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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, wie sie beispielweise in Fahrzeuganwendungen eingesetzt werden, bestehen aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Bei der Ausbildung der Batterieeinzelzellen in Form von im weitesten Sinne prismatischen Zellen, sogenannten Flachzellen oder auch sogenannten Coffeebag- oder Pouch-Zellen, werden die rechteckigen Zellen typischerweise zu einem Zellstapel aufgestapelt. Im Falle der vergleichsweise flexiblen Pouch-Zellen sind dafür typischerweise Halterahmen zwischen den einzelnen Zellen vorgesehen. Im Falle von stabil ausgebildeten prismatischen Zellen sind vergleichbare Halterahmen als Teil der Zellen selbst ausgeführt. Die Batterieeinzelzellen mit ihren Halterahmen werden nun über eine Spannvorrichtung kraftschlüssig zusammengehalten, typischerweise zwischen zwei Druckbrillen. Als Spannvorrichtungen können dabei Spannbänder, Zuganker, Gewindestangen oder dergleichen eingesetzt werden.
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Aus der
DE 10 2011 109 246 A1 ist es nun bekannt, dass im Bereich der Halterahmen Einsätze angeordnet sind, welche insbesondere aus Metall ausgebildet sind. Die Halterahmen können dann einfach und effizient beispielsweise als Spritzgussteile hergestellt werden. Die Einsätze sind dann so in den Halterahmen angeordnet, dass sie beim zusammengespannten Zellstapel an den Einsätzen des benachbarten Halterahmens oder an einer der Druckbrillen anliegen. Idealerweise haben die Einsätze dabei näherungsweise die Wärmedehnung der über den Zellstapel durchgehenden Ein- und Anbauteile, beispielweise der Spannelemente, einer Kühlplatte oder dergleichen.
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Nun ist so, dass zur kraftschlüssigen Fixierung der Bauteile des Zellstapels erhebliche Druckkräfte erforderlich sind. Die Einsätze sind deshalb idealerweise aus einem hochfesten Material wie beispielsweise Stahl gefertigt. Aus Gewichtsgründen ist es nun jedoch nicht erwünscht, dass auch die Druckbrillen aus einem derartigen hochfesten Material hergestellt werden. Sie sollen, um Gewicht einzusparen, insbesondere aus Leichtmetalllegierungen, vorzugsweise Aluminiumlegierungen, oder aus Kunststoffen wie beispielsweise faserverstärktem Polyamid oder Ähnlichem hergestellt werden. Bei einem derartigen Aufbau ist es nun so, dass die Einsätze, welche typischerweise mit eher kleinem Querschnitt ausgelegt werden, um Material und Gewicht in dem Zellstapel einzusparen, eine erhebliche Flächenpressung auf die Druckbrillen verursachen, welche entweder zu einem Versagen führen kann, oder welche entsprechend schwere Druckbrillen beispielsweise aus hochfestem Stahlmaterialien notwendig macht.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie im Sinne der genannten älteren Schrift anzugeben, welche den Aufbau dahingehend verbessert, dass die Batterie leicht und kostengünstig realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die mit den Druckbrillen zusammenwirkenden Einsätze als Kraftverteilungseinsätze ausgebildet sind, welche zumindest auf der den Enden des Zellstapels zugewandten Seiten einen größeren Querschnitt aufweisen, als die Einsätze im inneren des Zellstapels. Durch diesen Einsatz von vergrößerten Kraftverteilungseinsätze an den Enden des Zellstapels kann die Flächenpressung auf das Material der Druckbrillen reduziert werden, sodass der Aufbau einfach und effizient mit Druckbrillen beispielsweise aus Aluminiumlegierungen oder faserverstärktem Kunststoff realisiert werden kann. Dadurch, dass lediglich die Kraftverteilungseinsätze an den Enden des Zellstapels mit vergrößertem Querschnitt ausgebildet sind, kann dennoch in allen anderen Halterahmen mit entsprechend kleinen Einsätzen mit geringem Querschnitt gearbeitet werden, sodass das Gewicht des Materials der Einsätze sehr gering bleibt. Dadurch, dass lediglich die Kraftverteilungseinsätze etwas größer ausgebildet sind, verursachen die eine weitaus geringere Gewichtszunahme des Gesamtaufbaus, als wenn anstelle der Druckbrillen, beispielweise aus Aluminiumlegierungen oder faserverstärktem Kunststoff, Druckbrillen aus einem hochfesten metallischen Material, beispielsweise aus Stahl, eingesetzt werden müssten.
