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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie mit einer Mehrzahl von aufgestapelten Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Hochvoltbatterie.
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Unter einer Hochvoltbatterie bzw. Hochspannungsbatterie ist dabei gemäß der Definition in der EC100 eine Batterie zu verstehen, deren Bauteile mit Spannungen in der Größenordnung zwischen 30 V und 1000 V (Wechselstrom) oder 60 V und 1500 V (Gleichstrom) beaufschlagt sind. Derartige Batterien, welche insbesondere als Traktionsbatterien in Fahrzeugen eingesetzt werden können, sind typischerweise aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut.
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In der
DE 10 2008 034 867 A1 ist beispielsweise eine gattungsgemäße Batterie beschrieben. Die dort beschriebene Batterie, bei welcher es sich ebenfalls um eine Hochvoltbatterie handelt, hat wenigstens eine Kühlplatte, welche mit den mit den Zellpolen verbundenen Ableiterfahnen in thermischem Kontakt steht. Hierfür werden die Ableiterfahnen typischerweise abgewinkelt oder über einen seinerseits abgewinkelten Zellverbinder in der gewünschten Art und Weise elektrisch kontaktiert. Diese dann parallel zur Oberfläche eines Stapels von Batterieeinzelzellen verlaufenden Bereiche der elektrischen Kontaktierung werden über eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Zwischenschicht mit einer oder mehreren Kühlplatten verbunden, welche zur Temperierung der Batterie dienen, und insbesondere in der Batterie entstehende Abwärme unmittelbar über die elektrisch und thermisch leitenden Zellpole zur Kühlplatte abführen.
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In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass die Kühlung der Batterieeinzelzellen durchaus eine Herausforderung ist. Ziel der hier vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Hochvoltbatterie anzugeben, welche eine gegenüber der gattungsgemäßen Batterie verbesserte Kühlung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Hochvoltbatterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung einer derartigen Hochvoltbatterie genannt.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie ist es nun vorgesehen, dass der parallel zur Kühlplatte verlaufende Abschnitt des Zellverbinders oder der miteinander verbundenen Ableiterfahnen größer ist, als der Abstand zwischen den Austrittsstellen von zwei aus benachbarten Batterieeinzelzellen kommenden Ableiterfahnen, jeweils in Stapelrichtung gesehen. Dieser Aufbau variiert den Stand der Technik, bei welchem die Ableiterfahnen typischerweise im rechten Winkel abgekantet oder mit einem U-förmig abgekanteten Zellverbinder verbunden werden, dahingehend, dass er den parallel zur Kühlplatte verlaufenden Abschnitt entsprechend größer ausführt. Dies kann beispielsweise durch ein Abkanten der Ableiterfahnen in einem von 90° abweichenden Winkel in Richtung der benachbarten Batterieeinzelzellen erfolgen. Hierdurch entsteht eine Aufweitung, sodass in dem parallel zur Kühlplatte verlaufenden Abschnitt der Ableiterfahnen oder des Zellverbinders eine größere Breite des Aufbaus vorliegt, als der Abstand zwischen den austretenden Polen ist. Da die Batterieeinzelzellen innerhalb des Zellstapels typischerweise in Reihe miteinander verschaltet werden, ist dies im Normalfall problemlos möglich, da benachbart zu den beiden miteinander verbundenen Ableiterfahnen jeweils keine Verbindung stattfindet, sodass der Raum hierfür gegeben ist. Durch den breiteren parallel zur Kühlplatte verlaufenden Abschnitt wird dann jedoch die Anlagefläche der miteinander verbundenen Ableiterfahnen an der Kühlplatte entsprechend erhöht, sodass eine verbesserte Kühlung der Zellpole und damit letztlich der Zellchemie im Inneren der Batterieeinzelzellen erzielt werden kann. Dies kann typischerweise bauraumneutral und mit minimalem zusätzlichem Aufwand hinsichtlich der Montage realisiert werden.
