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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Batteriezellenmodul und insbesondere ein Kühlsystem für das Batteriezellenmodul.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Ein Typ von Batteriezelle ist als die Lithiumionenbatterie bekannt. Die Lithiumionenbatterie ist wiederaufladbar und kann in eine breite Vielzahl von Formen und Größen geformt werden, um so effizient verfügbaren Raum in Elektrofahrzeugen zu füllen. Beispielsweise kann die Batteriezelle in der Form einer prismatischen Dose vorliegen.
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Es kann eine Mehrzahl der Batteriezellen in einem Batteriezellenpaket oder -modul bereitgestellt werden, um eine Energiemenge bereitzustellen, die ausreichend ist, um Elektrofahrzeuge zu betreiben. Von Batteriezellen, wie Lithiumionenbatteriezellen, ist es bekannt, dass sie während des Betriebs und infolge eines Ladezyklus beim Wiederaufladen Wärme erzeugen. Wenn sie überhitzen oder anderweitig Hochtemperaturumgebungen ausgesetzt werden, können unerwünschte Effekte den Betrieb der Lithiumionenbatterien beeinflussen. In typischen Batteriezellenmodulen sind die Batteriezellen einer Expansion und Kontraktion mit einer Änderung der Temperatur ausgesetzt.
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Typischerweise werden Kühlsysteme mit Batteriezellenmodulen verwendet, um den unerwünschten Überhitzungsbedingungen entgegenzuwirken. Herkömmliche Kühlsysteme haben Wiederholelemente aufgewiesen, wie Kühlplatten, die zwischen einzelnen Batteriezellen in dem Batteriezellenmodul angeordnet waren. Die Wiederholelemente definieren Luftkühlspalte oder -kanäle zwischen den Batteriezellen zum Kühlen des Batteriezellenmoduls im Betrieb durch Umwälzen von Luft durch das Batteriezellenmodul. Jedoch kann in bekannten Batteriezellenmodulen, wenn abwechselnd Batteriezellen und Wiederholelemente starr unter Kompression befestigt sind, die Expansion der Batteriezellen mit der Änderung der Temperatur unerwünscht in einer Überkompression der Batteriezellen wie auch einer Reduzierung der Breite der Kühlspalte resultieren, was eine Nutzlebensdauer des Batteriezellenmoduls beeinträchtigt.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Batteriezellenmodul, das ermöglicht, dass sich die Wiederholelemente bewegen und einen gesamten Bereich von Dicken der Batteriezellen während der Expansion der Batteriezellen im Betrieb aufnehmen können, während auch die Wiederholelemente in anderen Richtungen gehalten werden und einer Überkompression der Batteriezellen entgegengewirkt wird. Das Batteriezellenmodul soll die Expansion der Batteriezellen von Breiten der Kühlspalte, die durch die Wiederholelemente und die Batteriezellen definiert sind, entkoppeln, eine im Wesentlichen konstante Breite für jeden der Kühlspalte zwischen den Wiederholelementen und den Batteriezellen beibehalten und auch eine Optimierung der Dicken der Batteriezellen und der Breiten der Kühlspalte ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Batteriezellenmodul entdeckt worden, das ermöglicht, dass sich die Wiederholelemente bewegen und einen gesamten Bereich von Dicken der Batteriezellen während der Expansion der Batteriezellen im Betrieb aufnehmen können, während auch die Wiederholelemente in anderen Richtungen gehalten werden und einer Überkompression der Batteriezellen entgegengewirkt wird, und dass die Expansion der Batteriezellen von Breiten der Kühlspalte, die durch die Wiederholelemente und die Batteriezellen definiert sind, entkoppelt, eine im Wesentlichen konstante Breite für jeden der Kühlspalte zwischen den Wiederholelementen und den Batteriezellen beibehält und eine Optimierung von sowohl Dicken der Batteriezellen als auch Breiten der Kühlspalte zulässt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist ein Batteriekühlsystem ein Batteriezellenmodul mit