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Wie bereits erwähnt, kann der Aufbau idealerweise mit sehr leichten Druckbrillen auskommen, sodass gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterie die Ausbildung der Druckbrillen aus Aluminiumlegierung oder einem faserverstärktem Kunststoffmaterial vorgesehen ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es vorgesehen, dass die Kraftverteilungseinsätze sich in Richtung der Enden des Zellstapels in ihrem Querschnitt erweitern. Solche sich in ihrem Querschnitt erweiternde Kraftverteilungseinsätze sind hinsichtlich des benötigten Materialeinsatzes ideal, um ausgehend von einem kleinen Querschnitt der Einsätze im Inneren des Zellstapels hin zu der Druckbrille bzw. dem Ende des Zellstapels die Flächenpressung entsprechend zu reduzieren. Sie sind in der Herstellung jedoch aufwändiger und teurer als Kraftverteilungseinsätze mit konstantem Querschnitt. Dementsprechend kann es in einer sehr günstigen Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass die Kraftverteilereinsätze einen konstanten Querschnitt aufweisen, welcher erfindungsgemäß größer ist als der Querschnitt der Einsätze im Inneren des Zellstapels.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Kraftverteilungseinsätze jeweils in dem Zellstapel in Richtung der Druckbrille abschließenden Randrahmen angeordnet sind. Typischerweise sind beispielsweise beim Stapeln von Pouch-Zellen im Bereich des Abschluss des Zellstapels, bevor dieser mit der Druckbrille versehen wird, ohnehin spezielle Randrahmen notwendig, welche sich von den anderen Halterahmen typischerweise dadurch unterscheiden, dass sie auf der einen Seite entsprechend zur Aufnahme der letzten Halbzelle ausgebildet sind, während sie auf der anderen Seite glatt zur Anlage an der Druckbrille ausgebildet sind. Mit sehr wenig Aufwand kann nun in diese Randrahmen ein Kraftverteilungseinsatz eingesetzt werden, welcher einen größeren Querschnitt als die Einsätze in den herkömmlichen Halterahmen hat. Dadurch lässt sich der erfindungsgemäße Aufbau sehr einfach und effizient realisieren.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Idee könnte es auch vorgesehen sein, dass die Kraftverteilungseinsätze ganz oder teilweise in den Druckbrillen angeordnet sind. Solche ganz oder teilweise in den Druckbrillen angeordnete Einsätze, welche beispielsweise mit der Druckbrille verpresst ausgestaltet sein können, sind ebenfalls sehr einfach in der Anwendung. Sie können, wenn sie nur teilweise in der Druckbrille angeordnet sind, beispielsweise in einen Randrahmen ragen, bevor die mit den Einsätzen versehenen herkömmlichen Halterahmen des Zellstapels folgen. Der Randrahmen kann dann beispielsweise mit einer Öffnung, durch welche der über die Druckbrille herausstehende Teil des Kraftverteilungseinsatzes herausragt, ausgebildet sein. Alternativ dazu ist es auch denkbar, dass die Kraftverteilungseinsätze ganz in der Druckbrille angeordnet sind, dann ist keine spezielle Ausgestaltung des Randrahmens notwendig, sondern dieser kann wie die anderen Halterahmen mit den herkömmlichen Einsätzen mit geringerem Querschnitt entsprechend ausgebildet sein.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Kraftverteilungseinsätze zur Aufnahme von Zugankern ausgebildet sind. Sie können also entsprechende Öffnungen aufweisen, durch welche die Zuganker hindurchragen. Im Gegensatz dazu können die Einlagen im Inneren des Zellstapels entsprechend einfach, beispielsweise zylindrisch oder quadratisch, ausgebildet sein, da sie die Zuganker entsprechend nicht aufnehmen müssen, sondern da hier die Zuganker durch das Material der Halterahmen verlaufen können.
