtsreduzierung und der möglichst verlustfreien Weiterleitung von elektrischer Energie zwischen den Zellen. Die elektrische Energie zwischen den Batteriezellen innerhalb eines Moduls wird mit sogenannten Zellverbindern realisiert. Diese können auf entsprechende Anschlussterminals der Batteriezellen gelegt und mit diesen mittels eines Lasers verschweißt werden.
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Innerhalb der Zellen wird nach derzeitigem Aufbau der Zellen die elektrische Energie von sogenannten Ladungssammlern zu einem Batterieterminal weitergeleitet.
DE 10 2010 008 746 A1 zeigt eine solche Batterie. An den jeweiligen Terminals eines Batteriemoduls sind die Zellverbinder angebracht, die die elektrische Energie von Batteriezelle zu Batteriezelle innerhalb eines Batteriemoduls weiterleiten. Üblicherweise ist für die Weiterleitung der elektrischen Energie einer Elektrode einer ersten Batteriezelle zu einer Elektrode einer zweiten Batteriezelle eine Vielzahl von Bauteilen vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, und einen Zellverbinder zur elektrischen Verbindung der ersten Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle umfasst. Die erste und zweite Batteriezelle weisen jeweils eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einem ersten Ladungssammler, elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden, und einem zweiten Ladungssammler, elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden, auf. Der Zellverbinder ist dabei über jeweils eine gemeinsame Kontaktfläche mit dem ersten oder zweiten Ladungssammler der ersten Batteriezelle und dem ersten oder zweiten Ladungssammler der zweiten Batteriezelle direkt verbunden.
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Mit anderen Worten, eine Fläche des Zellverbinders kontaktiert eine Fläche des entsprechenden Ladungssammlers direkt und unmittelbar. Zwischen einer Fläche des Zellverbinders und einer Fläche des entsprechenden Ladungssammlers befindet sich kein anderes Bauelement. Die elektrische Energie in einer Batteriezelle wird dort direkt an eine benachbarte Batteriezelle weitergeleitet, wo sie erzeugt wird. Durch die gemeinsamen Kontaktflächen von Stromsammler und Zellverbinder wird ein möglichst verlustfreies Zusammenschalten der Zellen und somit ein höherer Wirkungsgrad des Batteriemoduls erreicht. Ferner kommt es zur Einsparung von Bauteilen und Verringerung von Materialkosten gegenüber Batteriemodulen des Standes der Technik. Fertigungsschritte können eingespart und das Gewicht des Batteriemoduls verringert werden. Auch kann die volumetrische Energiedichte erhöht werden.
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Bevorzugt ist der Zellverbinder direkt an den entsprechenden ersten oder zweiten Ladungssammlern der ersten und zweiten Batteriezellen befestigt. Noch bevorzugter sind der Zellverbinder und die entsprechenden ersten oder zweiten Ladungssammler miteinander verschweißt.
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Vorteilhafterweise sind somit Zellverbinder und Ladungssammler fest gegenüber Vibrationen miteinander verbunden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die gemeinsame Kontaktfläche durch die Unterseite des Zellverbinders und eine von der entsprechenden Elektrodenanordnung wegweisende Oberfläche der ersten oder zweiten Ladungssammler ausgebildet.
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Die Kontaktflächen können dadurch entsprechend groß und somit effizient für die Weiterleitung der elektrischen Energie ausgebildet sein. Auch ist die Kontaktfläche dann auf der Seite des Ladungssammlers angeordnet, die von einem Elektrolyt in der Batteriezelle wegweisend ausgebildet ist. Somit wird die Sicherheit der Batteriezelle in Bezug auf eine Selbstentzündung verbessert.
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Die erste und zweite Batteriezelle umfassen jeweils bevorzugt ferner eine Deckplatte. Die Deckplatte schließt eine Seite des Gehäuses ab. Durch die Deckplatte werden im Stand der Technik die Anschlussklemmen nach außen geführt. Erfindungsgemäß kontaktiert der Zellverbinder den entsprechenden Ladungssammler zwischen Deckplatte und Elektrodenanordnung direkt.
