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Die Erfindung betrifft eine Zellblock für eine Batterie, welche eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Einzelzellen, die mittels Halteelementen innerhalb des Zellblockes fixiert sind, und zumindest jeweils eine stirnseitig angeordneten metallischen Druckplatte umfasst, wobei Spannelemente zur axialen Verpressung des Zellblockes vorgesehen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit zumindest einem solchen Zellblock.
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Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus einer Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen, die mit einer zugehörigen Elektronik und Kühlung in einem Gehäuse angeordnet sind. Eine vorgegebene Anzahl von Einzellen ist zu einem Zellblock zusammengefasst, wobei der Zellblock Mittel zur mechanischen Fixierung, zur Kontaktierung und zur Temperierung aufweist. Quaderförmig ausgebildete Einzelzellen, sogenannte Flachzellen, wie z. B. Pouchzellen, sind mittels Halteelementen aufnehmbar, die aus Kunststoff gebildet sind und eine Rahmenform oder Schalenform aufweisen. Mittels der Halteelemente sind die Einzelzellen innerhalb des Zellblockes zumindest im Kraftschluss fixiert. An einer jeweiligen Stirnseite des Zellblockes sind Druckplatten angeordnet, mittels derer sowie mittels einer Anzahl von Spannelementen der Zellblock in axialer Richtung verpressbar ist. Die Druckplatten sind aus Metall gebildet und an dem Gehäuse der Batterie befestigt, wobei die Druckplatten ein elektrisches Massepotential führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Zellblock für eine Batterie und eine solche Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Zellblockes durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Batterie durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Zellblock für eine Batterie weist eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, die mittels Halteelementen innerhalb des Zellblockes fixiert sind, und zumindest jeweils eine stirnseitig angeordnete metallische Druckplatte auf, wobei Spannelemente zur axialen Verpressung des Zellblockes vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist zwischen einer stirnseitig angeordneten Einzelzelle und der Druckplatte zumindest ein elektrisches Isolationselement angeordnet, welches in das an die jeweilige Druckplatte grenzende Halteelement oder die Druckplatte integriert ist.
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Mittels des elektrischen Isolationselementes ist die jeweilige stirnseitige Druckplatte gegenüber der stirnseitig an dem Zellblock angeordneten Einzelzelle elektrisch isoliert. Durch die elektrische Isolation ist das Risiko, dass die stirnseitig angeordneten Druckplatten ein elektrisches Massepotential führen wesentlich verringert. Zudem kann sowohl die Gefahr eines Kurzschluss innerhalb der Batterie als auch die Gefahr eines Stromunfalles einer die Batterie berührenden Person zumindest verringert werden.
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Eine Handhabung der Batterie ist somit mittels der zwischen den Druckplatten und den stirnseitig angeordneten Einzelzellen verbessert.
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In einer möglichen Ausführungsform ist das elektrische Isolationselement als wannenförmiges Halteelement ausgebildet, mittels dessen die Einzelzelle zumindest abschnittsweise umschlossen ist.
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In besonders vorteilhafter Weise ist die Einzelzelle in dem Bereich von dem wannenförmigen Halteelement umschlossen, welcher einen potentiellen elektrischen Kontaktbereich zwischen Einzelzelle und Halteelement darstellt. Durch eine derartige Ausformung des stirnseitig angeordneten Halteelementes sind die Einzelzelle und die Druckplatte voneinander separiert. Somit ist die Gefahr eines elektrischen Kontaktes zwischen der Einzelzelle und der Druckbrille wesentlich verringert. Da das Halteelement selbst das elektrische Isolationselement bildet, ist kein zusätzliches Bauteil zur elektrischen Isolation der Druckplatte gegenüber der Einzelzelle erforderlich.
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Vorzugsweise korrespondiert eine Form des wannenförmig ausgebildeten Halteelementes zumindest abschnittsweise mit einer Form der Einzelzelle, so dass zumindest abschnittsweise eine Passform gebildet ist und dadurch eine vergleichsweise Bauraum sparende Lösung zur Anordnung des elektrischen Isolationselementes angegeben ist.
