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Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine Batterie, welcher eine Anzahl seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen umfasst, die zur Bildung des Zellblockes mittels Halteelementen fixiert sind, wobei an den Zellblock in Längsrichtung begrenzenden Randseiten jeweils zumindest ein Druckelement angeordnet ist, wobei zumindest zwei Kontaktelemente zur Stromentnahme des Zellblockes vorgesehen sind
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, für Fahrzeuganwendungen bekannt. Eine solche Batterie umfasst eine Anzahl von Einzelzellen, die elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind und mit einer entsprechenden Elektronik und Wärmeleitvorrichtung in einem Gehäuse angeordnet sind. Eine vorgegebene Anzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen ist zu einem Zellblock zusammengefasst, der jeweils die Einzelzellen mit mechanischer Fixierung, Kontaktierung und eine Wärmeleitvorrichtung aufweist. Im Querschnitt rechteckige Einzelzellen, beispielsweise in Form von Flachzellen, wie sogenannte Pouchzellen oder prismatische Zellen, sind in Halteelementen aufgenommen, die in Rahmen- oder Schalenform ausgebildet sind. Mittels der Halteelemente sind die Einzelzellen im Wesentlichen kraftschlüssig fixiert, wenn der Zellblock mittels Spannelementen, wie z. B. Zuganker, Gewindestangen, Schrauben und/oder Spannbändern, und den randseitig am Zellblock angeordneten Druckplatten verpresst ist. Die serielle elektrische Verschaltung der Einzelzellen erfolgt durch Verbindung der Zellpole benachbarter Einzelzellen. Hierzu werden die Zellpole direkt oder mittels Zellverbinder miteinander verschraubt, verschweißt, verpresst und/oder vernietet. An den Enden des Zellblockes befinden sich Kontakte, insbesondere Hochvolt-Kontakte, zur Stromentnahme, welche wegen der hohen Ströme im Allgemeinen aus massivem Metall, beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium, gebildet sind. Die Kontaktelemente benötigen in Bezug auf den Zellblock zusätzlichen Bauraum und erfordern für eine Übertragung von Reaktionskräften an die an den Kontaktelementen befestigten Stromschienen und/oder Stromkabel eine ausreichende Fixierung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Zellblock für eine Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Zellblock für eine Batterie umfasst eine Anzahl seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, die zur Bildung des Zellblockes mittels Halteelementen fixiert sind, wobei an den Zellblock in Längsrichtung begrenzenden Randseiten jeweils zumindest ein Druckelement angeordnet ist, wobei zumindest zwei Kontaktelemente zur Stromentnahme des Zellblockes vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Kontaktelement zur Stromentnahme in ein Halteelement und/oder Druckelement integriert.
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Dadurch, dass zumindest ein Kontaktelement in ein Halteelement und/oder ein Druckelement integriert ist, ist in vorteilhafter Weise im Wesentlichen kein zu dem Zellblock zusätzlicher Bauraum für das zumindest eine Kontaktelement erforderlich. Zudem ist durch das Integrieren des zumindest einen Kontaktelementes in das oder die Bauteile des Zellblockes das Kontaktelement vergleichsweise fest fixiert, so dass Reaktionskräfte der an dem zumindest einen Kontaktelement befestigten Stromschiene und/oder Stromkabel übertragen werden können.
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Darüber hinaus ist ein Aufbau des Zellblockes mit derart angeordneten Kontaktelementen vereinfacht und die Kosten der Herstellung können verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind beide Kontaktelemente zur Stromentnahme des Zellblockes in jeweils ein Halteelement und/oder eine Druckplatte integriert, so dass der erforderliche Bauraum des Zellblockes nochmals vermindert ist und auch das weitere Kontaktelement zur Übertragung der Reaktionskräfte fest an einem Halteelement und/oder einem Druckelement gehalten ist.
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In einer Ausbildung ist das zumindest eine Kontaktelement bei einem zumindest teilweise aus Kunststoff hergestellten Halteelement und/oder Druckelement als Einlegeteil zumindest abschnittsweise mit dem Kunststoff ummantelt.
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Durch die abschnittsweise Ummantelung mit dem Kunststoff ist das zumindest eine Kontaktelement in das Halteelement und/oder das Druckelement integriert und an diesem bzw. diesen fest fixiert. Darüber hinaus ist das Kontaktelement durch die abschnittsweise Ummantelung, vorzugsweise umlaufend, in diesem Abschnitt elektrisch isoliert.
