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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul aus mehreren Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer Batterie aus derartigen Batteriemodulen.
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Batterien sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden Batterien, insbesondere Batterien, welche als elektrische Energiespeicher in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, aus Batteriemodulen aufgebaut, welche ihrerseits jeweils aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen bestehen. Übliche Bauformen von Batterieeinzelzellen sind beispielsweise sogenannte Rundzellen oder auch prismatische Zellen. Insbesondere die prismatischen Zellen lassen sich dabei innerhalb des Batteriemoduls ideal zu einem Zellstapel aufstapeln. Außerdem gibt es als übliche Bauformen von Batterieeinzelzellen sogenannte Pouch-Zellen oder Coffeebag-Zellen. Hierbei wird typischerweise ein Stapel aus Elektroden und Separatoren in einer Art Beutel angeordnet, und mit Elektrolyt getränkt. Der Beutel wird dann entsprechend evakuiert und in den Randbereichen verschweißt, sodass eine relativ flexible Batterieeinzelzelle entsteht, welche im Wesentlichen einen prismatischen Zellaufbau hat. Auch diese Pouch-Zellen werden typischerweise zu einem Zellstapel innerhalb eines Moduls aufgestapelt, wobei dann normalerweise Abstandshalter eingesetzt werden, welche die Zellen beabstandet voneinander halten. Diese Abstandshalter sind bei Pouch-Zellen häufig in Form von Halterahmen ausgebildet, zwischen welchen die Pouch-Zellen eingeklemmt und damit in ihrem Abstand zueinander und in ihrer Position zueinander gehalten werden.
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Die prismatischen Batterieeinzelzellen und/oder die zwischen den Abstandshaltern eingesetzten Zellen werden dann zu einem Zellstapel komplettiert. Hierfür kann beispielsweise ein Vergießen der Batterieeinzelzellen zu dem Batteriemodul erfolgen, oder diese können mit geeigneten Spannvorrichtungen, beispielsweise mit Zugankern, welche die Abstandshalter der Zelle durchragen und die Zellen zwischen zwei Druckbrillen verspannen, komplettiert werden.
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In jedem Fall ist es so, dass beim Aufbau von Batterieeinzelzellen darauf geachtet werden muss, dass diese einerseits sicher und zuverlässig zu dem Batteriemodul komplettiert werden, und dass diese andererseits innerhalb des Batteriemoduls noch eine ausreichende Flexibilität haben, um die beim Laden und Entladen auftretende Volumenvergrößerung der Batterieeinzelzellen, das sogenannte Atmen, entsprechend auszugleichen, ohne das hierdurch die Stabilität des Moduls beeinträchtigt wird.
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Neben der erwünschten Flexibilität für das oben beschriebene Atmen können im Falle eines sich in den Batterieeinzelzellen ausbildenden Überdrucks auch Situationen auftreten, in denen eine Ausdehnung der Batterieeinzelzellen aus Sicherheitsgründen beschränkt werden soll. Sind nun beispielsweise Zuganker oder Spannbänder so ausgelegt, dass sie sowohl durch ihre Spannung den Stapel der Batterieeinzelzellen fixieren, als auch so, dass sie im Falle einer Überlastung den sich ausdehnenden Zellstapel halten können, dann sind sie typischerweise sehr groß dimensioniert und dementsprechend aufwändig, schwer und aufgrund der benötigten hochfesten Materialien teuer. Dies ist dann sowohl hinsichtlich des Leistungsvolumens, als auch hinsichtlich des Leistungsgewichts und der Herstellungskosten von Nachteil.