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Vorteilhaft korrespondiert eine Form der Druckplatte zumindest abschnittsweise mit einer Form des wannenförmigen Halteelementes, so dass die Druckplatte zumindest abschnittsweise im Formschluss an dem wannenförmigen Halteelement anordbar ist. Die Druckplatte liegt an dem wannenförmig ausgebildeten Halteelement an, wodurch der Zellblock als Bauraum optimierte kompakte Baueinheit ausgebildet sein kann.
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In einer möglichen Ausführungsform ist zumindest die Druckplatte an einer der Einzelzelle zugewandten Fläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht als elektrisches Isolationselement versehen. Mittels der elektrisch isolierenden Schicht ist eine Bauraum sparende Lösung zur elektrischen Isolation der Druckplatte gegenüber der Einzelzelle angegeben, wobei auch hier kein separates Bauteil erforderlich ist.
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Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht als Isolationslack, als Pulverbeschichtung, als anorganische Beschichtung, als Keramikschicht, als Kunststofffolie und/oder als Kunststoffbeschichtung zumindest auf die der Einzelzelle zugewandten Fläche der Druckplatte aufgebracht. Die elektrisch isolierende Schicht als elektrisches Isolationselement ist zumindest stoffschlüssig mit der Druckplatte verbunden, wobei die Schicht derart aufgebracht und ausgebildet ist, dass die Schicht im Wesentlichen mechanischen Beanspruchungen standhält und sich nicht ungewollt von der Druckplatte löst.
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In Abhängigkeit von einer Ausführungsform der Einzelzelle, insbesondere in Abhängigkeit der Ausbildung eines Zellgehäuses, weist das stirnseitige Halteelement im Bereich einer Flächenseite der Einzelzelle eine Trennwand auf, die das elektrische Isolationselement bildet. Mittels dieser Trennwand ist die Druckplatte gegenüber der Einzelzelle elektrisch isoliert, wodurch im Wesentlichen vermieden werden kann, dass die Druckplatte ein elektrisches Massepotential führt.
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In besonders vorteilhafter Weise weist das elektrische Isolationselement Abmessungen auf, welche mit den Abmessungen zumindest einer Flächenseite der Einzelzelle korrespondieren. Dadurch ist der gesamte einen potentiellen elektrischen Kontaktbereich zwischen Einzelzelle und Druckplatte darstellender Abschnitt elektrisch isoliert ausgebildet.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Batterie, welche zumindest einen solchen Zellblock umfasst.
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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 einer teilweisen Explosionsdarstellung eines Zellblockes mit einem elektrischen Isolationselement in einer ersten Ausführungsform,
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2 schematisch den Zellblock im zusammengesetzten Zustand,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellblockes im zusammengesetzten Zustand,
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4 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß 3,
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5 schematisch eine Explosionsdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Zellblockes,
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6 schematisch eine perspektivische Ansicht des Isolationselementes in der ersten Ausführungsform,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer teilweisen Explosionsdarstellung eines Zellblockes mit einem elektrischen Isolationselement in einer zweiten Ausführungsform,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung des zusammengesetzten Zellblockes mit dem elektrischen Isolationselement in der zweiten Ausführungsform,
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9 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes des Zellblockes mit dem elektrischen Isolationselement in der zweiten Ausführungsform,
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10 schematisch den Ausschnitt des Zellblockes gemäß 9 mit zueinander beabstandeten Bestandteilen,
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11 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Druckbrille mit zu dieser beabstandeten elektrischen Isolationselement in der zweiten Ausführungsform,
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12 schematisch eine perspektivische Ansicht der Druckbrille mit an dieser befestigtem elektrischen Isolationselement in der zweiten Ausführungsform,
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13 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung eines Zellblockes mit einem elektrischen Isolationselement in einer dritten Ausführungsform,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblockes mit dem elektrischen Isolationselement in der dritten Ausführungsform,
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15 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellblockes mit dem elektrischen Isolationselement in der dritten Ausführungsform,
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16 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes des Zellblockes mit dem elektrischen Isolationselement in der dritten Ausführungsform,
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17 schematisch den Ausschnitt des Zellblockes gemäß 16 mit zueinander beabstandeten Bestandteilen und
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18 schematisch eine perspektivische Ansicht des elektrischen Isolationselementes in der dritten Ausführungsform.