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Wie bereits erwähnt können die Ableiterfahnen ausgehend von der Batterieeinzelzelle zuerst in einem ersten von 90° abweichenden Winkel, welcher vorzugsweise zwischen den den Winkel einschließenden Teilen der Ableiterfahne cirka 120–150, vorzugsweise ca. 130–140° beträgt, abgekantet sein. Die Ableiterfahnen verlaufen also typischerweise senkrecht auf der Batterieeinzelzelle an der Austrittsstelle heraus und sind dann zur benachbarten Zelle hin abgebogen, sodass sich ein im Hinblick auf die untereinander zu verbindenden Batterieeinzelzellen sich öffnender Winkel ergibt. Sie sind dann über einen passenden Zellverbinder oder durch ein erneutes Abkanten in die parallele Richtung, wobei der zwischen den Teilen der Ableiterfahne eingeschlossene Winkel dann kleiner als 90° ist, umgebogen. Hierdurch entsteht im Querschnitt der beiden miteinander verbundenen Ableiterfahnen ein Aufbau, welcher auch als „Elefantenfuß” oder „Schwalbenschwanz” bezeichnet werden könnte. Der Effekt ist eine verbreiterte Anlagefläche an der Kühlplatte, welche in Stapelrichtung entsprechend breiter ist, als es der Abstand zwischen den Austrittsstellen der jeweiligen Ableiterfahnen aus den benachbarten Batterieeinzelzellen wäre.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie kann es dabei vorgesehen sein, dass die Batterieeinzelzellen zwischen Halterahmen aufgenommen sind, wobei jeder der Halterahmen im Bereich eines der Ableiterfahnen-Paare von zwei benachbarten Batterieeinzelzellen der abgewinkelten Kontur der beiden Ableiterfahnen des Ableiterfahnen-Paares folgend ausgebildet ist. Der Halterahmen kann also im Bereich der Ableiterfahnen so ausgebildet sein, dass er die Kontur unterstützt, er ist also seinerseits ebenfalls als „Elefantenfuß” in diesem Bereich mit einer Aufweitung versehen. Hierdurch werden die Ableiterfahnen ideal durch den Halterahmen unterstützt und können vorzugsweise im Bereich des Halterahmens beispielsweise durch Ultraschallschweißung, Laserschweißung, Widerstandspressschweißung oder auch durch formschlüssige Verfahren wie Toxen, Clinchen, Krimpen, Nieten oder dergleichen untereinander verbunden werden. Der Halterahmen in diesem Bereich unterstützt dabei die Ableiterfahnen und reduziert so die mechanische Belastung auf diese.
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Vorzugsweise ist die Hochvoltbatterie dabei so aufgebaut, dass die Ableiterfahnen des jeweiligen Zellpols auf gegenüberliegenden Seiten aus den Batterieeinzelzellen hervortreten, sodass auf jeder der Seiten eine Kühlplatte angeordnet ist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient in der Montage, da er die maximalen Freiräume bei der Montage ermöglicht, da die Ableiterfahnen der jeweiligen Zellpole nicht nebeneinander, wie es durchaus auch möglich und üblich ist, sondern auf gegenüberliegenden Seiten der Batterieeinzelzellen austreten. Hierdurch ist eine sehr einfache und effiziente Montage möglich. Durch die zwei getrennten Kühlplatten kann dann eine vergleichsweise große Kühlleistung realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie lässt sich entsprechend einfach und effizient aufbauen und sehr gut kühlen. Sie ist daher insbesondere als Traktionsbatterie für ein elektrisch angetriebenes oder teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug geeignet. In diesem Einsatzzweck liegt dann auch ihre bevorzugte Verwendung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer Hochvoltbatterie in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 eine Schnittdarstellung durch die Hochvoltbatterie gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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3 ein vergrößertes Detail aus der Darstellung in 2;
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4 eine Explosionsdarstellung eines Teils der Hochvoltbatterie gemäß 2;
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5 eine Explosionsdarstellung der Batterieeinzelzellen in dem Aufbau gemäß 2;
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6 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform der Hochvoltbatterie;
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7 ein vergrößertes Detail aus der Darstellung gemäß 6;
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8 eine Darstellung analog zur 5 in der zweiten Ausführungsform der Hochvoltbatterie;
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9 eine dreidimensionale Darstellung eines Halterahmens und eines Zellverbinders aus dem Aufbau gemäß 6; und
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10 einen Aufbau analog zur Darstellung in 9 mit eingesetzten Batterieeinzelzellen.