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Die Einsätze, egal ob die herkömmlichen Einsätze und/oder die Kraftverteilungseinsätze, können dabei mit den Halterahmen verpresst oder in diese eingespritzt oder eingegossen sein. Das Gleiche gilt für den Fall, dass die Kraftverteilungseinsätze mit der Druckbrille zumindest teilweise in der Druckbrille angeordnet sind. Auch hier können sie eingepresst oder eingegossen sein, beispielsweise bei Aluminium-Druckguss oder Aluminium-Sandguss, in welchen die Kraftverteilungseinsätze als Stahlelemente entsprechend eingegossen sind. Durch geeignete Ausgestaltungen, wie beispielsweise Hinterschneidungen, geriffelte Oberflächen oder dergleichen, kann die Verbindung zwischen den Einsätzen bzw. Kraftverteilungseinsätzen und den Halterahmen, Randrahmen oder Druckbrillen entsprechend optimiert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich 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 dreidimensionale Ansicht einer Batterie in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 eine dreidimensionale Ansicht einer Hälfte eines Halterahmens in dem Zellstapel der erfindungsgemäßen Batterie;
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3 die hälftige Ansicht eines Randrahmens;
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4 der Randrahmen gemäß 3 in einer Explosionsdarstellung;
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5 eine Teilansicht aus Halterahmen, Randrahmen und Druckbrille im zusammengebauten Zustand ohne Zuganker;
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6 eine Ansicht analog zur Darstellung in 5 ohne das Kunststoffmaterial des Halterahmens und des Randrahmens;
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7 eine Schnittdarstellung der in 5 gezeigten Ansicht;
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8 eine hälftige Ansicht einer Druckbrille in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine Ansicht analog 8 in einer Explosionsdarstellung;
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10 eine Ansicht analog zu 8 mit Randrahmen in Explosionsdarstellung;
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11 eine Darstellung analog 10 mit montiertem Randrahmen;
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12 eine Ansicht des Aufbaus der 8–11 in einer Explosionsdarstellung;
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13 eine Darstellung analog 12 in einer alternativen Ausführungsform;
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14 eine Schnittdarstellung durch den in 13 als Explosionsdarstellung gezeigten Aufbau; und
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15 eine Prinzipdarstellung, analog zur Schnittdarstellung in 14 in einer weiteren alternativen Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 zu erkennen, welche als Stapel von hier nicht explizit erkennbaren Batterieeinzelzellen aufgebaut ist. Die Batterieeinzelzellen sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet. Sie sind zwischen Halterahmen 2 angeordnet, von welchen lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Batterieeinzelzellen liegen dabei jeweils zur Hälfte im Bereich des einen Halterahmens und zur anderen Hälfte im Bereich des hierzu benachbarten Halterahmens. Am Ende des so ausgebildeten Zellstapels 3 sind Randrahmen 4 angeordnet, welche die verbleibende Hälfte der Batterieeinzelzelle umschließen und in Richtung der Enden des Zellstapels 3 eben ausgebildet sind. An der ebenen Seite dieser Randrahmen 4 liegen dann an jedem Ende des Zellstapels 3 jeweils eine Druckbrille 5 an. Die Druckbrillen 5 sind beispielsweise aus Aluminiumdruckguss hergestellt. Sie können genauso gut aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial ausgebildet sein. Diese Materialien sind bei ausreichender Festigkeit deutlich leichter als es beispielsweise Druckbrillen 5 aus Stahlmaterial oder dergleichen wären. Die zwischen den Halterahmen 2 angeordneten Batterieeinzelzellen sind auf der Oberseite elektrisch kontaktiert. Dies ist an sich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. In der Darstellung der 1 ist die Kontaktierung dabei nicht sichtbar, da sie über jeweils eine Kühlplatte 6 entsprechend abgedeckt ist. Die Kühlplatte 6 kann über Anschlüsse 7 mit einem flüssigen Kühlmedium zur Temperierung der Batterie 1 versorgt werden. Die Druckbrillen 5 sind über Zuganker 8, von denen im Bereich der einen Druckbrille lediglich die abschließenden Muttern zu erkennen sind, miteinander verspannt, sodass der Zellstapel 3 als selbstragende Einheit ausgebildet ist.