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Beim Einsatz von Vergussmassen kann die Sicherheit allenfalls durch sehr starre Vergussmassen erhöht werden, welche dann jedoch wiederum das Atmen beschränken, sodass hier bisher keine sinnvolle Lösung gefunden werden konnte.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Batteriemodul aus mehreren Batterieeinzelzellen anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und welches insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß ist das Batteriemodul gemäß der Erfindung so ausgebildet, wie es durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich aus den hiervon abhängen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 10 eine bevorzugte Verwendung einer Batterie aus derartigen Batteriemodulen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es so, dass der Zellstapel in Stapelrichtung mit einer Bandage spannungsfrei umwickelt ist. Eine solche spannungsfrei den Zellstapel umgebende Bandage, welche in Stapelrichtung verläuft, also beispielsweise so wie Spannvorrichtungen, welche den Zellstapel zusammenhalten, kann sehr einfach und effizient realisiert werden. Sie kann beispielsweise aus einem Gewebematerial, aus einem Verbundmaterial, aus Kunststoff oder auch aus einem Blech hergestellt werden. Durch ein oder mehrere Bänder lässt sich so sehr einfach, leicht und platzsparend eine Bandagierung des Zellstapels realisieren. Die Bandage bringt dann, dadurch dass sie spannungsfrei um den Zellstapel gewickelt ist, keine zusätzliche Kräfte in den Zellstapel ein, sodass dieser entsprechend seiner vorherigen oder nachfolgenden Fixierung im Bereich des Atmens die benötigten Freiheiten aufweist. Erst wenn eine Ausdehnung des Zellstapels des Batteriemoduls in der Art erfolgt, dass eine Zerstörung des Batteriemoduls zu befürchten ist, weil beispielweise die Ausdehnung so stark ist, dass die bisherigen Fixierungen der Batterieeinzelzellen dies nicht aushalten würden, dann kann durch die erfindungsgemäße Bandage eine Sicherung und ein Zusammenhalt der Batterieeinzelzellen erreicht werden. Die zusätzlichen durch die außerordentliche Ausdehnung der Batterieeinzelzellen auftretenden Zugspannungen in dem Batteriemodul können dann durch die Bandage aufgenommen werden.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es ferner vorgesehen, dass der Zellstapel über wenigstens eine Spannvorrichtung verspannt ist. Eine solche Spannvorrichtung kann beispielsweise aus einem oder mehreren Spannbändern, insbesondere und gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung jedoch aus mehreren Zugankern bestehen. Die Zuganker können dann so dimensioniert und ausgelegt werden, dass sie die Batterieeinzelzellen sicher und zuverlässig zusammenhalten und gleichzeitig das Atmen in der üblicherweise auftretenden Art und Weise zulassen. Kommt es zu erhöhten Spannungen, welche beispielsweise im Falle einer extremen Überladung des Batteriemoduls auftreten könnten, dann müssen die Zuganker diese Spannungen nicht mehr aufnehmen können, sondern werden von der Bandage unterstützt, sodass die Zuganker entsprechend leicht, einfach und kostengünstig dimensioniert werden können. Die zusätzliche Bandage übernimmt dann im Falle eines auftretenden Fehlers die zusätzliche Sicherung gegen die über das übliche Maß hinaus auftretenden Zugspannungen.
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In einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ist es vorgesehen, dass der Zellstapel zusammen mit der Bandage über ein Vergussmaterial vergossen ist. Ein solches Vergießen des Zellstapels zusammen mit der Bandage erlaubt eine überaus leichte, kostengünstige und einfache Fixierung der Batterieeinzelzellen in dem Zellstapel. Das Vergussmaterial kann dabei vorzugsweise elastisch, beispielsweise ein Gel, oder ein aufgeschäumtes bzw. ein beim Verguss aufgeschäumtes Gussmaterial sein. Über ein solches aufgeschäumtes Gussmaterial, welches idealerweise während des Vergießens aufschäumt und dann elastisch in der Art eines Schaumstoffs aushärtet oder auch über ein elastisches Gel kann eine sehr einfache, leichte und zuverlässige Fixierung der Batterieeinzelzellen in allen typischerweise auftretenden Normalsituationen erreicht werden. Aufgrund der Elastizität des Vergussmaterials können die Zellen problemlos im üblichen Rahmen, wie er beim Laden und Entladen auftritt, atmen. Kommt es zu einer verstärkten Ausdehnung der Batterieeinzelzellen, beispielsweise durch eine extreme Überladung, dann kann die Bandage die zusätzlich auftretenden Zugspannungen aufnehmen, sodass außer der Fixierung über das Vergussmaterial und die zusätzliche Überdrucksicherung durch die Bandage keinerlei weiteren Maßnahmen notwendig sind. Dies spart Material, Bauraum, Gewicht und Kosten ein. Außerdem erlaubt es eine außerordentlich einfache und effiziente Herstellung des Batteriemoduls, da lediglich die Batterieeinzelzellen mit der Bandage umwunden und dann mit dem Vergussmaterial vergossen werden müssen. Ein wesentlicher Vorteil des Herstellungsverfahrens ist es dabei auch, dass Vorspannkräfte beim Zusammensetzen der Batterieeinzelzellen zu dem Batteriemodul vermieden werden und Montagefehler, wie beispielsweise eine Überlastung der einzelnen Komponenten durch ein unsachgemäßes Verspannen, ausgeschlossen werden können.