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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren in einem Batteriemodul angeordneten Batteriezellen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Batterie mit einer Spanneinrichtung zur mechanischen Verspannung der Batteriezellen des Batteriemoduls und zumindest einem Isolierelement zur elektrischen Isolierung der Batteriezellen untereinander und/oder gegenüber der Umgebung. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Montage eines Batteriemoduls. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme, an die hohe Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden, zum Einsatz kommen werden.
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Herkömmliche Batterien weisen eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die modulweise in Batteriepacks angeordnet werden. Bei Batteriemodulen beziehungsweise bei Batteriepacks, insbesondere auch bei denen für automobile Anwendungen, können die Batteriezellen durch Zellverbinder miteinander entweder in Reihenschaltung, in Parallelschaltung oder in einer Kombination dieser Schaltungen miteinander verbunden sein. Ein Batteriemodul ist dabei eine funktionelle Anordnung von Batteriezellen, beispielsweise von 6 oder mehr Batteriezellen, die gemeinsame elektrische und/oder mechanische Einrichtungen aufweist.
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So weisen Batteriemodule oft eine Spanneinrichtung auf, durch welche die Batteriezellen des Batteriemoduls als Batteriepack eine gemeinsame mechanische Verspannung erfahren. Eine solche mechanische Verspannung kann insbesondere durch Anpressplatten und Spannbänder der Spanneinrichtung realisiert werden. Durch die mechanische Verspannung wird insbesondere ein unerwünschtes Aufblähen beziehungsweise Anschwellen der Batteriezellen unterbunden oder zumindest minimiert, um Performance und Lebensdauer der Batterien zu erhöhen. Zwar ist auch denkbar, jede einzelne Batteriezelle separat zu verspannen, jedoch ist eine modulweise Verspannung der Batteriezellen oft zu bevorzugen und mit weniger Aufwand verbunden.
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Sofern die Gehäuse der Batteriezellen ein elektrisches Potential besitzen, müssen die einzelnen Batteriezellen im Batteriemodul zueinander elektrisch isoliert verbaut werden. Diese Isolation wird üblicherweise durch Lackieren, Bekleben mit Folien oder durch Isolationsschichten realisiert, die mit zusätzlichen Befestigungselementen fixiert werden müssen. Dies erfordert einen hohen Aufwand.
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Aus der
US 2012/0064387 A1 ist ein Batteriepack bekannt, bei dem ein Isolator formschlüssig zwischen den Batteriezellterminals benachbarter Batteriezellen angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden eine Batterie und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 9 zur Verfügung gestellt.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Batterie mit mehreren in einem Batteriemodul angeordneten Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Dabei umfasst das Batteriemodul eine Spanneinrichtung zur mechanischen Verspannung der Batteriezellen und Isolierelemente zur elektrischen Isolierung der Batteriezellen, wobei eine oder mehrere der Isolierelemente mittels einer Verspannungskraft der mechanischen Verspannung an den Batteriezellen gehalten werden.
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Ferner wird ein Verfahren zur Montage eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt, wobei bei dem Verfahren eine Mehrzahl von Batteriezellen in einer bestimmten Reihenfolge nebeneinander und/oder übereinander angeordnet werden und durch eine mechanische Spanneinrichtung miteinander verspannt werden. Das Verfahren weist Schritte auf, gemäß denen vor Aufbringung einer Verspannungskraft durch die Spanneinrichtung zwischen jeweils zwei Batteriezellen zumindest ein Isolierelement positioniert wird, und die Verspannungskraft aufgebracht wird, so dass dadurch das Isolierelement zwischen den Batteriezellen gehalten wird und die Batteriezellen voneinander und/oder gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Durch die Erfindung wird die Verspannungskraft der mechanischen Verspannung des Batteriemoduls oder Batteriepacks, mittels der die Batteriezellen verspannt werden, dazu ausgenutzt, die Isolierelemente der Batteriezellen oder des Batteriemoduls festzuhalten. Anschaulich gesagt, wird die Klemmkraft der Modulverspannung oder Zellverspannung verwendet, um eine Kontaktnormalkraft aufzubringen, welche die Isolierelemente an den Batteriezellen hält. Dies bedeutet insbesondere auch, dass bei den elektrischen Isolierungen der Batteriezellen oder des Batteriemoduls aufwendige Isolierprozesse wie Lackieren, Bekleben, Einpacken, und so weiter, entfallen können.
