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Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine elektrische Batterie mit einem aus mehreren elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen gebildeten Zellstapel, wobei jede Einzelzelle mittels zumindest eines, die Einzelzelle zumindest abschnittsweise umgebenden Zellrahmens in dem Zellstapel gehalten ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrische Batterien, insbesondere so genannte Hochleistungs- oder Hochvoltbatterien, bekannt, welche einen aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellstapel umfassen. Solche Batterien werden als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, verwendet. Sie sind beispielsweise auf der Basis von Einzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet.
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Die Einzelzellen des Zellstapels sind insbesondere als Flachzellen ausgebildet und werden zu dem Zellstapel aufgestapelt und elektrisch miteinander kontaktiert. Um den Zellstapel mechanisch zu stabilisieren, wird dieser mittels Zugankern verspannt, so dass ein mechanisch stabiler Aufbau entsteht. Die eingesetzten Einzelzellen sind beispielsweise als so genannte Coffeebag- oder Pouchzellen ausgebildet, bei welchen ein Elektrodenstapel zwischen Folien eingeschweißt ist, um diesen gegenüber der Umgebung abzudichten. Den Elektrodenstapel umlaufend ist bei einer derartigen Pouchzelle ein verschweißter Bereich der Folien ausgebildet, durch welchen elektrische Kontaktfahnen der Einzelzelle hindurchragen. Dieser umlaufende verschweißte Bereich ist zwischen einzelnen Zellrahmen mittels einer Klemmverbindung angeordnet, wodurch eine mechanische Stabilisierung erreicht wird. Mehrere der Einzelzellen werden dann in der beschriebenen Art und Weise mittels der Zuganker zum Zellstapel verspannt.
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Ein solches Verspannen eines Zellstapels der Einzelzellen mittels Zugankern beschreibt die
DE 10 2010 013 002 A1 . Die einzelnen Rahmen oder Rahmenteile sowie die Einzelzellen werden aufgestapelt und bis zum Einbringen der Zuganker mechanisch in ihrer Position gehalten, wobei das Einfädeln der Zuganker durch Bohrungen in den Rahmen erfolgt. Alternativ dazu werden die Rahmen auf die Zuganker aufgefädelt.
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Aus der
DE 10 2012 018 043 A1 ist eine elektrische Batterie mit einem Zellstapel aus Einzelzellen bekannt, wobei jede Einzelzelle einen in Folie eingeschweißten Elektrodenstapel aufweist und jede Einzelzelle einen Zellrahmen aufweist, der den in Folie eingeschweißten Elektrodenstapel entlang zumindest eines Abschnitts an dessen äußeren Umfang trägt, wobei der Zellrahmen auf die Folie aufgespritzt, aufgegossen oder aufgeschäumt ist.
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In der älteren Anmeldung
DE 10 2013 017 355.8 ist eine Rahmenanordnung zur Aufnahme von Einzelzellen beschrieben. Die Rahmenanordnung weist zumindest zwei Zellrahmen auf, die in einer Gebrauchsanordnung an ihren Stirnflächen aneinander kontaktiert sind, wobei jeweils eine Einzelzelle zwischen zwei benachbarten Zellrahmen aufgenommen ist. Jeder Zellrahmen weist zumindest an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils zumindest ein nach außen weisendes Verbindungselement auf. Die Rahmenanordnung weist ferner jeweils zumindest einen Verbindungsriegel zur Anordnung an den Verbindungselementen der Seitenflächen der aneinander angeordneten Zellrahmen in der Gebrauchsanordnung auf. Dabei weist jeder Verbindungsriegel Eingriffselemente auf, die in Position und Form zu den Verbindungselementen der jeweiligen Seite der aneinander angeordneten Zellrahmen in der Gebrauchsanordnung korrespondierend ausgebildet sind. Ferner sind ein Stackpaket sowie ein Montage- und Demontageverfahren dafür beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Zellblock für eine elektrische Batterie und eine verbesserte elektrische Batterie anzugeben.