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In der Darstellung der 1 ist eine Hochvoltbatterie 1 in Form eines Stapels von Batterieeinzelzellen 2, welche in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen sind, dargestellt. Der Stapel der Batterieeinzelzellen 2 besteht aus den gesagten Batterieeinzelzellen 2 und dazwischen angeordneten Zellhaltern 3, welche zwischen zwei Druckbrillen 4 bzw. als Druckbrillen 4 mitgenutzten Zellhaltern verspannt sind. Seitlich sind zwei Kühlplatten 5 an der Hochvoltbatterie 1 zu erkennen, welche zur Temperierung, insbesondere zur Abfuhr von Abwärme aus der Hochvoltbatterie 1 dienen. Sie können hierfür von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium oder dem Kältemittel einer Klimaanlage durchströmt werden. Sie stehen in an sich bekannter Art und Weise mit darunterliegenden in der Darstellung der 1 nicht erkennbaren Ableiterfahnen 6 bzw. Zellverbindern 7 in thermischem Kontakt, welche ihrerseits mit den Zellpolen 8 der Batterieeinzelzellen verbunden sind. Dieser Aufbau lässt sich in einer ersten möglichen Ausführungsform der Hochvoltbatterie 1 gemäß der Erfindung in der Darstellung der 2 erkennen. In der 2 oben ist die eine der Kühlplatten 5 zu erkennen, welche über eine zwischengelegte Wärmeleitfolie 9, welche für Wärme sehr gut leitend und elektrisch isolierend ausgebildet ist, mit den Ableiterfahnen 6 verbunden. Die Ableiterfahnen 6 ihrerseits sind mit der Zellchemie im Inneren der Batterieeinzelzellen 2, also mit den Zellpolen 8, entsprechend verbunden. Dies ist beispielhaft an einer der Batterieeinzelzellen 2 dargestellt. Die in 2 dargestellten Batterieeinzelzellen sind dabei als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet. Die elektrochemisch aktiven Materialen, ein mit Elektrolyt getränkter Stapel aus Anoden, Kathoden und dazwischen angeordneten Separatoren, ist in einer Art Folienbeutel eingeschweißt, welcher lediglich im Bereich von mit 10 bezeichneten Austrittsstellen von den Zellpolen 8 bzw. Ableiterfahnen 6 durchdrungen wird. Um die mechanisch vergleichsweise empfindlichen Pouch-Zellen entsprechend zu haltern, sind die Batterieeinzelzellen 2 zwischen den mit 3 bezeichneten Zellhaltern eingeklemmt, vorzugsweise so, dass im Bereich der Zellhalter beispielsweise über eine Dichtmasse ein elastisches Material oder dergleichen, welches in der Darstellung mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, die Ränder der als Pouch-Zellen ausgebildeten Batterieeinzelzellen entsprechend eingeklemmt werden. In der Darstellung der 2 sind dabei sieben Zellhalter 3 und zwei Druckbrillen 4 zu erkennen, welche die insgesamt acht Batterieeinzelzellen zwischen sich aufnehmen. Im Bereich der Druckbrillen 4 ist dabei jeweils ein „halber” Zellhalter mit eingebaut. Der Aufbau wird über Schrauben bzw. Zuganker 12 entsprechend verspannt.
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Die Ableiterfahnen 6 jeder der Batterieeinzelzellen 2, und damit auch ihre Zellpole 8, sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass sie auf gegenüberliegenden Seiten ihre Austrittspunke 10 aus dem Material der Batterieeinzelzellen 2 bzw. der Folie haben. In der Darstellung der 2 ist dies oben und unten angedeutet. Der Aufbau ist dabei oben und unten weitgehend symmetrisch, wobei es so ist, dass die Zellhalter 3 zwar identisch ausgeführt, jedoch umgekehrt positioniert aufgestapelt sind. Der erste, rechts in der Darstellung der 2 zu erkennende Zellhalter 3, weist deshalb an seinem oberen Ende eine Verdickung 13 auf, welche im Querschnitt auch Elefantenfuß bezeichnet werden könnte. Auf seinem unteren Ende in der Darstellung der 2 weist er entsprechend einen zentralen Steg 14 auf, neben welchem rechts und links jeweils Ausnehmungen zu sehen sind. Der nächste in der Darstellung der 2 zweite Zellhalter 3 von rechts aus gesehen, ist genau umgekehrt angeordnet und weist die Verdickung 13 unten und den zentralen Steg 14 oben auf. Dies setzt sich dann in der weiteren Stapelung entsprechend so fort.