Batteriezellen, Seitenschienen und Wiederholelementen auf. Die Wiederholelemente besitzen integrierte Abstandhalter. Diese Abstandhalter sind so bemessen, dass verhindert wird, dass die Batteriezellen um mehr als einen vorbestimmten Betrag komprimiert werden, wodurch einer Überkompression der Batteriezellen entgegengewirkt wird. Das Batteriekühlsystem kann unabhängig von den anderen Elementen der Wiederholeinheit verwendet werden. Die Seitenschienen beschränken die Wiederholelemente in zwei Achsen, erlauben jedoch, dass sich die Wiederholelemente in einer dritten Achse bewegen können. Wenn das Batteriezellenmodul durch Abwechseln der Batteriezellen und der Wiederholeinheiten gestapelt wird, passen die Abstandhalter der Wiederholeinheiten in die Seitenschienen. Die Seitenschienen sind durch eine Modulendplatte bedeckt, die installiert wird, nachdem das Stapeln und die Kompression des Batteriezellenmoduls beendet worden sind. Das Batteriezellenmodul besitzt eine oder mehrere Federelemente (wie eine Metallfeder oder einen Schaum), der eine gewünschte Kraft/Auslenkungs-Kurve für die Batteriezellen bereitstellt. Wenn sich die Dicke der Batteriezellen aufgrund einer Vielzahl von Faktoren ausdehnt, wie Änderungen in einem Ladezustand oder einer Zellenexpansion aufgrund einer Zellenalterung, können die Wiederholelemente frei in der Richtung der Dickenänderungen gleiten. Zusätzlich schließt das Kühlsystem Änderungen der anfänglichen Dicke aufgrund einer Variation aus dem Batteriezellenherstellprozess ein.
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Bei einer ersten Ausführungsform weist ein Batteriezellenmodul eine Batteriezelle, ein gleitendes Wiederholelement und eine Führungsschiene auf. Das Wiederholelement ist benachbart der Batteriezelle angeordnet. Ein Spalt ist zwischen der Batteriezelle und dem Wiederholelement definiert. Das Wiederholelement besitzt einen Hauptkörper mit zumindest einem Abstandhalter, der damit gekoppelt ist. Die Führungsschiene wirkt mit dem zumindest einen Abstandhalter zusammen und erlaubt eine Bewegung des Wiederholelements mit einer Expansion der Batteriezelle, wodurch eine Überkompression der Batteriezelle entgegengewirkt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform weist ein Batteriezellenmodul eine Mehrzahl von Batteriezellen, eine Mehrzahl gleitender Wiederholelemente und zumindest eine Führungsschiene auf. Die Wiederholelemente wechseln mit den Batteriezellen in einem Stapel ab. Eine Mehrzahl von Spalten ist zwischen den Batteriezellen und den Wiederholelementen definiert. Jedes der Wiederholelemente besitzt einen Hauptkörper mit zumindest einem daran gekoppelten Abstandhalter. Die zumindest eine Führungsschiene wirkt mit den Abstandhaltern zusammen und erlaubt eine Bewegung der Wiederholelemente mit einer Expansion der Batteriezellen. Das Zusammenwirken der zumindest einen Führungsschiene mit den Abstandhaltern wirkt einer Überkompression der Batteriezellen entgegen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Batteriezellenmodul eine Mehrzahl von Batteriezellen, eine Mehrzahl von Wiederholelementen und zumindest eine Führungsschiene auf. Die Wiederholelemente wechseln mit den Batteriezellen in einem Stapel ab und definieren eine Mehrzahl von Spalten dazwischen. Jedes der Wiederholelemente besitzt einen Hauptkörper mit zumindest einem daran gekoppelten Abstandhalter. Jedes der Wiederholelemente weist auch zumindest einen Spalteinstellabschnitt auf, der eine Dicke besitzt, die größer als eine Dicke eines Haupt- oder verbleibenden Abschnitts des Hauptkörpers ist. Jeder der Spalteinstellabschnitte liegt an einer der Batteriezellen an. Die zumindest eine Führungsschiene wirkt mit den Abstandhaltern zusammen und erlaubt eine Bewegung der Wiederholelemente mit einer Expansion der Batteriezellen und wirkt einer Überkompression der Batteriezellen entgegen. Die zumindest eine Führungsschiene beschränkt den zumindest einen Abstandhalter an einer Y-Achse entlang einer Höhe des Batteriezellenmoduls, einer X-Achse entlang einer Breite des Batteriezellenmoduls und einer Z-Achse entlang einer Länge des Batteriezellenmoduls.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezug auf die beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