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Der Zellverbinder kann von der jeweiligen Deckplatte mittels eines Isolators elektrisch getrennt ausgebildet sein.
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Die Ladungssammler weisen in einem Ausführungsbeispiel einen ersten Bereich auf, der im Wesentlichen senkrecht zur Deckplatte ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich, der im Wesentlichen parallel zur Deckplatte ausgebildet ist. Die Kontaktfläche zum Zellverbinder ist dann bevorzugt am zweiten Bereich des jeweiligen Ladungssammlers ausgebildet.
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Die erste und zweite Batteriezelle können in einem Ausführungsbeispiel ferner jeweils ein Gehäuse umfassen, wobei der Zellverbinder durch das jeweilige Gehäuse hindurchgeführt wird.
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Die ersten Elektroden sind bevorzugt positive Elektroden und die zweiten Elektroden negative Elektroden und der Zellverbinder ist mit der ersten Elektrode der ersten Batterie und der zweiten Elektrode der zweiten Batterie elektrisch verbunden.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Vorteilhafterweise kann mittels des erfindungsgemäßen Batteriemoduls eine höhere Energieweiterleitung an das Antriebssystem des Kraftfahrzeugs erreicht werden.
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Bevorzugt ist die beanspruchte Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Es kann sich auch um eine Nickel-Metall-Hydrid-Zelle oder eine Lithium-Metall-Polymer-Zelle handeln.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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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 eine Batteriezelle des Standes der Technik in einer Seitenansicht,
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2 eine Batteriezelle des Standes der Technik in einer Explosionsdarstellung,
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3 ein Batteriemodul des Standes der Technik,
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4 ein Batteriemodul bestehend aus mehreren, über Zellverbinder miteinander verbundenen Batteriezellen des Standes der Technik,
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5 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer Schrägsicht, und
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6 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer Explosionsdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Batteriezelle 100 des Standes der Technik gezeigt. Die Batteriezelle 100 umfasst ein Gehäuse 160, welches an einer Seite mit einer Deckplatte 170 verschlossen ist. In dem Gehäuse 160 der Batteriezelle 100 befindet sich eine Elektrodenanordnung 110 bestehend aus einer ersten Elektrode 111 und einer zweiten Elektrode 112. Bevorzugt sind erste Elektrode 111 und zweite Elektrode 112 gewickelt ausgeführt, mit einem isolierenden Separator (nicht gezeigt) dazwischen. Die erste Elektrode 111 kann eine negative und die zweite Elektrode 112 eine positive Elektrode sein. Ein erster Ladungssammler 120 ist mit der ersten Elektrode 111 elektrisch verbunden, ein zweiter Ladungssammler 130 ist mit der zweiten Elektrode 112 elektrisch verbunden. Die Ladungssammler 120, 130 weisen einen ersten Bereich 121, 131 auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Deckplatte 170 erstreckt. Ein zweiter Bereich 122, 132 der Ladungssammler 120, 130 ist mit dem ersten Bereich 121, 131 verbunden und bevorzugt mit ihm einstückig ausgebildet, und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Deckplatte 170 unterhalb der Deckplatte 170 und oberhalb der Elektrodenanordnung 110. Der erste Ladungssammler 120 ist mit einem ersten Terminal 140 elektrisch verbunden. Bevorzugt ist das erste Terminal 140 mit dem zweiten Bereich 122 des Ladungssammlers 120 verbunden. Das erste Terminal 140 dient dem äußeren Abgriff der elektrischen Ladung der Batteriezelle 100. Das erste Terminal 140 durchdringt die Deckplatte 170 an einer Stelle, so dass ein Teil des ersten Terminals 140 oberhalb der Deckplatte 170 und ein weiterer Teil unterhalb der Deckplatte 170 ausgebildet ist. Das erste Terminal 140 bildet den ersten Batteriepol des Batteriemoduls 1 aus. Der zweite Ladungssammler 130 kann ebenso mit einem zweiten, die Deckplatte 170 durchdringenden Terminal 150 verbunden sein. Das zweite Terminal 150 bildet dann den zweiten Batteriepol des Batteriemoduls 1 aus. Der zweite Batteriepol kann aber auch durch das Gehäuse 160 selbst ausgebildet sein. In diesem Fall sind Gehäuse 160 und zweite Elektrode 112 elektrisch miteinander, bevorzugt über einen zweiten Ladungssammler 130, wie in 1 gezeigt, verbunden.