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Da die Klemmkraft der Modulverspannung beziehungsweise die Verspannungskraft der Modulverspannung als Klemmkraft genutzt wird, kann somit auf den Einsatz von zusätzlichen Fixierelementen für die Isolierung verzichtet werden. Die Erfindung ersetzt bezüglich der Befestigung von Isolierungen oder Isolierelementen insbesondere die Verwendung von oftmals teuren Isolierwerkstoffen wie selbstklebende Isolierfolie, Isolierlack oder andere Materialien, wodurch Kosten eingespart werden können. Ferner kann auch die Flexibilität beispielsweise hinsichtlich des Zusammenbaus des Batteriemoduls erhöht werden. Es kann das bestehende System zum Verspannen der Module beziehungsweise der Batteriezellen verwendet werden, mit dem die Isolation zwischen den Batteriezellen festgeklemmt wird.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eines der Isolierelemente als Abstandshalter oder Distanzstück zwischen einander benachbarten Batteriezellen angeordnet. Der Abstandshalter kann auch insbesondere am Anfang oder am Ende des Batteriezellstapels zwischen einer Batteriezelle und einem zu der Batteriezelle benachbarten Teil in dem Batteriemodul angeordnet sein.
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Bevorzugt ist dabei das Isolierelement so angeordnet, dass die Batteriezellen an einer Seite teilweise überdeckt werden und ein isolierender Luftspalt zwischen benachbarten Batteriezellen gebildet wird.
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Dies hat den Vorteil, dass die Isolation der Batteriezellen mittels Luftspalt realisiert wird. Beispielsweise werden die Distanzstücke beziehungsweise Isolierelemente zwischen die Batteriezellterminals positioniert. Genauer gesagt, die Distanzstücke können jeweils zwischen einem ersten Batteriezellterminal einer ersten Batteriezelle einerseits und einem zweiten Batteriezellterminal einer benachbarten zweiten Batteriezelle andererseits positioniert sein.
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Die Isolierelemente können aus elektrisch leitfähigem Material, oder auch aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff, gebildet sein.
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Dadurch wird die Flexibilität insbesondere auch hinsichtlich der Verschaltung der Batteriezellen untereinander erhöht. So können beispielsweise sowohl Abstandshalter, die elektrisch leitend sind, als auch welche, die aus Kunststoff sind, jeweils zwischen benachbarte Batteriezellen positioniert werden. Dadurch kann auf besonders einfache Weise ein sicherer und komfortabler Zusammenbau wahlweise einer Reihenschaltung, einer Parallelschaltung oder einer Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung realisiert werden.
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Ferner kann das Batteriemodul ein oder mehrere Kontaktierelemente zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen, insbesondere zum untereinander Kontaktieren der Batteriezellen, umfassen. Die Kontaktierelemente können insbesondere jeweils baulich abgeschirmt zwischen zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet sein und werden mittels der Verspannungskraft an den Batteriezellen gehalten. Die Kontaktierelemente können somit vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Isolierelementen kombiniert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei denen die Isolierelemente sich in dem Bereich der Batteriezellterminals erstrecken. Stattdessen können die Isolierelemente auch so geformt sein, dass sie sich auf einer Batteriezellseite ausschließlich oder auch in einem Bereich erstrecken, in dem kein Batteriezellterminal vorhanden ist. Ferner können die Isolierelemente auch mit einer Aussparung oder einem Loch geformt und derart angeordnet sein, dass eine elektrische Kontaktierung der Batteriezellen durch die Aussparung oder das Loch hindurch erfolgen kann. Beispielsweise können sich die Batteriezellterminals zweier benachbarter Batteriezellen durch eine an dem Isolierelement vorhandenen Aussparung hindurch erstrecken oder durch diese Aussparung hindurch kontaktiert werden.
