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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine galvanische Zelle und auf ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle.
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Prismatische Batteriezellen, zum Beispiel auf Lithium-Ionen-Technik basierend, werden im Automobilbereich oder in der Gebäudetechnik als Energiespeicher verwendet. Aufgrund der hohen Energiedichte in heutigen Zellen kann eine Fehlfunktion der Zelle mit der Folge, dass die gespeicherte Energie freigesetzt wird, verheerende Auswirkungen auf die Zelle und die Umgebung der Zelle haben. Die Sicherheit solcher Zellen kann durch Sensoren, die den Zustand der Zelle überwachen und bei frühzeitigem Erkennen einer solchen Fehlfunktion die Zelle abschalten, erheblich verbessert werden.
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Aus
US 2012/0121942 ist eine prismatische Batteriezelle bekannt, bei welcher ein Sensor direkt in der Nähe der Batterieterminale außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist und Verbindungen zu beiden Stromkollektoren aufweist. Der Sensor ist in einem gesonderten Gehäusedeckel aufgenommen.
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US 2013/0143084 zeigt wiederaufladbare Batterien, bei denen ein Temperatursensor im Bereich einer positiven Elektrode angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäßen galvanischen Zelle mit einem ersten Stromsammler zum Kontaktieren einer ersten Elektrode der galvanischen Zelle, einem Gehäuse zum Aufnehmen der ersten Elektrode und zumindest eines Teilbereichs des ersten Stromsammlers, mit zumindest einem Isolator, der innerhalb des Gehäuses entlang eines Deckels des Gehäuses angeordnet und ausgebildet ist, um den ersten Stromsammler von dem Gehäuse elektrisch zu isolieren, und einem Sensor zum Erfassen mindestens eines Parameters der galvanischen Zelle, wobei der Sensor über zumindest einen ersten Kontaktleiter mit dem ersten Stromsammler elektrisch verbunden ist und im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, ist vorgesehen, dass der erste Kontaktleiter mit dem ersten Stromsammler über einen Presssitz verbunden ist, welcher vom Isolator vermittelt wird.
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Mit Kontaktleiter werden im Rahmen der Erfindung beispielsweise Drahtbeinchen (contact leads) oder Kontaktpads bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist der Sensor im Inneren des Gehäuses angeordnet. Der Anbringungsort des Sensors zum Erfassen von Messgrößen der galvanischen Zelle kann großen Einfluss auf die Messgenauigkeit des Sensors und vor allem auch auf die Montage des Sensors haben. So sollte zum Beispiel die Messung der Temperatur möglichst nahe am Wickel der Zelle geschehen, um eine aussagekräftige Temperaturbestimmung gewährleisten zu können. Zur Messung der elektrischen Spannung müssen elektrische Verbindungen zu beiden Stromsammlern der galvanischen Zelle gewährleistet sein. Die Positionierung des Sensors zum Überwachen der galvanischen Zelle innerhalb der galvanischen Zelle ermöglicht daher vorteilhaft eine besondere räumliche Nähe des Sensors zu mindestens einem Stromsammler und zu dem Gehäuse.
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Die Verbauung des Sensors innerhalb des Zellgehäuses erlaubt die genaue Messung physikalischer Größen wie Temperatur, Druck und Spannung. Dadurch kann eine etwaige Fehlfunktion der galvanischen Zelle früher und mit größerer Sicherheit erkannt werden. Die Zelle ist folglich nach Detektion der Fehlfunktion schon sehr früh in einen sicheren Zustand überführbar.
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Der Einbau des Sensors kann mit lediglich geringen Zusatzkosten in den Produktionsprozess zum Beispiel einer prismatischen Zelle integriert werden.
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Insbesondere ermöglicht die gemäß dem hier vorgeschlagenen Konzept geschaffene Nähe des Sensors zu mindestens einem Stromsammler und der Zellwand eine elektrische Anbindung des Sensors an beide Stromsammler einfach über kurze elektrische Kontaktleiter.