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Bandage Halteelemente zur Fixierung des Zellstapels aufweist. Solche Halteelemente oder Fixierelemente im Bereich der Bandage sind von besonderem Vorteil, sie können beispielsweise durch Schlaufen oder offene Enden ausgebildet werden, welche bei der bevorzugten Ausführungsform der miteinander vergossenen Batterieeinzelzellen über das Vergussmaterial hinausstehen. Durch derartige Halteelemente lässt sich dann eine Sicherung des Batteriemoduls beispielsweise in einem Gehäuse und/oder die Verbindung mehrerer Batteriemodule zu einer Gesamtbatterie realisieren. Durch die Halteelemente kann eine mechanische Fixierung erreicht werden, beispielsweise durch Verkleben, ein Einklemmen der über das Modul hinausstehenden Halteelemente, durch das Einstecken oder Festschrauben derselben. Die mechanische Fixierung mehrerer Batteriemodule zu einer Batterie ist somit einfach und effizient möglich, sodass anschließend lediglich die elektrische Verbindung beispielsweise durch eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung der einzelnen Module erfolgen muss, um eine Gesamtbatterie zu erhalten.
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Man erhält so einen sehr einfachen, effizienten und leichten Aufbau. Dieser Aufbau ist darüber hinaus sehr kosteneffizient. Eine aus den erfindungsgemäßen Batteriemodulen aufgebaute Batterie lässt sich damit sehr einfach, leicht und entsprechend kosteneffizient realisieren. Eine leichte, einfache und kosteneffizient realisierte Batterie, insbesondere mit hoher Leistung, beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie, eignet sich insbesondere für den Einsatz in zumindest teilweise elektrisch angetrieben Fahrzeugen, also Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder mit einer Antriebsbatterie ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeugen. Da für solche Fahrzeuge zumindest längerfristig hohe Stückzahlen zu erwarten sind, spielt hier insbesondere einerseits die einfache und kostengünstige Herstellung und andererseits das geringe Gewicht sowie der damit verbundene positive Einfluss auf den Energieverbrauch des Fahrzeugs eine entscheidende Rolle. Eine besonders bevorzugte Verwendung für eine Batterie aus den erfindungsgemäßen Batteriemodulen ist daher ihr Einsatz als elektrischer Energiespeicher bzw. Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie seiner Verwendung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einer Batterie aus erfindungsgemäßen Batteriemodulen;
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2 eine prinzipmäßige Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer ersten möglichen Ausführungsform;
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3 eine Draufsicht auf das Batteriemodul gemäß 2;
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4 eine alternative Ausführungsform in einer Darstellung analog zur 2;
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5 eine weitere alternative Ausführungsform in einer Darstellung analog zur 2; und
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6 eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgebildet sein soll. Dieses weist im Bereich seiner Hinterachse einen elektrischen Fahrmotor 2 auf, welcher über eine Leistungselektronik 3 entsprechend angesteuert wird. Die hierfür benötigte elektrische Energie stammt aus einer Batterie 4, welche rein beispielhaft aus drei einzelnen Batteriemodulen 5 aufgebaut ist. Diese Batteriemodule 5 sollen nachfolgend nun im Detail in ihrer bevorzugten Ausführungsform erläutert werden. Anstelle des rein elektrischen Fahrzeugs 1 könnte das Fahrzeug 1 beispielsweise auch als Hybridfahrzeug ausgebildet sein, welches neben der Möglichkeit zum elektrischen Antrieb zusätzlich die Möglichkeit zum Antrieb über einen Verbrennungsmotor aufweist.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Batteriemodul 5 dargestellt, welches beispielhaft aus vier Batterieeinzelzellen 6 besteht. Genauso gut könnte das Batteriemodul 5 entsprechend größer ausgeführt werden.