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1 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Wiederholelements für ein Batteriezellenmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist ein Vorderansicht des in 1 gezeigten Wiederholelements;
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3 ist eine perspektivische Vorderansicht einer Seitenschiene für ein Batteriezellenmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist eine perspektivische Vorderansicht einer Seitenschiene für ein Batteriezellenmodul gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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5 ist eine bruchstückhafte Seitenansicht eines Batteriezellenmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die das in den 1 bis 2 gezeigte Wiederholelement und die in 3 gezeigte Seitenschiene aufweist;
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6 ist eine bruchstückhafte perspektivische Vorderansicht des in 5 gezeigten Batteriezellenmoduls;
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7 ist eine bruchstückhafte Seitenansicht eines Batteriezellenmoduls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit dem in den 1 bis 2 gezeigten Wiederholelement und der in 4 gezeigten Seitenschiene; und
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8 ist eine bruchstückhafte perspektivische Vorderansicht des in 7 gezeigten Batteriezellenmoduls.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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Mit Bezugnahme auf die 1–8 weist ein Batteriezellenmodul 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung zumindest eine Batteriezelle 102, zumindest ein Wiederholelement 104 und zumindest eine Führungsschiene 106 auf. Das Wiederholelement 104 ist benachbart der Batteriezelle 102 angeordnet. Ein Spalt 108 ist zwischen der Batteriezelle 102 und dem Wiederholelement 104 festgelegt und sieht einen Pfad für eine Kühlluftströmung durch das Batteriezellenmodul 100 vor. Die Führungsschiene 106 erlaubt, dass sich das Wiederholelement 104 gleitend mit einer Expansion der Batteriezelle 102 bewegen kann und dadurch einer Überkompression der Batteriezelle 102 im Betrieb entgegenwirken kann.
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Wie in den 5–8 gezeigt ist, ist eine Mehrzahl der Batteriezellen 102 in einem Stapel abwechselnd mit einer Mehrzahl der Wiederholelemente 104 angeordnet, um das Batteriezellenmodul 100 zu bilden. Das Batteriezellenmodul 100 kann ein Kompressionssystem (nicht gezeigt) aufweisen, das eine gewünschte Kompressionskraft auf die Mehrzahl von Batteriezellen 102 und die Mehrzahl von Wiederholelementen 104 bereitstellt. Das Batteriezellenmodul 100 kann auch ein Paar der Führungsschienen 106 aufweisen, wobei die Batteriezellen 102 und die Wiederholelemente 104 dazwischen angeordnet sind. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann das Kompressionssystem zumindest ein Federelement (nicht gezeigt) aufweisen, wie eine Metallfeder oder eine Schaumfeder. Gewindekompressionsstangen (nicht gezeigt) können ebenfalls bei bestimmten Ausführungsformen verwendet werden. Die Führungsschienen 106 sind auch starr in dem Batteriezellenmodul 100 durch ein Haltemittel (nicht gezeigt) gehalten, wie zusammenwirkenden Platten, die an den Enden des Batteriezellenmoduls 100 angeordnet sind. Nach Bedarf kann ein anderes Mittel zum Sichern der Batteriezellen 102, der Wiederholelemente 104, der Führungsschienen 106 und andere Elemente oder Submodule in dem Batteriezellenmodul 100 verwendet werden.