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2 zeigt die Verbindungselemente zwischen Elektrodenanordnung 110 und dem jeweiligen ersten und zweiten Terminal 140, 150 im Detail. Der Batteriestrom wird innerhalb einer Batteriezelle 100 über den ersten Ladungssammler 120 an eine Nietanschlussklemme 144 weitergegeben, die durch die Deckplatte 170 hindurchgeführt wird. Zwischen Nietanschlussklemme 144 und Ladungssammler 120 ist ein unterer Isolator 145 zur elektrischen Isolation von Ladungssammler 120 und Deckplatte 170 ausgebildet. Ferner ist die Nietanschlussklemme 144 mittels einer Dichtung 143 von der Deckplatte 170 elektrisch isoliert. Die Dichtung 143 verhindert dabei den Austritt des Elektrolyten aus der Batteriezelle 100. Oberhalb der Deckplatte 170 umgibt die Nietanschlussklemme 144 eine Anschlussklemmplatte 142, die auf der Deckplatte 170 befestigt ist und mit einer Bolzenanschlussklemme 141 verbunden ist. Die Bolzenanschlussklemme 141 dient dabei dem Abgriff der elektrischen Energie der Batteriezelle 100. Entsprechend kann das zweite Terminal 150 eine Bolzenanschlussklemme 151, eine Anschlussklemmenplatte 152, eine Dichtung 153, eine Nietanschlussklemme 154 und einen unteren Isolator 155 umfassen. In der Deckplatte 170 kann eine Entlüftung 175 vorgesehen sein, die sich bei einem Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle 100 öffnet.
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3 und 4 zeigen Batteriemodule 1 des Standes der Technik. Ein Batteriemodul 1 umfasst mehrere Batteriezellen 100, die in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Das Batteriemodul 1 kann Endflächen 180 aufweisen, die die jeweils äußeren Batteriezellen 100 abstützen und begrenzen. Zwischenwände 190 können zwischen je zwei benachbarten Batteriezellen 100 ausgebildet sein. Zur Vergrößerung der Leistungsfähigkeit werden dabei die Batteriezellen 100 eines Batteriemoduls 1 miteinander elektrisch verbunden. Dies kann über Zellverbinder 300 geschehen. Ein Zellverbinder 300 kann dann mit einem Terminal 140, 150 einer ersten Batteriezelle 100 und mit einem Terminal 140, 150 einer zweiten Batteriezelle 100 verbunden sein. Die Zellverbinder 300 können mit den Bolzenanschlussklemmen 141 direkt verbunden sein, z. B. mit ihnen verschraubt sein. Der äußere Stromabgriffbereich eines Terminals 140, 150 kann aber auch flächig ausgebildet sein, und der Zellverbinder 300 kann dann direkt auf diesem flachen Bereich liegend ausgebildet sein. Eine solche flächige Verbindung ist exemplarisch in 4 gezeigt. Bevorzugt ist der Zellverbinder 300 mit den jeweiligen Terminals 140, 150 der jeweiligen Batteriezelle 100 verschweißt. So kann ein zweites Terminal 150 einer ersten Batteriezelle 100 über einen Zellverbinder 300 mit einem ersten Terminal 140 einer zweiten Batteriezelle 100 verbunden sein. Weiter kann dann das zweite Terminal 150 der zweiten Batteriezelle mit einem ersten Terminal 140 einer dritten Batteriezelle 100 über einen Zellverbinder 300 verbunden sein. In diesem Ausführungsbeispiel dienten dann das erste Terminal 140 der ersten Batteriezelle 100 und das zweite Terminal 150 der dritten Batteriezelle 100 dem Abgriff der Energie am Batteriemodul 1.