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Zu Erhöhung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem zumindest einen Kontaktelement weist das zumindest eine Kontaktelement an den mit dem Kunststoff kontaktierenden Seitenflächen eine Oberflächenstruktur auf.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Oberflächenstruktur als Hinterschnitt ausgebildet, so dass in besonders vorteilhafter Weise das Risiko eines ungewollten Lösens des zumindest einen Kontaktelementes aus dem Kunststoff, insbesondere im Betrieb des Zellblockes, d. h. der Batterie, wenigstens verringert ist.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Oberflächenstruktur kann in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung vorgesehen sein, dass das zumindest eine Kontaktelement an den mit dem Kunststoff kontaktierenden Seitenflächen mit einem Haftvermittler versehen ist. Dadurch ist ein zusätzlicher Stoffschluss zur Fixierung des zumindest einen Kontaktelementes an dem Halteelement und/oder dem Druckelement realisierbar. Das zumindest eine Kontaktelement ist mittels des Haftvermittler stoffschlüssig im Kunststoff, insbesondere im Spritzguss, angebunden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein von einer Oberseite abragender Abschnitt des zumindest einen Kontaktelementes in Längsrichtung des Halteelementes und/oder des Druckelementes mittig angeordnet. Dadurch ist vorteilhaft möglich, Stromschienen und/oder Stromkabel bauraumoptimiert an dem Zellblock anzuordnen. Zudem ist durch die mittige Anordnung des zumindest einen Kontaktelementes eine Kontaktfläche desselben mit einem Ableiter einer Einzelzelle erhöht, da die Kontaktfläche Abmessungen aufweisen kann, die zumindest der Hälfte der Längsausdehnung des Halteelementes und somit der Einzelzelle entsprechen.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist der abragende Abschnitt ein Innengewinde zur Verschraubung mit einer Stromschiene auf, so dass die Stromschiene und/oder das Stromkabel ohne großen Aufwand zumindest kraftschlüssig an dem Kontaktelement befestigbar sind bzw. ist. Zudem kann durch die Verschraubung eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktelement und der Stromschiene und/oder dem Stromkabel über einen vergleichsweise langen Zeitraum sichergestellt werden.
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In einer weiteren Ausbildung ist das zumindest eine Kontaktelement zumindest stoffschlüssig mit einem Ableiter einer Einzelzelle verbunden, wodurch die Verbindungsstelle vergleichsweise kleinflächig ausgebildet ist und vorteilhaft keine weiteren Befestigungsmittel erforderlich sind. Weiterhin erfolgt die elektrische Kontaktierung über die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ableiter der Einzelzelle und dem Kontaktelement.
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Ist ein Bereich des Halteelementes und/oder des Druckelementes, in dem das zumindest eine Kontaktelement anordbar ist, elektrisch leitfähig, so weisen bzw. weist das Halteelement und/oder das Druckelement eine elektrisch isolierte Aufnahme zur Anordnung des zumindest einen Kontaktelementes auf. Mittels der elektrisch isolierten Aufnahme kann im Wesentlichen sichergestellt werden, dass das Halteelement und/oder das Druckelement in diesem Bereich keine Spannung führt und somit ein Stromunfall bei Berühren des Druckelementes weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellblockes für eine Batterie mit in Halteelemente integrierten Kontaktelementen zur Stromentnahme,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblockes mit zu diesem beabstandeten nicht befestigten Stromschienen,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht einer teilweisen Explosionsdarstellung des Zellblockes,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellblockes im zusammengesetzten Zustand,
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5 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung des Zellblockes,
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6 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Halteelementes mit integriertem Kontaktelement,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Halteelementes,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Halteelementes,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Halteelementes,
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10 schematisch eine Schnittdarstellung des Halteelementes mit integriertem Kontaktelement,
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11 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Zellblockes mit in Druckelementen integrierten Kontaktelementen,
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12 schematisch eine perspektivische Ansicht einer teilweisen Explosionsdarstellung des Zellblockes gemäß 11,
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13 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellblockes gemäß den 11 und 12,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Druckelementes mit integriertem Kontaktelement und
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15 schematisch eine Schnittdarstellung des Druckelementes mit integriertem Kontaktelement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zellblockes 1 für eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, die in einem Hybridfahrzeug, einem Elektrofahrzeug oder einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug anordbar ist.