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Hinsichtlich des Zellblocks wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der elektrischen Batterie durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine elektrische Batterie mit einem aus mehreren elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen gebildeten Zellstapel, wobei jede Einzelzelle mittels zumindest eines, die Einzelzelle zumindest abschnittsweise umgebenden Zellrahmens in dem Zellstapel gehalten ist. Erfindungsgemäß ist an zumindest einer äußeren Stirnseite des jeweiligen Zellrahmens zumindest ein Verbindungselement angeordnet und an zumindest einer mittels der einzelnen Stirnseiten der gestapelten Zellrahmen gebildeten Außenwand des Zellstapels zumindest ein Aufnahmeelement angeordnet, wobei das zumindest eine Aufnahmeelement eine Vielzahl von mit den Verbindungselementen der Zellrahmen korrespondierende Aufnahmen umfasst, in welchen die Verbindungselemente derart angeordnet sind, dass die Einzelzellen zumindest in Stapelrichtung zueinander fixiert sind.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Zellblocks besteht darin, dass durch eine Anordnung des Aufnahmeelements an der Außenwand des Zellstapels eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Toleranz von Einzelzellabständen ermöglicht wird. Durch eine Fixierung der Verbindungselemente der Einzelzellen mittels des Aufnahmeelementes ist ein Montageaufwand erheblich reduziert, da Arbeitsschritte, wie beispielsweise ein Verriegeln der Zellrahmen untereinander oder eine Anordnung eines Zugankers an den Zellrahmen, entfallen. Ein weiterer Vorteil ist, einen beliebig großen Abstand der Einzelzellen untereinander zu realisieren, da die Einzelzellen gegenüber dem Stand der Technik verbunden und nicht zwingend zusammengepresst werden. Somit ist eine Zirkulation eines Temperiermediums, beispielsweise Luft, zwischen den Einzelzellen möglich, um beispielsweise eine Kühlung der Einzelzellen zu unterstützen. Weiterhin ergeben sich aus einer Bauteilersparnis die Vorteile einer Kostenersparnis und einer Gewichtsreduzierung des Zellblocks.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellblocks sieht vor, dass die Aufnahmen und die Verbindungselemente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass zwischen den Aufnahmen und Verbindungselementen zumindest eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine Fixierung der Einzelzellen gegenüber dem Aufnahmeelement realisiert, wobei eine Lageverschiebung der Einzelzellen zueinander zumindest beschränkt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellblocks sind die Aufnahmen und die Verbindungselemente keilförmig ausgebildet, wobei die Keilform im Wesentlichen senkrecht zur Außenwand verläuft. Unter einer Keilform wird allgemein eine Verjüngung einer Form in zumindest eine Richtung bezeichnet, insbesondere eine im Wesentlichen trapezförmige oder dreieckige Ausbildung, wobei die Richtung der Keilform in Richtung einer Keilspitze zeigt. Die Aufnahmen sind insbesondere als keilförmige Aussparungen ausgebildet, wobei die Verbindungselemente einen korrespondierenden Vorsprung aufweisen, oder umgekehrt. Bezogen auf eine Toleranz eines Abstandes zwischen benachbarten Einzelzellen ermöglicht diese Ausbildung zu Beginn der Montage, dass die Verbindungselemente grob ausgerichtet und gegenüber dem Stand der Technik schnell in dem Aufnahmeelement anordbar sind. Nach der Anordnung aller für die Montage notwendigen Verbindungselemente ist es ausreichend, eine vergleichsweise geringe Kraft auf das Aufnahmeelement in Richtung der Außenwand auszuüben. Hierbei verlagert sich das Aufnahmeelement in eine Sollposition und verlagert aufgrund der Keilform der Aufnahmen sowie der Verbindungselemente die Verbindungelemente ebenfalls in eine Sollposition. Aufgrund der Kraft und der Keilform entsteht zwischen dem Aufnahmeelement und den Verbindungselementen zumindest eine formschlüssige Verbindung. Diese Ausbildung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Anordnen der Einzelzellen zu einem Zellstapel bei gleichzeitig sehr stabiler und dauerhafter Fixierung.