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Die Vielzahl der Bauteile zwischen den Elektroden 111, 112 und den jeweiligen Abgriffstellen der Terminals 140, 150 führt nachteilig zu elektrischen Verlusten, einer Vielzahl von Fertigungsschritten beim Zusammenbau einer Batteriezelle 100, einem vergrößerten Gewicht und hohen Materialkosten.
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5 und 6 zeigen ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1, bei dem ein Zellverbinder 300 unmittelbar und direkt mit den jeweiligen Stromsammlern 120, 130 zweier benachbarter Batteriezellen 100 verbunden ist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass z. B. in einem Elektrofahrzeug ein Batteriemodul 1 für den größten Anteil an benötigtem Bauraum und folglich auch Gewicht verantwortlich ist. In den Batteriezellen 100 wiederum findet die eigentliche Energiespeicherung statt. Durch ein möglichst direktes und verlustfreies „Zusammenschalten“ der Batteriezellen 100 entsteht ein höherer Wirkungsgrad und folglich eine höhere Energieweiterleitung an die Antriebsmaschine. Erfindungsgemäß wird die elektrische Energie unmittelbar dort weitergeleitet, wo sie auch „erzeugt“ wird, also innerhalb einer Batteriezelle 100. Damit gelingt eine Weiterleitung von Energie mit geringeren Verlusten im Vergleich zum Stand der Technik. Es wird ein höherer Wirkungsgrad der Batteriemodule 1 erreicht, Bauteile innerhalb und außerhalb der Batteriezelle 100 werden eingespart, sowie Fertigungsschritte zum Zusammenbau einer Batteriezelle 100, das Gewicht einer Batteriemoduls 1 und die Materialkosten werden verringert.
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Wie in 5 und 6 gezeigt, ist der Zellverbinder 300 direkt mit einem ersten Ladungssammler 120 einer ersten Batteriezelle 100 und einem zweiten Ladungssammler 130 einer zweiten, unmittelbar benachbarten Batteriezelle 100 verbunden. Der erste Ladungssammler 120 ist bevorzugt elektrisch mit der negativen Elektrode 111 der ersten Batteriezelle 100 verbunden. Der zweite Ladungssammler 130 ist bevorzugt elektrisch mit der positiven Elektrode 112 der zweiten Batteriezelle 100 verbunden. Jede Batteriezelle 100 weist weiterhin eine Deckplatte 170 auf, jedoch im Vergleich zu den Deckplatten 170 des Standes der Technik ohne Durchgangslöcher zum Hindurchführen der Terminals 140, 150 nach außen.
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In 5 und 6 ist der Zellverbinder 300 exemplarisch flächig, bevorzugt rechteckig ausgebildet. Er kontaktiert dabei bevorzugt aber nicht beschränkend den jeweiligen zweiten Bereich 122, 132 der jeweiligen Ladungssammler 120, 130 der ersten und zweiten Batteriezelle 100. Der zweite Bereich 122, 132 kann dabei mit einer gegenüber einem herkömmlichen Terminal 140, 150 vergrößerten Oberfläche ausgebildet sein, so dass die jeweiligen Kontaktflächen zwischen Ladungssammler 120, 130 und Zellverbinder 300 maximiert werden können. Die Verbindung geschieht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf der Oberseite der jeweiligen Ladungssammler 120, 130. Die Ausbildung der Kontaktfläche an der Oberseite der Ladungssammler 120, 130 hat den Vorteil, dass die elektrische Verbindung räumlich entfernt von der Elektrodenanordnung und dem Elektrolyten innerhalb der Batteriezelle 100 ausgebildet werden kann, wodurch die Sicherheit gegenüber einer Selbstentzündung der Batteriezellen 100 verbessert wird. Die Kontaktflächen Zellverbinder 300 und Ladungssammler 120, 130 sind demnach bevorzugt zwischen Ladungssammler 120, 130 und Deckplatte 170 ausgebildet. Jedoch können die Kontaktflächen auch an der Unterseite des zweiten Bereichs 122, 132 der Ladungssammler 120, 130 erfolgen. Auch hier sind die elektrischen Kontaktflächen noch von der Elektrodenanordnung 110 und dem Elektrolyten räumlich getrennt ausgebildet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Kontaktflächen der Ladungssammler 120, 130 und Zellverbinder 300 auch im ersten Bereich 121, 131 der Ladungssammler 120, 130 angeordnet sein.