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Der Zellblock 1 weist zehn Einzelzellen 2 in Form von flachen quaderförmig ausgebildeten elektrochemischen Energiespeichern auf. Im Inneren der jeweiligen Einzelzelle 2 ist eine u. a. in 4 näher dargestellte Elektrodenfolienanordnung 2.1 angeordnet, die von einer Hülle 2.2 als Gehäuse, welches beispielsweise aus zwei übereinander angeordneten Kunststofffolienabschnitten gebildet ist, besteht.
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Aus der Hülle 2.2 der jeweiligen Einzelzelle 2 ragen zwischen den Kunststofffolienabschnitten zwei Ableiter 2.3 in Blechform als elektrische Pole heraus. Zur seriellen elektrischen Verschaltung sind die Ableiter 2.3 benachbarter Einzelzellen 2 zueinander gebogen und mittels Laserschweißen im Überlappverfahren stoffschlüssig aneinander befestigt, wie in 5 näher gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich sind die Ableiter 2.3 der Einzelzellen 2 zur elektrischen Verschaltung mittels Zellverbindern miteinander verbunden.
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Die Einzelzellen 2 sind zur Fixierung im Zellblock 1 jeweils zwischen zwei Halteelementen 3 in Form von Kunststoffrahmen angeordnet. Alternativ zu der Rahmenform können die Halteelemente 3 auch in Schalenform ausgeführt sein. Die Halteelemente 3 dienen einerseits zur Fixierung der Einzelzellen 2 und andererseits zur elektrischen Isolation benachbarter Einzelzellen 2.
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In ihren Eckbereichen weisen die Halteelemente 3 in 3 näher dargestellte Durchgangsöffnungen 3.1 auf, durch welche jeweils ein Zuganker 4 als Spannelement zur axialen Verpressung des Zellblockes 1 hindurchgeführt ist.
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An den Zellblock 1 in Längsrichtung begrenzenden Randseiten ist jeweils ein Druckelement 5 in Form einer sogenannten Druckbrille oder Druckplatte angeordnet, die im Wesentlichen die gleichen umfänglichen Abmessungen wie die Halteelemente 3 aufweisen.
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Auch in den Eckbereichen der Druckelemente 5 sind mit den Durchführöffnungen 3.1 der Halteelemente 3 korrespondierende Durchführöffnungen 5.1 eingebracht, durch welche die Zuganker 4 ebenfalls hindurchgeführt sind.
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Jeweils endseitig weisen die Zuganker 4 einen Abschnitt mit einem Gewinde auf, auf die Schraubenmuttern 6 zur axialen Verpressung des Zellblockes 1 aufschraubbar sind. Im verspannten Zustand des Zellblockes 1 drücken die Halteelemente 3 auf einen umlaufenden Randbereich der Hülle 2.2, insbesondere im Bereich einer Siegelnaht. Ein Kontaktbereich des Halteelementes 3 kann mit einem vergleichsweise elastischen Elastomer versehen sein, um die Hülle 2.2 der Einzelzelle 2 nicht zu beschädigen. Die aus der axialen Verpressung resultierende mechanische Fixierung der Einzelzellen 2 mittels der Halteelemente 3 erfolgt im Wesentlichen kraftschlüssig durch die Reibung zwischen dem Halteelement 3 und der Einzelzelle 2. Zusätzlich oder alternativ kann das Halteelement 3 auch mit der Einzelzelle 2 verklebt sein.
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Der Zellblock 1 weist zur Stromentnahme zwei, beispielsweise aus massivem Kupfer gebildete Kontaktelemente 7 auf, die in einer ersten Variante erfindungsgemäß in die zu den Druckelementen 5 benachbarten Halteelemente 3 integriert sind, wie in den 4 bis 6 näher gezeigt ist. An den Kontaktelementen 7 sind Stromschienen 8 zur elektrischen Verschaltung des Zellblockes 1 mit einem nicht näher dargestellten weiteren Zellblock der Batterie befestigt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zellblockes 1 mit zu diesem beabstandeten unbefestigten Stromschienen 8 und Schrauben 9 zur Befestigung der Stromschienen 8 an den Kontaktelementen 7.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise zusammengesetzten Zellblockes 1 mit den Zugankern 4 und den Schraubenmuttern 6 dargestellt. Im Detail zeigt 3 die Einzelzellen 2 mit den abgewinkelten Ableitern 2.3, die Halteelemente 3 mit den integrierten Kontaktelementen 7 und die endseitig am Zellblock 1 angeordneten Druckelementen 5.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung des Zellblockes 1, wobei die im Zellinneren der jeweiligen Einzelzelle 2 angeordnete Elektrodenfolienanordnung 2.1 ebenfalls in einer Schnittdarstellung dargestellt ist, wobei in 5 ein vergrößerter Ausschnitt der Schnittdarstellung in 4 dargestellt ist.