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellblocks sieht vor, dass die Aufnahmen und die Verbindungselemente keilförmig ausgebildet sind, wobei die Keilform im Wesentlichen parallel zur Außenwand verläuft. Die Aufnahmen weisen die keilförmige Aussparung auf, wobei die Verbindungselemente den korrespondierenden Vorsprung aufweisen, oder umgekehrt. Bezogen auf die Toleranz des Abstandes zwischen benachbarten Einzelzellen ermöglicht diese Ausbildung zu Beginn der Montage, dass die Verbindungselemente grob ausgerichtet und gegenüber dem Stand der Technik schnell in dem Aufnahmeelement anordbar sind. Nach der Anordnung aller für die Montage notwendigen Verbindungselemente ist es ausreichend, die vergleichsweise geringe Kraft senkrecht gegenüber der Außenwand und entgegengesetzt zu der Keilform auf das Aufnahmeelement auszuüben. Das Aufnahmeelement verlagert sich dabei in eine Sollposition und verlagert aufgrund der Keilform der Aufnahmen sowie der Verbindungselemente die Verbindungelemente ebenfalls in eine Sollposition. Aufgrund der Kraft und der Keilform entsteht zwischen dem Aufnahmeelement und den Verbindungselementen zumindest eine formschlüssige Verbindung. Diese Ausbildung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Anordnen der Einzelzellen zu einem Zellstapel bei gleichzeitig sehr stabiler und dauerhafter Fixierung.
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In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellblocks ist eine Verbindung zwischen einem Verbindungselement und der zugehörigen Aufnahme als Rastverbindung, Klippverbindung oder Pressverbindung ausgebildet. Die Rastverbindung, Klippverbindung oder Pressverbindung stellen eine elastische Verbindung dar und Dämpfen beispielsweise durch Erschütterungen auftretende Schwingungen. Eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte Kraft für das Erzeugen der Verbindung und eine vereinfachte Demontage in einem Wartungsfall sind dabei besonders vorteilhaft.
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In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellblocks sind der jeweilige Zellrahmen und das zumindest eine Verbindungselement als einstückiges Gussbauteil ausgebildet. Das dabei erzeugte Gussbauteil zeichnet sich aufgrund von fehlenden Fügestellen und einer daraus folgenden Homogenität durch eine besonders hohe mechanische Stabilität aus. Gleichzeitig ist eine Herstellung des Zellrahmens in einem Prozess mit wenigen Arbeitsschritten möglich.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellblocks ist das Verbindungselement als ein von einem Gusswerkstoff des jeweiligen Zellrahmens umgebenes Einlegeteil ausgebildet. Es ergibt sich der Vorteil, dass ein aus einem sehr viel widerstandsfähigeren Material als der Zellrahmen gebildetes Einlegeteil verwendet werden kann, was in vorteilhafter Weise ein zu einem besonders hohen Widerstandfähigkeit und mechanischen Stabilität des Verbindungselements führt. Auch sind somit Verbindungselemente mit beliebigen Formen verwendbar.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellblocks ist das Verbindungselement als Anbauteil ausgebildet. Hierbei ist eine Herstellung des Zellrahmens in einem Prozess mit sehr wenigen Arbeitsschritten möglich, da das Verbindungelement nachträglich an den Zellrahmen angebracht wird. Im Falle einer Reparatur eines Verbindungselements ist es somit in vorteilhafter Weise möglich, lediglich das Verbindungselement zu wechseln. Ein Wechsel des gesamten Zellrahmens ist hierbei in vorteilhafter Weise nicht notwendig.
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Die erfindungsgemäße elektrische Batterie umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Zellblock oder Weiterbildungen desselben. Aufgrund der bereits genannten Vorteile des Zellblocks zeichnet sich die Batterie durch ein besonders geringes Gewicht aus und ist mit einer sehr geringen Anzahl von Arbeitsschritten bei gleichzeitig geringen Bauteilkosten montierbar.