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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 einer teilweisen Explosionsdarstellung eines Zellblockes 1 für eine Batterie, insbesondere zur Anordnung in einem Elektrofahrzeug, einem Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug.
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Der Zellblock 1 umfasst eine vorgegebene Anzahl von Einzelzellen 2, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Pouchzellen ausgebildet sind, die auch unter dem Begriff Coffeebag-Zellen bekannt sind.
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Im Inneren der jeweiligen Einzelzelle 2 ist eine zumindest in 3 näher dargestellte Elektrodenfolienanordnung 3 angeordnet, die von einer folienartigen Verpackung als Zellgehäuse 4 umgeben ist. Aus dem Zellgehäuse 4 sind zwei elektrische Anschlüsse als Zellpole 5 herausgeführt, die blechförmig ausgebildet sind.
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Die Einzelzellen 2 sind zur Bildung des Zellblockes 1 durch Verpressung mit aus Kunststoff ausgebildeten rahmenförmigen Halteelementen 6 an diesen fixiert. Mittels dieser Halteelemente 6 sind die Einzelzellen 2 innerhalb des Zellblockes 1 in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet.
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Eine elektrische Kontaktierung der Einzelzellen 2 erfolgt über u-förmig ausgebildete Zellverbinder 7, die an den Halteelementen 6, insbesondere stoffschlüssig, befestigt sind. Die Zellverbinder 7 sind durch Ultraschall-Schweißen mit den Zellpolen 5 verbunden.
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Das jeweilige Halteelement 6 und jeweils stirnseitig an dem Zellblock 1 angeordnete Druckplatten 8 weisen in ihrem jeweiligen Eckbereich zwei durchgehenden Aussparungen 6.1, 8.1 auf, durch welche Zuganker 9 oder andere geeignete Spannelemente zur axialen Verpressung des Zellblockes 1 hindurchführbar sind. Auf zumindest ein Ende der Zuganker 9 sind Schraubenmuttern 10 aufschraubbar, so dass eine kompakte Baueinheit gebildet ist.
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Die stirnseitig an dem Zellblock 1 angeordneten Druckplatten 8 sind aufgrund zu übertragender verhältnismäßig hoher Kräfte aus Metall, beispielsweise Aluminium, gebildet und sind innerhalb eines nicht näher dargestellten Batteriegehäuses an diesem befestigt.
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Um das Risiko, dass die Druckplatten 8 ein elektrisches Massepotential führen, zumindest zu verringern, ist vorgesehen, zwischen einer stirnseitig angeordneten Einzelzelle 2 und der zu dieser benachbart angeordneten Druckplatte 8 ein elektrisches Isolationselement 11 anzuordnen.
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In einer ersten Ausführungsform ist das elektrische Isolationselement 11 in das zwischen der Druckplatte 8 und der stirnseitig angeordneten Einzelzelle 2 integriert. Dazu ist das Halteelement 6 nicht wie alle anderen Halteelemente 6 innerhalb des Zellblockes 1 rahmenförmig, sondern geschlossen ausgebildet.
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Dabei ist das Halteelement 6 als elektrisches Isolationselement 11 wannenförmig ausgebildet, so dass die Einzelzelle 2 abschnittsweise von dem Halteelement 11 umschlossen ist. Insbesondere ist die Einzelzelle 2 abschnittsweise in dem wannenförmigen Bereich des als elektrisches Isolationselement 11 ausgebildeten Halteelementes 6 angeordnet.
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Diese wannenförmige Ausbildung des Halteelementes 6 ist in einem Spritzgussverfahren bei Herstellung des Halteelementes 6 ausformbar.
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Das als elektrisches Isolationselement 11 ausgebildete Halteelement 6 weist derartige Abmessungen auf, dass ein potentieller elektrischer Kontaktbereich zwischen Einzelzelle 2 und Druckplatte 8 zumindest mittels der wannenförmigen Ausformung des Halteelementes 6 vollständig abgedeckt ist.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des zusammengesetzten Zellblockes 1 mit den als elektrische Isolationselemente 11 ausgeführten stirnseitig angeordneten Halteelementen 6, die zwischen Einzelzellen 2 und Druckplatten 8 angeordnet sind.