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Die Batterieeinzelzellen 6 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet. Diese bestehen aus einem Stapel von Elektroden und Separatoren, welcher in eine Kunststoffhülle, beispielsweise einen Beutel, eingebracht ist. Nach dem Tränken der elektrochemisch aktiven Materialien des Elektrodenstapels mit Elektrolyt wird der Kunststoffbeutel verschlossen und verschweißt. Die Batterieeinzelzellen 6 sind dann immer noch vergleichsweise flexibel und haben eine im Wesentlichen prismatische Ausgestaltung. In der Darstellung der 2 sind sie in einer schematischen Seitenansicht zu erkennen. Aus jeder der Batterieeinzelzellen 6 ragt dabei ein elektrischer Zellableiter 7 heraus, welcher später zur elektrischen Kontaktierung eingesetzt wird. In der Darstellung der 2 ist dabei nur ein Pol zu erkennen, in dem Aufbau gemäß 3 sind die Zellableiter 7 sowohl des einen als auch des anderen elektrischen Pols jeder der Batterieeinzelzellen 6 zu erkennen. Die Batterieeinzelzellen 6 werden nun zusammen mit angedeuteten Abstandshaltern 8 aufgestapelt und anschließend mit Bandagen 9 umgeben. Die Bandagen 9 in der Darstellung der 2 sind dabei in Form von drei einzelnen Bändern, beispielsweise aus einem mit Metallfasern, Kohlefasern oder dergleichen verstärkten Gewebe ausgebildet. Die einzelnen Bandagen 9 werden spannungsfrei um die zusammen mit den Abstandshaltern 8 aufgestapelten Batterieeinzelzellen 6 gelegt. Anschließend wird dieser Aufbau, so wie es in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, mit einem elastischen Vergussmaterial 10 zu dem Batteriemodul 5 vergossen. Dieser Aufbau ist in der Darstellung der 3 nochmals in einer Ansicht von oben zu erkennen, wobei zu erkennen ist, dass die Abstandshalter 8 ineinander eingreifen, oder dass beispielsweise auch ein einziger Abstandshalter 8 für alle Zellen, welcher nach unten kammartig ausgebildet wäre, eingesetzt werden kann. In Stapelrichtung sichern die Bandagen 9, von welchen in der Darstellung der 3 nur noch eine zu erkennen ist, den Zellstapel gegen eine übermäßige Belastung, welche beispielweise bei einer Überladung der Batterieeinzelzellen 6 und einer extremen Ausdehnung derselben auftreten könnte. Das Vergussmaterial 10 ist idealerweise elastisch und kann beispielsweise durch Vergießen oder Umspritzen der Batterieeinzelzellen 6 eingebracht werden. Geeignete elastische Materialien sind beispielweise Schaumstoffe, insbesondere auf der Basis von Polyurethan oder Polyethylen oder sehr elastische Gele wie beispielsweise Silicongele. Beim Einsatz derartiger Vergussmaterialien 10 kann dann eine bleibende Umhüllung beispielweise in Form einer dünnen Folie oder dergleichen sinnvoll sein, um das Batteriemodul 5 auch hinsichtlich einer mechanischen Belastung ideal auszubilden. Auch wäre es denkbar, beispielsweise durch ein erwärmen des Schaumstoffmaterials an der Oberfläche eine geschlossene Oberfläche zu erzielen, welche eine vergleichsweise hohe mechanische Belastbarkeit aufweist, ohne die Elastizität im Inneren des Vergussmaterials 10 entsprechend zu beeinträchtigen.
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In der Darstellung der 4 ist nun analog zur Darstellung in 2 ein Aufbau zu erkennen, welcher anstelle der drei einzelnen Bandagen 9 eine große flächige Bandage 9 aufweist, welche als flächiges Element um den Stapel der Batterieeinzelzellen 6 herumgelegt ist. Ansonsten ist der Aufbau vergleichbar zu dem in 2 beschriebenen Aufbau zu verstehen.
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In der Darstellung der 5 ist eine weitere Alternative zu erkennen. Wieder sind drei Bandagen 9 um die Batterieeinzelzellen 6 angeordnet. Die drei Bandagen 9 sind dabei so ausgebildet, dass sie an einem ihrer Enden Halteelemente 11 ausbilden, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von Schlaufen ausgebildet sind, und welche über das Vergussmaterial 10 hinausstehen. Die einzelnen Batteriemodule 5 können dann über diese Halteelemente 11 untereinander oder beispielsweise in einem Batteriegehäuse fixiert werden. Die Haltelemente 11 können beispielsweise zum Einklemmen, zum Durchstecken von Fixierelementen oder zum Festschrauben beispielsweise an einer Trägerschiene oder dergleichen verwendet werden. Dies ist außerordentlich einfach und effizient, da so eine unmittelbare Fixierung des Batteriemoduls 5 erfolgen kann, ohne dass dieses erneut von Bändern, Halteeinrichtungen oder dergleichen umgeben oder mit derartigen Bauteilen versehen werden muss.