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Hälfte eines der Halterahmen 2 in einer dreidimensionalen Ansicht zu erkennen. Der Halterahmen 2 weist auf seiner einen Seite zwei nach außen über den Zellstapel 3 überstehende „Ohren” 9 auf, in deren Bereich Durchgangslöcher 10 für die Zuganker 8 angeordnet sind. Zwischen den Durchgangslöchern 10 sind dabei Einsätze 11 angeordnet. Die Einsätze 11 können beispielsweise aus Stahl ausgebildet sein, während der restliche Haltrahmen 2 typischerweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, beispielweise spritzgegossen ist. Die Einsätze 11 der einzelnen Halterahmen 2 liegen dabei im zusammenmontiertem Zustand der Halterahmen 2 zu dem Zellstapel 3 aneinander an und nehmen so die von den Zugankern 8 aufgebrachten Druckkräfte auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, dass die Einsätze 11 mit einem quadratischen Querschnitt vergleichsweise klein ausgebildet sind. Hierdurch entstehen vergleichweise hohe Flächenpressungen, was bei dem eingesetzten Stahlmaterial für die Einsätze 11 unkritisch ist. Da nun jedoch die Druckbrillen 5 beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt sind, können diese eine derart hohe Flächenpressung nicht oder nur schwer aushalten. Um dieser Problematik entgegenzuwirken und Beschädigungen der Druckbrillen 5 durch die Einsätze 11 zu vermeiden, ist es nun vorgesehen, dass am Ende Zellstapels 3 modifizierte Kraftverteilungseinsätze 12 angeordnet sind. Diese sind in der Darstellung 3, analog zur Darstellung in 2, an einem der Randrahmen 4 zu erkennen. Die Kraftverteilungseinsätze 12 weisen im Gegensatz zu den nachfolgend als Inneneinsätze 11 bezeichneten Einsätzen in den Halterahmen 2 einen größeren Querschnitt auf, welcher in diesem Fall die Durchgangslöcher 10 für die Zuganker 8 mit umfasst. Durch diesen größeren Querschnitt kann die von den Inneneinsätzen 11 auf die Kraftverteilungseinsätze 12 übertragene Kraft auf eine größere Querschnittsfläche verteilt werden, sodass auf der den Zellstapel 3 abgewandten Seite der Kraftverteilungseinsätze 12 eine geringere Flächenpressung vorliegt. Die Kraftverteilungseinsätze 12 können damit die Kräfte auf eine größere Fläche der Druckbrille 5 verteilen, sodass die Druckbrille 5 problemlos beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden kann, ohne dass die zulässige Flächenpressung im Bereich der Anlage an die Kraftverteilungseinsätze 12 überschritten wird.
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Die Kraftverteilungseinsätze 12 können wie beispielsweise in der 4 dargestellt in den Randrahmen eingelegt und mit diesem verklebt werden. Sie können insbesondere jedoch auch bei der Herstellung des Randrahmens 4 durch das Spritzgussverfahren unmittelbar mit in das Material eingespritzt werden. Auch ein Einpressen in das Material des Randrahmens 4 wäre denkbar. Der Aufbau ist dabei in der Explosionsdarstellung der 4, analog zur Darstellung in 3, nochmals dargestellt.
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In der Darstellung der 5 findet sich der zusammengebaute Zustand eines Halterahmens 2, des Randrahmens 4 sowie der Druckbrille 5 ohne eingeführte Zuganker 8. Um den Aufbau noch deutlicher erkennbar zu machen, wurde in der Darstellung der 6, welche ansonsten analog zur 5 zu verstehen ist, auf die Darstellung des Kunststoffmaterials sowohl des Halterahmens 2 als auch des Randrahmens 4 verzichtet. Jetzt ist zu erkennen, dass an der Oberfläche der Druckbrille 5 unmittelbar der Kraftverteilungseinsatz 12 aufliegt, auf welchen dann der im Material des nicht dargestellten Halterahmens 2 angeordnete Inneneinsatz 11 folgt.
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In der Darstellung der 7 ist nochmals eine Schnittdarstellung gezeigt, bei welcher im Gegensatz zur Darstellung in den 5 und 6 zwei der Halterahmen 2 gezeigt sind. Der Aufbau ist außerordentlich einfach, da die Halterahmen 2 weiterhin identisch aufgebaut werden können. Lediglich die Randrahmen 4 müssen durch den Kraftverteilungseinsatz 12 anstelle des Inneneinsatzes 11 in den Halterahmen 2 entsprechend modifiziert werden. Da die Randrahmen 4 jedoch ohnehin eine unterschiedliche Form zu der der Halterahmen 2 aufweisen, ist dies einfach und effizient möglich.