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In 3 ist eine Schnittdarstellung des zusammengesetzten Zellblockes 1 dargestellt, wobei gezeigt ist, dass eine Form der Druckplatten 8 im Bereich der wannenförmig ausgebildeten Halteelemente 6 mit deren Form korrespondiert.
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Durch die miteinander korrespondierenden Formen der stirnseitig angeordneten Einzelzellen 2, der als elektrische Isolationselemente 11 ausgeführten Halteelemente 6 und der Druckplatten 8 liegen diese zumindest abschnittsweise im Formschluss aneinander an, so dass der Zellblock 1 mit elektrischer Isolation der Druckplatte 8 gegenüber der Einzelzelle 2 Bauraum optimiert ausgebildet ist.
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In 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer Schnittdarstellung des Zellblockes 1 mit dem als Halteelement 6 ausgebildeten elektrischen Isolationselement 11 in der ersten Ausführungsform dargestellt.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Schnittdarstellung des Zellblockes 1, wobei ein Halteelement 6, eine Einzelzelle 2, ein als elektrisches Isolationselement 11 ausgebildetes Halteelement 6 und eine Druckplatte 8 zueinander beabstandet, d. h. vor einer Montage, dargestellt sind.
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In 6 ist eine perspektivische Ansicht des wannenförmigen Halteelementes 6 als elektrisches Isolationselement 11 in der ersten Ausführungsform dargestellt. Ein umlaufender Randbereich des Halteelementes 6 ist im montierten Zustand des Zellblockes 1 im Bereich einer im Wesentlichen umlaufenden Siegelnaht der Einzelzelle 2 angeordnet.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer teilweisen Explosionsdarstellung eines Zellblockes 1 mit jeweils zwischen einer stirnseitig angeordneten Druckplatte 8 und einem Halteelement 6 angeordnetem elektrischen Isolationselement 11 in einer zweiten Ausführungsform.
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Das zwischen der stirnseitig angeordneten Einzelzelle 2 und der Druckplatte 8 angeordnete Halteelemente 6 ist rahmenförmig ausgebildet und unterscheidet sich nicht von den innerhalb des Zellblockes 1 angeordneten Halteelementen 6.
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In der zweiten Ausführungsform ist das elektrische Isolationselement 11 als eine Kunststofffolie 12 ausgebildet, welche vorzugsweise an einer der Druckplatte 8 zugewandten Fläche mit einem Klebstoff versehen ist. Durch den Klebstoff ist die Kunststofffolie 12 zumindest stoffschlüssig an der Druckplatte 8 befestigbar.
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Insbesondere ist die Kunststofffolie 12 als elektrisches Isolationselement 11 an einer der Einzelzelle 2 zugewandten Fläche der Druckplatte 8 befestigbar.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung der Kunststofffolie 12 kann die der Einzelzelle 2 zugewandte Fläche der Druckplatte 8 zur elektrischen Isolation mit einem Isolationslack, mit einer Pulverbeschichtung, mit einer anorganischen Beschichtung, mit einer Keramikschicht und/oder einer Kunststoffbeschichtung versehen sein.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung des Zellblockes 1 im zusammengesetzten Zustand mit dem als Kunststofffolie 12 ausgebildeten elektrischen Isolationselement 11.
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Das als Kunststofffolie 12 ausgeführte und an der Druckplatte 8 befestigte elektrische Isolationselement 11 ist insbesondere in einem potentiellen elektrischen Kontaktbereich zwischen der Einzelzelle 2 und der Druckplatte 8 angeordnet, wie im Detail sowohl in 9 als auch in 10 gezeigt ist.
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In 11 ist eine perspektivische Ansicht der Druckplatte 8 mit zu dieser beabstandeter Kunststofffolie 12 als elektrisches Isolationselement 11 dargestellt und 12 zeigt die Druckplatte 8 mit stoffschlüssig befestigter Kunststofffolie 12.
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13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung eines Zellblockes 1 mit Einzelzellen 2, die ein vergleichsweise stabiles metallisches Zellgehäuse 4 aufweisen. Die 14 und 15 zeigen den Zellblock 1 im zusammengesetzten Zustand, wobei in 14 eine perspektivische Ansicht und in 15 eine Schnittdarstellung des Zellblockes 1 dargestellt ist.