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Eine Weiterbildung der elektrischen Batterie sieht vor, dass das zumindest eine Aufnahmeelement Bestandteil eines Batteriegehäuses ist oder dieses zumindest abschnittsweise ausbildet. Somit ist eine deutliche Gewichtseinsparung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Batterien möglich. Auch ist der Montage- und Bauteilaufwand weiter verringert.
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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 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellblocks,
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements,
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3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Aufnahmeelements,
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4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements,
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5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufnahmeelements, und
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6 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellblocks 1. Dieser weist einen Zellstapel 2 aus einer Vielzahl von Einzelzellen 3 auf, welche als Flachzellen ausgebildet sind. Jede Einzelzelle 3 umfasst einen in Folie eingeschweißten elektrisch aktiven Teil, insbesondere einen Elektrodenstapel, und ferner einen Zellrahmen 4, der den relativ instabilen und in Folie eingeschweißten Elektrodenstapel entlang zumindest eines Abschnitts an dessen äußeren Umfang stabilisiert. Die Zellrahmen 4 sind als Spritzgussteil aus einem Kunststoff, insbesondere Polyurethan, hergestellt, wobei die Elektrodenstapel mit dem Kunststoff umspritzt werden und so der Zellrahmen 4 auf die den Elektrodenstapel einschweißende Folie aufgebracht wird. Um aufwendige Arbeitsschritte einer Vorbereitung der Elektrodenstapel, beispielsweise eine Reinigung und eine Grundierung, zu reduzieren, ist es möglich, die Folie vor dem Spritzgussverfahren im entsprechenden Bereich zu perforieren. Das Perforieren ermöglicht ein vereinfachtes Umspritzen ohne die Verwendung von Reinigungsmitteln und einem Primer, da der Kunststoff zumindest einen Formschluss mit der Folie des Elektrodenstapels eingeht. Als Werkstoff für die Zellrahmen 4 ist ein schwer oder nicht entflammbares Material und/oder ein nicht brennbares und/oder selbstverlöschendes Material vorgesehen.
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Weiterhin ist am Zellrahmen 4 ein Verbindungselement 5 angeordnet, wobei dieses als einstückiges Gussbauteil ausgebildet ist. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 5 alternativ als ein Einlegeteil oder ein Anbauteil ausgebildet. Ein Anbringen des Anbauteils an den Zellrahmen 4 ist beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder mittels eines Anspritzens des Anbauteils an den Zellrahmen 4 realisierbar. Durch ein Perforieren des Anbauteils und/oder des Zellrahmens 4 ist ein vereinfachtes Anspritzen ohne die Verwendung von Reinigungsmitteln und eines Primers, da der Kunststoff zumindest einen Formschluss mit dem Zellrahmen 4 und dem Anbauteil eingeht, möglich.
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Korrespondierend zu dem Verbindungselement 5 ist an einem Aufnahmeelement 6 eine Aufnahme 7 vorgesehen. Um eine Fixierung der Einzelzellen 3 untereinander zu realisieren, weist das Aufnahmeelement 6 hierzu eine den Einzelzellen 3 des Zellstapels 2 entsprechende Anzahl von Aufnahmen 7 auf. Eine Anordnung des Aufnahmeelements 6 an den Zellstapel 2 erfolgt zunächst derart, dass die Verbindungselemente 5 und die Aufnahmen 7 unter Vernachlässigung einer Sollposition, d. h. grob ausgerichtet, zusammengeführt werden. Nach der Anordnung wird eine Kraft senkrecht gegenüber einer Außenwand 8 und entgegengesetzt zu der Keilform auf das Aufnahmeelement 6 ausgeübt. Das Aufnahmeelement 6 verlagert sich dabei in die Sollposition und verlagert aufgrund der Keilform der Aufnahmen 7 sowie der Verbindungselemente 5 die Verbindungelemente 5 ebenfalls in eine Sollposition. Aufgrund der Kraft und der Keilform entsteht zwischen dem Aufnahmeelement 6 und den Verbindungselementen 5 eine formschlüssige oder eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung.