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Eine alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 8 zu erkennen. Die Kraftverteilungseinsätze 12 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in die Druckbrille 5 eingebracht, beispielweise eingepresst oder beispielsweise bei der Herstellung der Druckbrille 5 durch ein Druckgussverfahren in das Material der Druckbrille 5 eingegossen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist jeder Kraftverteilungseinsätze 12 dabei jeweils nur zu einem Teil, beispielsweise zur Hälfte, in einer entsprechenden Vertiefung der Druckbrille angeordnet. Dies lässt sich insbesondere aus der Explosionsdarstellung in 9 sehr gut erkennen. Der Randrahmen 4, welcher in der Darstellung der 10 zu erkennen ist, hat dann Durchgangsöffnungen 15 in dem mit den Kraftverteilungseinsätze 12 korrespondierenden Bereich. Er kann dann sehr einfach und positionsgenau auf die Druckbrille 5 aufgesteckt werden, so wie es in der Darstellung der 11 erkennbar ist.
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In der Darstellung der 12 ist dabei nochmals eine Explosionsdarstellung zu erkennen, welche im Wesentlichen analog zu der in 6 gezeigten Darstellung zu verstehen ist. Der Kraftverteilungseinsatz 12 kann in eine in der Darstellung der 12 mit 13 bezeichnete Vertiefung der Druckbrille 5 eingesetzt werden. Er kann dann, wie es in der 11 dargestellt ist, von dem hier nicht dargestellten Randrahmen 4 umgeben werden. Im Anschluss folgt dann ein herkömmlicher Halterahmen 2, von welchem in der Explosionsdarstellung der 12 lediglich sein Inneneinsatz 11 zu erkennen ist. Auch hier sorgt der Kraftverteilungseinsatz 12 für eine größere Anlagefläche zwischen der Druckbrille 5, in diesem Fall im Bereich der Vertiefung 13 und dem Kraftverteilungseinsatz 12, sodass in diesem Bereich eine geringere Flächenpressung auftritt, als zwischen dem Inneneinsatz 11 und dem Kraftverteilungseinsatz 12.
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In der Darstellung der 13 ist analog zur Darstellung in 12 eine weitere alternative Ausführungsform zu erkennen. Anstelle der Vertiefung 13 ist hier ein Durchgangsloch 14 in der Druckbrille 5 ausgebildet. In dieses Durchgangsloch 14 kommt bündig mit der Druckbrille 5, beispielsweise eingepresst oder eingegossen in das Material der Druckbrille 5, der Kraftverteilungseinsatz 12. In dem hier nicht dargestellten Randrahmen kann dann, analog zu den Halterahmen 2, ein herkömmlicher Inneneinsatz 11 verwendet werden, welcher sich von den Inneneinsätzen 11 in den Halterahmen 2 allenfalls durch die geringere Dicke unterscheidet, wenn der Randrahmen 4 eine geringere Dicke als die Halterahmen 2 aufweist. Durch diesen Aufbau, welcher auch in der 14 nochmals in einer Schnittdarstellung zu erkennen ist, wird ebenfalls eine Verringerung der Flächenpressung zwischen den Einsätzen 11, 12 und der Druckbrille erreicht, wobei die Druckbrille 5 hier lediglich durch ihren Presssitz bzw. Formschluss mit dem Kraftverteilungseinsatz 12 zur flächigen Verteilung der Spannkräfte über die gesamte Querschnittsfläche des Zellstapels 3 dient.
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In der Darstellung der 15 ist sehr stark schematisiert ein weiterer denkbarer Aufbau des Kraftverteilungseinsatzes 12 zu erkennen. Auch hier ist beispielhaft der Kraftverteilungseinsatz 12 im Randrahmen 4 angeordnet, während im darauf folgenden Halterahmen 2 ein herkömmlicher Inneneinsatz 11 angeordnet ist. Um Gewicht und Material einzusparen, ist der Kraftverteilungseinsatz 12 in der Ausgestaltung gemäß 15 mit einem konischen Querschnitt ausgebildet, sodass auf der einen Seite der Querschnitt dem Querschnitt des Einsatzes 11 entspricht, und sich dieser Querschnitt in Richtung der Druckbrille 5 entsprechend erweitert, um die Flächenpressung zwischen der Druckbrille 5 und dem Kraftverteilungseinsatz 12 im Sinne der Erfindung zu minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011109246 A1 [0003]