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Die Zellgehäuse 4 der Einzelzellen 2 in der vorliegenden Ausführungsform sind Spannung führend, wobei an einer Oberseite der Einzelzellen 2 Zellpole 5 ausgebildet oder angeordnet sind.
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Innerhalb des Zellblockes 1 sind die Einzelzellen 2 mittels Halteelementen 6 im Wesentlichen kraftschlüssig fixiert, wobei eine Einzelzelle 2 zwischen zwei Halteelementen 6 angeordnet ist.
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Die Zellpole 5 sind zwischen zwei Halteelementen 6 herausgeführt, die im Bereich der Zellpole 5 Materialausnehmungen aufweisen, und zur elektrischen Verschaltung stoffschlüssig mit als Platine ausgebildeten Zellverbindern 7 verbunden sind.
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An einer Unterseite des Zellblockes 1 ist eine plattenförmige Temperiervorrichtung 13 angeordnet, wobei zwischen dieser und dem Zellblock 1 zur verbesserten Wärmeleitung und zur elektrischen Isolation der Temperiervorrichtung 13 gegenüber dem Zellblock 1 eine Wärmeleitfolie 14 angeordnet ist.
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Eine axiale Verpressung des Zellblockes 1 erfolgt mittels der stirnseitig angeordneten Druckplatten 8 und Bügeln 15, mittels der die Druckplatten 8 gegeneinander pressbar sind.
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Die Halteelemente 6 sind geschlossen ausgeführt, d. h. schalenförmig ausgebildet, so dass an jeder Seite eines Halteelementes 6 jeweils eine Einzelzelle 2 angeordnet ist, die mittels dieses Halteelementes 6 gegeneinander elektrisch isoliert sind.
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Zur elektrischen Isolation der stirnseitig angeordneten Einzelzellen 2 gegenüber der jeweiligen Druckplatte 8 ist vorgesehen, ein Halteelement 6 mit einer integrierten Trennwand 6.2 als elektrisches Isolationselement 11 anzuordnen.
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Das Halteelement 6 als elektrisches Isolationselement 11 ist derart ausgebildet, dass die Einzelzelle 2 zumindest abschnittsweise eingefasst ist, wobei die Trennwand 6.2 zwischen der Einzelzelle 2 und der Druckplatte 8 angeordnet ist.
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Die Trennwand 6.2 des stirnseitig angeordneten Halteelementes 6 als elektrisches Isolationselement 11 ist bei Herstellung des Halteelementes 6, insbesondere in einem Spritzgussverfahren, ausformbar.
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Eine der Druckplatte 8 zugewandte Fläche des Halteelementes 6 als elektrisches Isolationselement 11 ist plan ausgebildet, so dass diese Fläche formschlüssig an der Druckplatte 8 anliegt.
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Eine Form einer der Einzelzelle 2 zugewandten Fläche des als elektrisches Isolationselement 11 ausgebildeten Halteelementes 6 korrespondiert mit einer Form der Einzelzelle 2, so dass das Halteelement 6 sowohl an der Einzelzelle 2 als auch an der Druckplatte 8 im Formschluss angeordnet ist.
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16 zeigt eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Zellblockes 1, wobei ein Halteelement 6, eine Einzelzelle 2, ein zwischen dieser und einer Druckplatte 8 angeordnetes elektrisches Isolationselement 11 in Form eines Halteelementes 6 mit Trennwand 6.2 dargestellt sind.
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17 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Zellblockes 1, wobei die dargestellten Bestandteile den Bestandteilen gemäß 16 entsprechen, die zueinander beabstandet sind.
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In 18 ist eine perspektivische Ansicht des als elektrisches Isolationselement 11 ausgebildeten Halteelementes 6 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellblock
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Elektrodenfolienanordnung
- 4
- Zellgehäuse
- 5
- Zellpol
- 6
- Halteelement
- 6.1
- Aussparung
- 6.2
- Trennwand
- 7
- Zellverbinder
- 8
- Druckplatte
- 8.1
- Aussparung
- 9
- Zuganker
- 10
- Schraubenmutter
- 11
- elektrisches Isolationselement
- 12
- Kunststofffolie
- 13
- Temperiervorrichtung
- 14
- Wärmeleitfolie
- 15
- Bügel