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Der Zellverbinder 300 kann auch stabförmig oder mit einer anderen geometrischen Form ausgebildet sein. Er kann aus einer einzigen Materialzusammensetzung bestehen oder aus zwei verschiedenen Materialzusammensetzungen, die räumlich voneinander getrennt sind. Dies ist insbesondere dann angezeigt, wenn der erste Ladungssammler 120 und der zweite Ladungssammler 130 aus einem unterschiedlichen, leitenden Material bestehen. Vorteilhafterweise wird dann der Bereich des Zellverbinders 300, der den ersten Ladungssammler 120 kontaktiert, aus dem Material des ersten Ladungssammlers 120 gefertigt. Der Bereich des Zellverbinders 300, der den zweiten Ladungssammler 130 kontaktiert, umfasst dann entsprechend das Material des zweiten Ladungssammlers 130.
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Die Batteriezellen 100 können wiederum ein Gehäuse 160 aufweisen (nicht gezeigt). Der Zellverbinder 300 wird dann durch Seitenwände des Gehäuses 160 geführt. Dabei wird im Bereich des Durchdringens des Gehäuses 160 der Zellverbinder 300 vom Gehäuse 160 elektrisch isoliert. Jedoch kann auch auf ein jeweiliges, separates Gehäuse 160 verzichtet werden, und die Batteriezellen 100 können in einem gemeinsamen Gehäuse des Batteriemoduls 1 angeordnet sein. Bevorzugt, aber nicht beschränkend, ist immer ein erster Ladungssammler 120, bevorzugt der negative Ladungssammler 120, einer ersten Batteriezelle 100 benachbart mit einem zweiten Ladungssammler 130, bevorzugt dem positiven Ladungssammler 130 einer zweiten Batteriezelle 100 ausgebildet.
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Bevorzugt sind Ladungssammler 120, 130 und Zellverbinder 300 miteinander verschweißt ausgebildet.
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Zwischen den jeweiligen Kontaktflächen der Ladungssammler 120, 130 und Zellverbinder 300 ist erfindungsgemäß kein weiteres Bauteil angeordnet. Es kann aber eine Leitpaste zur Verbesserung der Leitfähigkeit an den Kontaktflächen vorgesehen sein.
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Zwischen Deckplatte 170 und Zellverbinder 300 ist ein Isolator 200 angeordnet zur elektrischen Trennung von Zellverbinder 300 und Deckplatte 170. Dabei können zwischen dem Zellverbinder 300 und der jeweiligen Deckplatte 170 zwei voneinander getrennte Isolatoren 200 vorgesehen sein, also ein erster Isolator 200 zwischen Zellverbinder 300 und der Deckplatte 170 der ersten Batteriezelle 100 und ein zweiter, separater Isolator zwischen Zellverbinder 300 und der Deckplatte 170 der zweiten Batteriezelle 100. Es kann aber auch ein Isolator 200 als separates Element vollflächig die den Deckplatten 170 zugewandte Seite des Zellverbinders 300 bedecken. Auch kann der Isolator 200 aus einer Isolationsschicht bestehen, mit der die den Deckplatten 170 zugewandte Seite des Zellverbinders 300 überzogen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010008746 A1 [0005]