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Bei einer solchen Ausführungsform, bei der mittels der insbesondere flächig ausgebildeten Isolierelemente eine Isolationsschicht zwischen den Batteriezellen bereitgestellt wird, kann anschaulich gesagt ein einfacher sandwichartiger Aufbau bei der Montage des Batteriemoduls angewandt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Isolierelemente beziehungsweise die Distanzstücke durch die Batteriezellterminals zentriert. Die Erfindung ist aber nicht auf eine solche Ausführung beschränkt.
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Die Erfindung kann vielmehr bei Batteriezellen mit im Prinzip beliebiger Form und Gestaltung der Batterieterminals eingesetzt werden.
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Insgesamt erfolgt durch die Erfindung daher eine Qualitätsverbesserung, da Isolationsfehler einfacher zu vermeiden sind als beispielsweise bei Lackier- oder Beschichtungsprozessen.
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Die Form und Ausgestaltung der Isolierelemente kann an die jeweils vorliegenden Gegebenheiten angepasst werden. Die Isolierelemente können bevorzugt beispielsweise einfache Kunststoffformteile beziehungsweise Spitzgussteile sein.
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Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eines der Isolierelemente dazu geformt, eine Batteriezelle an mehr als einer Batteriezellseite, insbesondere sowohl an einer zu einer anderen Batteriezelle direkt benachbarten Batteriezellseite als auch an einer dazu senkrecht verlaufenden und nicht zu einer benachbarten Batteriezelle direkt benachbarten Batteriezellseite, abzudecken.
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Dadurch kann besonders vorteilhaft gleichzeitig eine Zellisolierung sowie ein Berührschutz zwischen Batteriemodul und Umgebung bereitgestellt werden.
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Nach einer Weiterbildung können die Isolierelemente insbesondere derart ausgeformt sein, dass eine vollständige Isolierung der Batteriezelloberfläche erfolgt, wobei die Zellisolierung zwischen den Batteriezellen festgeklemmt wird. Dabei umschließt die Isolierung bevorzugt die zusätzlich freiliegenden, äußeren Seitenflächen der Batteriezellen.
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Dadurch kann das gesamte Batteriemodul derart geschützt werden, dass ein kompletter Berührschutz ohne weitere Fertigungsschritte realisiert werden kann.
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Die Form der Batteriezellen ist erfindungsgemäß nicht auf eine bestimmte äußere Gestalt beschränkt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Erfindung bei Batteriezellen eingesetzt, die derart geformt sind, dass an zwei Batteriezellseiten ein und derselben Batteriezelle sowohl ein positives Batteriezellterminal als auch ein negatives Batteriezellterminal vorhanden ist. Somit sind bei dieser besonderen Ausführungsform vier Batteriezellterminals vorhanden, von denen jeweils zwei ein und dieselbe Polarität haben und bevorzugt durch eine Leitung innerhalb der Batteriezelle untereinander kurzgeschlossen sind.
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Dabei können die Batteriezellen derart angeordnet sein, dass ein elektrischer Kontakt bestimmter Batteriezellterminals benachbarter Batteriezellen direkt oder mit einem der Kontaktierelemente dazwischen erfolgt.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, zur Verfügung gestellt, das einen Elektromotor und die erfindungsgemäße Batterie zur Versorgung des Elektromotors aufweist.