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Das Kontaktelement 7 ist in das Halteelement 3 integriert, d. h. in den Kunststoff eingebettet, wobei eine Oberseite 7.1 des Kontaktelementes 7 freiliegt und vorzugsweise eine Oberseite 3.2 des Halteelementes 3 um einen vorgegebenen Bereich überragt. Dazu ist das Kontaktelement 7 als Einlegeteil in einem Spritzgusswerkzeug bei Herstellung des Halteelementes 3 angeordnet und mit dem Kunststoff umspritzbar.
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Um eine Verklammerung, insbesondere eine formschlüssige Befestigung zwischen dem Kontaktelement 7 und dem Kunststoff des Halteelementes 3 zu erhöhen, kann das Kontaktelement 7 an den in Kunststoff einzubettenden Seitenflächen eine Oberflächenstruktur aufweisen, wie in den 7 bis 9 näher dargestellt ist. Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur Hinterschneidungen auf, so dass sich das Kontaktelement 7 nicht zerstörungsfrei von dem Halteelement 3 lösen lässt. Alternativ oder zusätzlich sind die in den Kunststoff einzubettenden Seitenflächen des Kontaktelementes 7 mit einem Haftvermittler versehen, so dass diese Seitenflächen stoffschlüssig, insbesondere im Spritzguss, angebunden sind.
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Da die Kontaktelemente 7 ausschließlich im Bereich eines nicht dargestellten Hochvolt-Anschlusses der Batterie sowie im Bereich des anzuschließenden Ableiters 2.3 der randseitig angeordneten Einzelzelle 2 nicht in den Kunststoff eingebettet sind, sind die Seitenflächen des Kontaktelementes 7, beispielsweise als Berührschutz, mittels des Kunststoffes elektrisch isoliert.
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Um mittels des Kontaktelementes 7 Strom des Zellblockes 1 entnehmen zu können, ist es erforderlich, das Kontaktelement 7 mit einem Ableiter 2.3 der in Richtung des Druckelementes 5 angeordneten Einzelzelle 2 zu kontaktieren, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Zellblock 1 und dem in das Halteelement 3 integrierten Kontaktelement 7 herzustellen. Hierzu ist vorgesehen, den Ableiter 2.3 der randseitig angeordneten Einzelzelle 2 mit der Oberseite 7.1 des Kontaktelementes 7 stoffschlüssig, insbesondere mittels Laserschweißens im Überlappverfahren, zu verbinden.
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In 6 ist eine halbtransparente perspektivische Ansicht des randseitig an dem Zellblock 1 angeordneten Halteelementes 3 mit integriertem Kontaktelement 7 gezeigt.
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Dabei ist gezeigt, dass das Kontaktelement 7 im Wesentlichen eine Quaderform aufweist, von dessen freiliegender Oberseite 7.1 ein Abschnitt 7.2 abragt, in welchen ein Innengewinde I eingebracht ist. An diesem abragenden Abschnitt 7.2 ist die Stromschiene 8 mittels der Schraube 9 zumindest kraftschlüssig befestigbar.
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Die 7 bis 9 zeigen jeweils eine perspektivische halbtransparente Ansicht verschiedener Ausführungsformen des Kontaktelementes 7.
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In einer ersten Ausführungsform weist das Kontaktelement 7 weitestgehend glatte Seitenflächen auf, die in den Kunststoff des Halteelementes 3 einzubetten sind.
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In der zweiten Ausführungsform ist an einer ersten Stirnseite 7.3 des Kontaktelementes 7 eine Nut N als Oberflächenstruktur eingebracht, die eine Hinterschneidung bildet und eine zweite Stirnseite 7.4 weist ebenfalls eine senkrecht zur Längsausdehnung des Kontaktelementes 7 verlaufende Nut N als Oberflächenstruktur auf.
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In einer dritten Ausführungsform des Kontaktelementes 7 ist eine Bohrung B als Oberflächenstruktur im Bereich der zweiten Stirnseite 7.4 eingebracht, deren Längsausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung des Kontaktelementes 7 angeordnet ist. Eine weitere Bohrung B ist in einem an den abragenden Abschnitt 7.2 angrenzenden Bereich des Kontaktelementes 7 eingebracht und verläuft parallel zu der Bohrung B im Bereich der zweiten Stirnseite 7.4. Diese Bohrungen B werden bei Herstellung des Halteelementes 3 mit dem integrierten Kontaktelement 7 mit Kunststoff ausgefüllt, so dass das Kontaktelement 7 fest in dem Halteelement 3 fixiert ist.