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2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel des Zellrahmens 4 mit dem Verbindungselement 5. 3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel des Aufnahmeelements 6 mit einer Aufnahme 7.
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Hierbei ist das Verbindungselement 5 keilförmig ausgebildet, wobei die Keilform im Wesentlichen senkrecht zur Außenwand 8 verläuft. Die Aufnahme 7 ist korrespondierend zum Verbindungselement 5 ausgebildet, wobei dieses um einen bestimmten Wert größer dimensioniert ist als die Aufnahme 7.
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Bei der Anordnung des Aufnahmeelements 6 am Zellstapel 2 wird das Verbindungselement 5 mit der Aufnahme 7 zusammengeführt. Im weiteren Montageablauf wird eine Kraft im Wesentlichen senkrecht zur Außenwand 8 auf das Aufnahmeelement 6 ausgeübt und das Aufnahmeelement 6 verlagert sich in eine Sollposition. Aufgrund der Keilform und durch die größer dimensionierten Verbindungselemente 5 entsteht eine Pressverbindung zwischen den jeweiligen Verbindungselementen 5 und den Aufnahmen 7 des Aufnahmeelements 6. Die Verbindungelemente 5 verlagern sich ebenfalls in die Sollposition. Aufgrund der Kraft und der Keilform entsteht zwischen dem Aufnahmeelement 6 und den Verbindungselementen 5 eine formschlüssige oder eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung.
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4 zeigt ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel des Zellrahmens 4 mit dem Verbindungselement 5. 5 zeigt ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel des Aufnahmeelements 6 mit einer Aufnahme 7.
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Hierbei ist das Verbindungselement 5 keilförmig ausgebildet, wobei die Keilform im Wesentlichen parallel zur Außenwand 8 verläuft. Die Aufnahme 7 ist korrespondierend zum Verbindungselement 5 ausgebildet, so dass bei der Anordnung des Aufnahmeelements 6 am Zellstapel 2 das Verbindungselement 5 mit der Aufnahme 7 zusammengeführt wird. Im weiteren Montageablauf wird eine Kraft im Wesentlichen parallel zur Außenwand 8 auf das Aufnahmeelement 6 ausgeübt und das Aufnahmeelement 6 verlagert sich in eine Sollposition, wobei sich aufgrund der Keilform der Aufnahmen 7 die Verbindungelemente 5 ebenfalls in eine Sollposition verlagern. Aufgrund der Kraft und der Keilform entsteht zwischen dem Aufnahmeelement 6 und den Verbindungselementen 5 zumindest eine formschlüssige Verbindung.
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6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 5. Dieses ist derart ausgebildet, dass es in einem Wirkbereich Haltenasen 9 aufweist. Die Haltenasen 9 sind in einem bestimmten Bereich elastisch und um einen bestimmten Wert größer dimensioniert als die korrespondierende Aufnahme 7. Bei einer Kraftausübung auf das Aufnahmeelement 6 wird das Verbindungselement 5 und die Aufnahme 7 derart zusammengeführt, dass die Haltenasen 9 durch die Aufnahme 7 gedrückt werden und aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit bei einem Austreten aus den Aufnahmen 7 in eine Ausgangsposition zurückkehren und einen Randbereich der jeweiligen Aufnahme 7 hintergreifen. Somit sperren die Haltenasen 9 eine Bewegung der Einzelzelle 3 und des Aufnahmeelements 6. Gleichzeitig ist jedoch bei einer Ausübung einer im Wesentlichen radial nach innen wirkenden Kraft auf die Haltenasen 9 ein einfaches Losen der Verbindung zwischen der Einzelzelle 3 und dem Aufnahmeelement 6 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellblock
- 2
- Zellstapel
- 3
- Einzelzelle
- 4
- Zellrahmen
- 5
- Verbindungselement
- 6
- Aufnahmeelement
- 7
- Aufnahme
- 8
- Außenwand
- 9
- Haltenase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010013002 A1 [0005]
- DE 102012018043 A1 [0006]
- DE 102013017355 [0007]