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Bevorzugt weist die beanspruchte Batterie Lithium-Ionen-Batteriezellen auf.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer Batterie von beispielhaft zwei Batteriezellen, die mit einem Isolierelement als Abstandshalter und einem Kontaktierelement ausgestattet ist, die auf erfindungsgemäße Weise mittels einer Verspannungskraft zwischen den Batteriezellen gehalten werden, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktierelements zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen nach der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Isolierelements, nach der ersten Ausführungsform der Erfindung,
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4 eine Schnittansicht einer Batterie mit Batteriezellen und jeweils zwischen den Batteriezellen angeordneten erfindungsgemäßen Isolierelementen, die auf erfindungsgemäße Weise mittels einer Verspannungskraft zwischen den Batteriezellen gehalten werden, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine stark schematisierte perspektivische Explosionsdarstellung des Zusammenbaus des Batteriemoduls gemäß der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung, an der der sandwichartige Aufbau des Batteriemoduls mit Batteriezellen und dazwischenliegenden Isolierelementen besser erkennbar ist,
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6 eine Schnittansicht einer Batterie mit Batteriezellen und jeweils zwischen den Batteriezellen angeordneten Isolierelementen, die auf erfindungsgemäße Weise mittels einer Verspannungskraft zwischen den Batteriezellen gehalten werden und derart ausgebildet sind, dass das Batteriemodul vollumfänglich abgedeckt wird, nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
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7 eine stark schematisierte perspektivische Explosionsdarstellung des Zusammenbaus des Batteriemoduls gemäß der in 6 gezeigten dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Schnittansicht einer Batterie 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dabei sind in der 1 der Übersicht halber nur zwei Batteriezellen 11 dargestellt, an deren Beispiel gezeigt wird, wie die Verspannungskraft F auf die Batteriezellen 11 wirkt. Jede der Batteriezellen 11 in der gezeigten besonderen Ausführungsform weist an ihren beiden Seiten, also auf der jeweiligen Vorderseite und auf der jeweiligen Rückseite, jeweils sowohl ein positives Batteriezellterminal 16, 17 als auch ein negatives Batteriezellterminal 18, 19 als elektrische Ausgänge 12 auf.
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Dabei sind gleichpolige, auf verschiedenen Seiten der Batteriezelle 11 angeordnete Batteriezellterminals intern durch die Batteriezelle 11 miteinander verbunden und bilden somit ein doppeltes Batteriezellterminal mit gemeinsamer Polarität aus, das sich nach beiden Seiten erstreckt, wie in der Zeichnung durch die gestrichelten Linien angedeutet. Wie in der 1 gezeigt wird, ist das vordere positive Batteriezellterminal 16 mit dem hinteren positiven Batteriezellterminal 17 verbunden, und das vordere negative Batteriezellterminal 18 ist mit dem hinteren negativen Batteriezellterminal 19 verbunden.
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Dadurch können die Batteriezellen 11 auf besonders einfache Weise in beliebiger Reihenschaltung oder Parallelschaltung miteinander verschaltet werden. Gemäß der in 1 gezeigten Orientierung stehen sich in der Hintereinander-Anordnung der Batteriezellen 11 jeweils ein positives Batteriezellterminal 16, 17 und ein negatives Batteriezellterminal 18, 19 gegenüber, so dass hier eine Reihenschaltung durchgeführt werden kann. Dies wird zum einen durch das als Abstandshalter angeordnete erfindungsgemäße Isolierelement 14 und zum anderen durch das erfindungsgemäße Kontaktierelement 21 zwischen den Batteriezellen 11 erreicht. Genauer gesagt fungieren hier sowohl das Isolierelement 14 als auch das Kontaktierelement 21 als Abstandshalter. Dadurch wird ein Luftspalt 15 zwischen den Batteriezellen 11 ausgebildet, über den die beiden Batteriezellen 11 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Sowohl das Isolierelement 14 als auch das Kontaktierelement 21 sind jeweils durch die Verspannungskraft F zwischen den Batteriezellen 11 geklemmt und werden dadurch an den beziehungsweise zwischen den Batteriezellen 11 festgehalten. Wie ferner gezeigt wird, weisen die Batteriezellterminals 16, 17, 18, 19 hier besondere, sich komplementär ergänzende Konturen auf, was insbesondere eine Zentrierung und/oder Verschaltung erleichtern kann. Die Erfindung ist aber nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. So sind unter anderem auch Batteriezellen 11 mit glatten Seiten denkbar, an denen beziehungsweise zwischen denen die erfindungsgemäßen Isolierelemente 14 gehalten werden, oder Batteriezellen 11 mit anders geformten und angeordneten Batteriezellterminals. In der hier gezeigten Ausführungsform nach 1 ist das Kontaktierelement 21 aus elektrisch leitendem Material ringförmig ausgebildet.
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In 2 wird eine perspektivische Ansicht des ringförmigen elektrischen Kontaktierelements 21 gezeigt.