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Der exakte Aufbau und Verlauf der Ableiterfahnen 6 ist in der Darstellung der 3, einem vergrößerten Ausschnitt analog zur Darstellung in 2, nochmals besser zu erkennen. Von oben nach unten sind in der Darstellung der 3 die Kühlplatte 5, die Wärmeleitfolie 9 und drei nebeneinander angeordnete Zellhalter 3 zumindest teilweise zu erkennen. Zwei Batterieeinzelzellen 2 ragen von unten zwischen das elastische Material 11 von jeweils zwei benachbarten Zellhaltern 3 und werden entsprechend festgeklemmt. Aus dem Material der Batterieeinzelzellen 2 bzw. in ihrer Umhüllung treten im Bereich von zwei Austrittsstellen 10 die Zellpole 8 bzw. die mit ihnen verbundenen Ableiterfahnen 6 aus. Die beiden Ableiterfahnen sind dann jeweils nach außen in Richtung der benachbarten Batterieeinzelzellen 2 bzw. Zellhalter 3 hin schräg abgekantet, bevor sie in einer zweiten Abkantung in die Richtung parallel zu der Kühlplatte 8 geführt sind. Am Beispiel der Ableiterfahne 6 der rechten Batterieeinzelzelle 2 in der Darstellung der 3 sind diese Bereiche mit 6.1, 6.2 und 6.3 bezeichnet. Zwischen dem ersten Teil 6.1 und dem zweiten Teil 6.2 ist ein Winkel in der Größenordnung von ca. 130–140° eingeschlossen. Zwischen den beiden Teilen 6.2 und 6.3 schließt sich ein Winkel in der Größenordnung von ca. 45° ein. Durch diesen Aufbau von beiden an der elektrischen Kontaktierung der Batterieeinzelzellen 2 beteiligten Ableiterfahnen kommt es nun dazu, dass diese in dem sich überlappenden Bereich einfach und effizient miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, Laserschweißen oder dergleichen. Damit ist eine elektrische Kontaktierung der beiden Ableiterfahnen 6 erreicht. Wie es durch die Pfeile in der Darstellung der 3 angedeutet ist, werden die Ableiterfahnen dann in ihren parallel zu der Kühlplatte 5 verlaufenden Bereich durch die gegen den Aufbau aus den Zellhaltern 3 und den Batterieeinzelzellen 2 gedrückte Kühlplatte 5 entsprechend kontaktiert und können so einen guten thermischen Kontakt zur Kühlplatte aufbauen. Eine gute und effiziente Kühlung der über die Ableiterfahnen 6 und die Zellpole 8 unmittelbar hiermit verbundenen Zellchemie im Inneren der Batterieeinzelzellen 2 wird somit möglich. Der Aufbau, bei welchem zuerst eine Abkantung nach außen und dann ein Zurückkanten in die parallel zur Kühlplatte 5 verlaufende Form der Ableiterfahnen erfolgt, ermöglicht dabei eine vergleichsweise große Anlagefläche. Insbesondere ist die Anlagefläche von den beiden äußeren Abkantungen zwischen den Teilen 6.2 und 6.3 gekennzeichnet. In der Darstellung der 3 ist dies mit der Länge L angegeben. Diese Länge L ist bei dem hier dargestellten Aufbau insbesondere größer als der Abstand I zwischen den beiden Austrittsstellen 10 der Ableiterfahnen 6 aus den Batterieeinzelzellen 2. Der Aufbau weitet sich also nach außen entsprechend auf und ermöglicht so unter Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums eine vergrößerte Anbindung der Ableiterfahnen 6 an die Kühlplatte 5.
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In der Darstellung der 4 ist dieser Aufbau nochmals in einer Explosionsdarstellung mit einem der Zellhalter 3 und zwei der Batterieeinzelzellen 2 mit noch nicht abgekanteten Ableiterfahnen 6 zu erkennen. Die Verdickung 13 des Zellhalters 3 ist dabei im oberen Ende und der zentrale Steg 14 im unteren Ende des Zellhalters 3 dargestellt.