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Die in den 5–8 gezeigten Batteriezellen 102 sind Batteriezellen vom Typ einer prismatischen Dose. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann jede der Batteriezellen 102 eine Lithiumionen-(Li-Ionen)-Batteriezelle vom Typ einer prismatischen Dose sein. Die Batteriezellen 102 können auch über eine Reihe von Kabelbäumen, Sammelschienen oder dergleichen in elektrischer Kommunikation stehen, die in der Lage sind, Leistung von den Batteriezellen 102 zu einer Last zu liefern, wie einem Elektrofahrzeug. Es sei angemerkt, dass andere Batteriezellen 102 vom Dosentyp, die einen anderen Aufbau, wie eine Beutelzelle, und eine andere Elektrochemie verwenden, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Mit erneutem Bezug auf die 1–2 weist das Wiederholelement 104 der vorliegenden Offenbarung einen Hauptkörper 110 mit zumindest einem daran gekoppelten Abstandhalter 112, 114 auf. Das Wiederholelement 104 weist ferner zumindest einen Spalteinstellabschnitt 116, 118 auf. Der zumindest eine Spalteinstellabschnitt 116, 118 besitzt eine Dicke, die größer als eine Dicke eines verbleibenden Haupt- oder verbleibenden Abschnitts 120 des Hauptkörpers 110 ist. Der zumindest eine Spalteinstellabschnitt 116, 118 liegt an der Batteriezelle 102 an und bildet dadurch einen Raum mit einer vorbestimmten Breite, die den Spalt 108 zwischen der Batteriezelle 102 und dem Wiederholelement 104 festlegt. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann das Wiederholelement 104 eine Kühlplatte sein. Dem Fachmann sei angemerkt, dass das Wiederholelement 104 nach Bedarf separat oder integral mit anderen Komponenten des Batteriezellenmoduls 100 geformt sein kann. Bei der in den 1 bis 2 gezeigten Ausführungsform weist der zumindest eine Spalteinstellabschnitt 116, 118 einen ersten Spalteinstellabschnitt 116 benachbart einer ersten Seite 122 des Hauptkörpers 110 und einem zweiten Spalteinstellabschnitt 118 benachbart einer zweiten Seite 124 des Hauptkörpers 110 auf. Der erste und zweite Spalteinstellabschnitt 116, 118 können auch an dem Wiederholelement 104 im Wesentlichen vertikal zentriert sein. Alternative Anordnungen, Größen und Formen des zumindest einen Spalteinstellabschnitts 116, 118 können ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung verwendet werden.
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Mit fortgesetztem Bezug auf die 1–2 weist das Wiederholelement 104 auch den zumindest einen Abstandhalter 112, 114 auf. Der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 ist mit einer der ersten und zweiten Seiten 122, 124 des Wiederholelements 104 gekoppelt. Der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 kann als nicht beschränkende Beispiele einteilig mit dem Hauptkörper 110 geformt sein oder kann separat geformt und dann an dem Hauptkörper 110 befestigt werden. Bei einer illustrativen Ausführungsform weist der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 einen ersten Abstandhalter 112 und einen zweiten Abstandhalter 114 auf. Der erste Abstandhalter 112 ist mit der ersten Seite 122 des Hauptkörpers 110 gekoppelt. Der zweite Abstandhalter 114 ist mit der zweiten Seite 124 des Hauptkörpers 110 gekoppelt. Insbesondere kann sowohl der erste Abstandhalter 112 als auch der zweite Abstandhalter 114 benachbart einer unteren Seite 130 des Hauptkörpers 110 angeordnet sein. Wie gezeigt ist, kann der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 einen im Wesentlichen viereckförmigen Querschnitt besitzen. Jedoch können nach Bedarf auch andere Anordnungen, Größen und Formen des zumindest einen Abstandhalters 112, 114 verwendet werden.