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In einer erweiterten Variante kann das Kontaktierelement 21 auch als Spannungsabgriff ausgebildet sein und mit einer daran angeschlossenen elektrischen Leitung (in der Zeichnung nicht dargestellt) versehen sein. Ferner kann das Kontaktierelement 21 in anderen Ausführungsformen auch kreisförmig statt ringförmig sein, oder konisch und/oder mit einer Zentrierung, oder rechteckig oder flächig, insbesondere mit einer Aussparung, geformt sein.
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In der 3 wird eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Isolierelements 14 nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Isolierelement 14 ist in dieser besonderen Ausführungsform rund und mit einer Vertiefung ausgestaltet und aus elektrisch isolierendem Material gebildet. Nach anderen Ausführungsformen der Erfindung ist das Isolierelement 14 beispielsweise flächig, insbesondere mit Aussparung, rechteckig, ringförmig, oder in anderen Formen ausgestaltet.
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In der 4 wird eine Schnittansicht einer Batterie 40 mit Batteriezellen 11 und jeweils zwischen den Batteriezellen 11 angeordneten erfindungsgemäßen Isolierelementen 41, die auf erfindungsgemäße Weise mittels einer Verspannungskraft F zwischen den Batteriezellen 11 gehalten werden, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform nach 1 sind die Isolierelemente 41, die eine Isolationsschicht zwischen den Batteriezellen 11 bilden, indem sie zwischen die Batteriezellen 11 geklemmt und an diesen gehalten werden, flächig ausgebildet und die Batteriezellen 11 jeweils von einer Seite her großflächig bedeckt.
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Jedes der Isolierelemente 41 ist mit einer Aussparung 42 versehen, die zur gegenseitigen leitenden Kontaktierung der Batteriezellterminals 16, 17, 18, 19 dient. Die Batteriezellterminals 16, 17, 18, 19 jeder Batteriezelle 11 in 4 entsprechen denen in 1, wobei der Übersicht halber in der 4 jedoch nur ein Satz von Batteriezellterminals 16, 17, 18, 19 an einer Batteriezelle 11 stellvertretend mit Bezugszeichen bezeichnet wird.
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Die Isolierelemente 41 sind hier in dieser Ausführungsform aus Kunststoff gebildet. Die Batteriezellen 11 und die Isolierelemente 41 mit den Aussparungen 42 sind in der zweiten Ausführungsform derart orientiert, dass dadurch eine Reihenschaltung aus den Batteriezellen 11 gebildet wird. Bei anderen Ausführungsformen können, um die Reihenschaltung zu realisieren, beispielsweise auch Batteriezellen 11 eingesetzt werden, die jeweils nur ein Batteriezellterminal 11 auf der Vorderseite und der Rückseite haben. Der Vorteil solcher Batteriezellen 11 ist auch, dass aufgrund deren besonderer Form und Anordnung insbesondere ein Zellverbinder entfallen kann.
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Die 5 zeigt eine stark schematisierte perspektivische Explosionsdarstellung des Zusammenbaus des Batteriemoduls der zweiten Ausführungsform. Dabei ist der sandwichartige Aufbau gut zu erkennen.
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Die 6 zeigt eine Schnittansicht einer Batterie 60 mit Batteriezellen 11 und jeweils zwischen den Batteriezellen 11 angeordneten erfindungsgemäßen Isolierelementen 61, die auf erfindungsgemäße Weise mittels einer Verspannungskraft zwischen den Batteriezellen 11 gehalten werden.
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Im Unterschied zu 4 und 5 sind die Isolierelemente 61 der dritten Ausführungsform der Erfindung nach 6 derart ausgebildet, dass sie insgesamt das Batteriemodul im Wesentlichen vollumfänglich abdecken, wodurch auf besonders sichere Weise eine elektrische Isolierung und ein guter Schutz vor Berührung bereitgestellt werden. Wie in 6 skizziert, sind die Isolierelemente 61 anschaulich gesagt als jeweils an einer Seite offene Boxen mit einer Aussparung 42 am Boden, ähnlich wie die Aussparungen nach 4 und 5, gebildet.
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7 zeigt eine stark schematisierte perspektivische Explosionsdarstellung des Zusammenbaus des Batteriemoduls gemäß der in 6 gezeigten dritten Ausführungsform der Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0064387 A1 [0006]