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Neben der Ausbildung der Bandagen 9 beispielsweise aus Gewebe ist auch der Einsatz von Blechstreifen, Folien oder dergleichen möglich. Ebenso gut ist es denkbar, unterschiedliche Materialien für die Bandagen einzusetzen, beispielsweise um am Randbereich mit sehr einfachen und leichten Bandagen operieren zu können, und im Mittenbereich, wo die höchste Ausdehnung und die größten Zugkräfte im Falle einer unerwünschten Ausdehnung der Batterieeinzelzellen 6 auftreten, diesen durch einen entsprechend festes und schwereres Material entgegenwirken zu können.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Batteriemoduls 5 ist in der Darstellung der 6 zu erkennen. Das Batteriemodul 5, wie es in der Darstellung der 6 zu erkennen ist, verzichtet auf ein Vergussmaterial 10 gänzlich. Das Batteriemodul 5 besteht ebenfalls aus einer Anzahl von Batterieeinzelzellen 6, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Batterieeinzelzellen 6 sind an sich bekannter Art und Weise zwischen zwei Druckbrillen 12 über Spannvorrichtungen 13 in Form von Zugankern verspannt. Diese Zuganker können beispielsweise im Bereich einer der Druckbrillen 12 über hier angedeutete Schraubenmuttern 14 gesichert werden, um so durch das Anziehen mit einem vorgegebenen Drehmoment die gewünschte Spannung auf die zwischen den Druckbrillen 12 angeordneten Batterieeinzelzellen 6 aufzubringen. Um das Gewicht der Spannvorrichtungen 13 sowie die Anforderungen an das Material, welches für die Spannvorrichtungen 13 eingesetzt wird, entsprechend reduzieren zu können, ist auch hier eine spannungsfrei um den zusammengespannten Zellstapel der Batterieeinzelzellen 6 gelegte Bandage 9 zu erkennen, welche im Falle einer zusätzlichen erhöhten Zugspannung bei einer unerwünscht starken Ausdehnung der Batterieeinzelzellen 6 zusätzlich zu den Zugankern bzw. Spannvorrichtungen 13 den Stapel der Batterieeinzelzellen 6 fixiert, sodass die Spannvorrichtungen 13 nicht auf diesen Extremfall, sondern lediglich auf den regulären Betrieb ausgelegt werden müssen. Die Bandage 9 kann dann mit vergleichsweise geringem zusätzlichen Gewichtsaufwand eben diese Lücke für den Fall eines Fehlers schließen, sodass insgesamt durch einfachere und leichtere Spannvorrichtungen 13 und die zusätzlichen sehr leicht realisierbaren Bandagen 9 ein Aufbau entsteht, welcher hinsichtlich des Gewichts und der Kosten deutliche Vorteile gegenüber einer entsprechend großen Dimensionierung der Spannvorrichtungen 13 bietet.
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Die einzelnen beschriebenen Ideen beim Aufbau des Batteriemoduls 5 lassen sich selbstverständlich untereinander kombinieren, sodass beispielsweise auch die Bandage 9 bei der Ausgestaltung gemäß 6 mit entsprechenden Haltelementen 11 versehen sein kann, und/oder der Aufbau gemäß 6 zusätzlich mit einer Vergussmasse 9 umgeben werden kann. Weitere Möglichkeiten zur Kombination der Ausgestaltungen untereinander ergeben sich für den Fachmann in naheliegender Weise, beispielsweise die mögliche Variation hinsichtlich der Anzahl der Bandagen 9 oder ihrer Orientierung. Außerdem lassen sich selbstverständlich verschiedene an sich bekannte Arten von Abstandshaltern 8 entsprechend einsetzen, ebenso wie ihr Verzicht beim Einsatz von Batterieeinzelzellen, welche keine Abstandshalter benötigen, da sie beispielweise selbstragend als prismatische Zellen aus einem stabilen Rahmen mit entsprechenden Deckeln ausgebildet sind. Genauso gut könnte der Aufbau für Rundzellen eingesetzt werden, welche letztlich durch ihre Abstandshalter zu einer prismatischen Gesamtform aufstapelbar sind.