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In der Darstellung der 5 wird nochmals auf die Art der Abkantung der Ableiterfahnen eingegangen, ebenfalls in einer teilweisen Explosionsdarstellung des Schnittbilds gemäß 2, wobei hier lediglich die Batterieeinzelzellen mit ihren Ableiterfahnen 6 nochmals dargestellt sind. Es ist zu erkennen, wie die Abkantung erfolgen muss, sodass beim Aufstapeln ein Überlappen zwischen den Ableiterfahnen 6 auftritt, welcher eine Kontaktierung und eine große Anlagefläche an der Kühlplatte 5 erlaubt.
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In der Darstellung der 6 ist ein alternativer Aufbau analog zur Darstellung in 2 zu erkennen. Die Kühlplatten 5, welche hier nicht im Bereich einer der Leitungen für das Kühlmedium geschnitten sind, ansonsten aber dem Aufbau in 2 entsprechen, befinden sich wiederum oben und unten und sind über die Wärmeleitfolie 9 entsprechend mit dem Inneren der Batterieeinzelzellen 2 mittelbar verbunden. Die Ableiterfahnen 6 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sehr kurz ausgebildet und werden über einen Zellverbinder 7 miteinander verbunden. Analog zu den vorhergehenden Figuren ist ein vergrößerter Ausschnitt wiederum in der Darstellung der 7 zu erkennen. Letztlich ist der Aufbau in etwa der gleiche, bei dem ebenfalls eine vergleichsweise große Länge L, in diesem Fall durch den Zellverbinder 7, zur Kontaktierung mit der Kühlplatte 5 bereitgestellt wird, während der Abstand zwischen den Austrittsstellen I entsprechend kleiner ist. Ansonsten ist der Aufwand hinsichtlich der Abkantung hier geringer, da die Zellableiter entsprechend kürzer ausgeführt und lediglich einmal abgekantet werden. Sie werden dann mit Zellverbindern verbunden, welche zwei Abkantungen aufweisen, sodass letztlich ein dem Aufbau gemäß den vorhergehenden Figuren ähnlicher Aufbau entsteht.
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Analog zu Darstellung in 5 ist in der Darstellung der 8 dieser Aufbau nochmals in einer teilweisen Explosionsdarstellung der Batterieeinzelzellen 2 alleine dargestellt.
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Eine weitere Besonderheit bei diesem Aufbau ergibt sich aus den 9 und 10. Beim Einsatz der Zellverbinder 7 kann es nun so sein, dass der Zellverbinder 7, welcher in der Darstellung der 9 in einer dreidimensionalen Ansicht zusammen mit einem der Halterahmen 3 zu erkennen ist, parallele in Stapelrichtung der Batterieeinzelzellen 2 verlaufende Ausnehmungen aufweist, welche in der Darstellung der 9 mit dem Bezugszeichen 15 versehen sind. Diese Ausnehmungen 15 finden ihre Entsprechung auch im Bereich der Verdickung 16, sodass ein Aufbau entsteht, bei welchem durch die Ausnehmungen 15 und 16 ein Zugriff auf Teile des Inneren des Zellverbinders 7 möglich sind. Wird der Aufbau nun analog zu den vorhergehenden Figuren durch die Batterieeinzelzellen 2 bzw. ihre Ableiter 6 komplettiert, was in der dreidimensionalen Darstellung der 10 zu erkennen ist, dann wird es möglich, mit einem Schweißwerkzeug, beispielsweise einem Ultraschallschweißwerkzeug, in die Ausnehmungen 15, 16 einzudringen und im Bereich der grauen Punkte in der Darstellung der 10 eine Verschweißung der Ableiterfahne 6 mit dem Zellverbinder 7 entsprechend vorzunehmen. Der Aufbau wird dadurch außerordentlich einfach und effizient in der Montage. Die so aufgestapelten und jeweils mit den entsprechenden Zellverbindern 7 verschweißten Batterieeinzelzellen können dann analog zur Darstellung in 6 aufgestapelt und mit den Kühlplatten 5 kontaktiert werden.
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Die in allen Figuren dargestellte Kontaktierung stellt dabei eine Parallelschaltung der Batterieeinzelzellen dar, wenn davon ausgegangen wird, dass in den Darstellungen der 2 und 6 abwechselnd die Plus- und Minuspole 8 der Batterieeinzelzellen 2 jeweils oben bzw. unten liegen. Bei umgekehrter Anordnung wäre eine Parallelverschaltung innerhalb der Hochvoltbatterie 1 ebenso möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034867 A1 [0003]