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Mittels dieser Oberflächenstrukturen ist eine Anbindung des Kontaktelementes 7 verbessert, wobei das Risiko eines ungewollten Lösens des Kontaktelementes 7 mit einer Oberflächenstruktur von dem Halteelement weitestgehend ausgeschlossen ist.
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10 zeigt eine Schnittdarstellung des Halteelementes 3 mit integriertem Kontaktelement 7.
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In einer in den 11 bis 15 dargestellten erfindungsgemäßen zweiten Variante sind die Kontaktelemente 7 zur Stromentnahme des Zellblockes 1 in die Druckelemente 5 integriert.
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Auch in dieser Variante sind die Kontaktelemente 7 bis auf die Oberseite 7.1 und den abragenden Abschnitt 7.2 in den Kunststoff der Druckelemente 5 eingegossen und können zur verbessertes Fixierung Oberflächenstrukturen aufweisen.
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11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zellblockes 1 mit den in die Druckelemente 5 integrierten Kontaktelementen 7, wobei an diesen keine Stromschiene 8 befestigt ist.
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In 12 ist eine perspektivische Ansicht des Zellblockes 1 gemäß 11 im teilweise zusammengesetzten Zustand dargestellt und 13 zeigt eine Schnittdarstellung des Zellblockes 1 gemäß 11.
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Der Ableiter 2.3 der zu dem jeweiligen Druckelement 5 unmittelbar benachbarten Einzelzelle 2 ist im Überlappverfahren mit der Oberseite des Kontaktelementes 7 verschweißt, wodurch die elektrische Kontaktierung zwischen dem Zellblock 1 und dem Kontaktelement 7 zur Stromentnahme hergestellt ist.
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In 14 ist eine perspektivische halbtransparente Ansicht des Druckelementes 5 mit integriertem Kontaktelement 7 dargestellt und in 15 ist eine Schnittdarstellung des Druckelementes 5 gezeigt.
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Weist das Druckelement 5 oder das Halteelement einen elektrisch leitfähigen Bereich auf, der zur Anordnung des Kontaktelementes 7 vorgesehen ist, sind in diesem Bereich elektrisch isolierte taschenförmige Aufnahmen für das Kontaktelement angeordnet oder ausgebildet. Das Kontaktelement 7 ist in die Aufnahme einlegbar und nach dem Einlegen, beispielsweise mittels Verschraubung und/oder Verklebung in dieser fixierbar.
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Wie oben beschrieben, weist das Kontaktelement 7 den abragenden Abschnitt 7.2 auf, an dem eine Stromschiene 8 und/oder ein Stromkabel befestigbar ist. Der Abschnitt 7.2 ist mit dem Innengewinde 1 versehen, so dass die Stromschiene 8 und/oder das Stromkabel zerstörungsfrei lösbar an dem Kontaktelement 7 befestigbar sind bzw. ist.
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Bevorzugt ist der Abschnitt 7.2 des Kontaktelementes 7 im Kontaktbereich zu der Stromschiene 8 und/oder dem Stromkabel mit einer Beschichtung, beispielsweise Nickel, Zinn, Silber und/oder Gold, versehen, so dass das Risiko einer Kontaktkorrosion zumindest verringert ist.
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Mittels der Integration der Kontaktelemente 7 in die randseitig an dem Zellblock 1 angeordneten Halteelemente 3 oder Druckelemente 5 sind die Kontaktelemente 7 mechanisch fixiert und können somit auftretende Reaktionskräfte der an den Kontaktelementen 7 befestigten Stromschienen 8 und/oder Stromkabel verbessert übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellblock
- 2
- Einzelzelle
- 2.1
- Elektrodenfolienanordnung
- 2.2
- Hülle
- 2.3
- Ableiter
- 3
- Halteelement
- 3.1
- Durchführöffnung
- 3.2
- Oberseite
- 4
- Zuganker
- 5
- Druckelement
- 5.1
- Durchführöffnung
- 6
- Schraubenmutter
- 7
- Kontaktelement
- 7.1
- Oberseite
- 7.2
- Abschnitt
- 7.3
- erste Stirnseite
- 7.4
- zweite Stirnseite
- 8
- Stromschiene
- 9
- Schrauben
- B
- Bohrung
- I
- Innengewinde
- N
- Nut