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Beim Zusammenbau des Batteriezellenmoduls 100 ist der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 verschiebbar in der Führungsschiene 106 angeordnet. Vorteilhafterweise beschränkt die Führungsschiene 106 den zumindest einen Abstandhalter 112, 114 entlang einer ersten Achse und einer zweiten Achse und erlaubt eine Bewegung des zumindest einen Abstandhalters 112, 114 entlang einer dritten Achse. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Schnittstelle zwischen zumindest einem von der Führungsschiene 106 und dem zumindest einen Abstandhalter 112, 114 so ausgebildet sein, dass die gleitende Bewegung von zumindest einem Abstandhalter 112, 114 im Betrieb unterstützt wird. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein geeignetes Schmiermittel zwischen zumindest einem von der Führungsschiene 106 und dem zumindest einen Abstandhalter 112, 114 angeordnet sein, um die gleitende Bewegung des zumindest einen Abstandhalters 112, 114 im Betrieb zu unterstützen. Wälzlager (nicht gezeigt) können bei gewissen Ausführungsformen ebenfalls verwendet werden.
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Bei gewissen Ausführungsformen ist die erste Achse orthogonal zu der zweiten Achse orientiert, und die dritte Achse ist orthogonal zu sowohl der ersten Achse als auch der zweiten Achse orientiert. Beispielsweise kann, wie in den 1–8 gezeigt ist, die erste Achse eine Y-Achse entlang einer Höhe des Batteriezellenmoduls 100 sein, die zweite Achse kann eine X-Achse entlang einer Breite des Batteriezellenmoduls 100 sein, und die dritte Achse kann eine Z-Achse entlang einer Länge des Batteriezellenmoduls 100 sein.
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Die Führungsschiene 106 der vorliegenden Offenbarung kann eine beliebige geeignete Form besitzen, die zum Beschränken des zumindest einen Abstandhalters 112, 114 entlang der ersten Achse und der zweiten Achse geeignet ist, während die gleitende Bewegung des zumindest einen Abstandhalters 112, 114 entlang der dritten Achse zugelassen wird. Bei gewissen Ausführungsformen weist beispielsweise, wie in 3 und in den 5–6 gezeigt ist, die Führungsschiene 106 ein Paar beabstandeter Elemente 130, 132 auf, die einen ersten Abschnitt 126 besitzen, der im Wesentlichen orthogonal zu einem zweiten Abschnitt 128 orientiert ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann jedes der beabstandeten Elemente 130, 132 einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt besitzen. Der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 ist gleitend zwischen dem Paar beabstandeter Elemente 130, 132 während des Zusammenbaus des Batteriezellenmoduls 100 angeordnet.
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Bei anderen Ausführungsformen weist beispielsweise, wie in 4 und 7–8 gezeigt ist, die Führungsschiene 106 ein einheitliches Element 134 auf, das einen Kanal 136 besitzt, der entlang einer Länge des einheitlichen Elements 134 geformt ist. Der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 ist verschiebbar in dem Kanal 136 angeordnet. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Führungsschiene 106 einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt besitzen. Andere Formen für die Führungsschiene 106 können ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
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Vorteilhafterweise kompensiert das Batteriezellenmodul 100 der vorliegenden Offenbarung die Expansion der Batteriezellen 102 mit sich ändernder Temperatur und erlaubt die Verwendung eines Luftkühlsystems durch Beibehaltung einer gewünschten Breite der Spalten 108, durch die die Kühlluftströmung zirkuliert. Insbesondere erlaubt das Batteriezellenmodul 100 die Expansion entlang nur einer Achse, und der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 besitzt eine vorbestimmte Länge, die eine Expansion der Batteriezellen 102 zulässt, während ein Schutz gegenüber Überkompression bereitgestellt wird.
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Der Fachmann erkennt auch, dass der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 des Wiederholelements 104, das mit der zumindest einen Führungsschiene 106 zusammenwirkt, eine Herstellvariation in einer Dicke der Batteriezellen 102 zu Beginn der Lebensdauer aufgrund der Fähigkeit erlaubt, dass der zumindest eine Abstandhalter 112, 114 in der zumindest einen Führungsschiene 106 gleitet.
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Während gewisse repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