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Der im Inneren der galvanischen Zelle angeordnete Sensor kann ausgebildet sein, um beispielsweise eine Temperatur oder eine Spannung oder einen in der Zelle bestehenden Druck zu messen und um die Messdaten beispielsweise über eine Funkverbindung vom Inneren der galvanischen Zelle nach außen zu übermitteln. Zum Schutz vor einer Beschädigung durch Zellbestandteile kann der Sensor von einer Verpackung umgeben im Inneren der Zelle angeordnet sein, insbesondere aus einem medienresistenten fluorpolymeren Material, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), fluorisiertem Ethylenpropylen (FEP) oder Polychlortrifluorethylen (PCTFE) oder jedem medienresistenten fluorpolymeren Material, welches wechselwirkungsfrei mit einem Elektrolyten in der galvanischen Zelle ist.
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Bei der galvanischen Zelle kann es sich um eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie oder von elektrischer Energie in chemische Energie handeln. Entsprechend kann die galvanische Zelle als ein Energiespeicher in Form einer Batterie oder eines Akkumulators eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich bei der galvanische Zelle um eine prismatische Zelle handeln, beispielsweise auf Lithium-Ionen-Technologie basierend. Sie kann als Energiespeicher beispielsweise im Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Die Stromsammler können auch als Kollektoren bezeichnet werden. Der erste und zweite Stromsammler können ausgebildet sein, um die jeweils kontaktierte Elektrode mit äußeren Anschlüssen der galvanischen Zelle zu verbinden. Dazu können Abschnitte der Stromsammler die Wand des Gehäuses in dafür vorgesehenen Öffnungen durchstoßen. Entsprechend kann einer der Stromsammler als der Pluspol und der andere als der Minuspol der galvanischen Zelle betrachtet werden. Zur Bereitstellung einer Wechselwirkung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt in der Zelle in Gegenwart eines Elektrolyten sind die zwei Elektroden unterschiedlich ausgebildet. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Elektrode um die Kathode und bei der zweiten Elektrode um die Anode der galvanischen Zelle handeln. Es kann auch umgekehrt die erste Elektrode als die Anode und die zweite Elektrode als die Kathode ausgeführt sein.
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Das Gehäuse kann ausgebildet sein, um die galvanische Zelle zu umhüllen und nach außen abzuschirmen. Das Gehäuse kann aus Metall oder aus Kunststoff sein. Bei der Ausführung der galvanischen Zelle als prismatische Zelle kann das Gehäuse eine Quaderform aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel auf, welcher eine Wand des Gehäuses bildet und welcher auf einen offenen Gehäusekasten aufgesetzt werden kann, wobei der offene Gehäusekasten von Seitenwänden und einem Gehäuseboden gebildet wird.
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Bei dem Isolator kann es sich um einen Abstandshalter handeln, der ausgebildet ist, um sowohl den ersten Stromsammler von dem zweiten Stromsammler als auch beide Stromsammler von dem Gehäuse elektrisch zu trennen. Beispielsweise kann der Isolator direkt an einer Innenseite des Gehäusedeckels anliegen.
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Gemäß einer Ausführungsform der galvanischen Zelle weist der Isolator eine zweite Aussparung auf, in welcher ein Teilabschnitt des ersten Kontaktleiters angeordnet ist. Die zweite Aussparung weist dabei bevorzugt Abmessungen auf, welche einer Dicke des ersten Kontaktleiters entsprechen, so dass der Isolator zum Einbetten des ersten Kontaktleiters geeignet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Stromsammler in einem ersten Kontaktierbereich, in welchem der Kontakt des ersten Kontaktleiters mit dem ersten Stromsammler über den Presssitz stattfindet, eine zum Beispiel konische oder längliche Ausbuchtung auf, insbesondere in Richtung des Isolators oder des Sensors. Alternativ hierzu kann ein Materialaufsatz, beispielsweise eine Aufschweißung, vorgesehen sein. Die Ausbuchtung kann beispielsweise durch Umformen hergestellt werden. Durch die Ausbuchtung bzw. den Materialaufsatz kann die Kontaktierung verbessert werden.
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Bevorzugt ist der Isolator zumindest teilweise aus einem elastischen Material gefertigt. Bei Ausführung des Isolators oder von Teilen des Isolators, welche die Kontaktleiter zusammenpressen, durch elastisches Material kann der Kontakt auch unter größeren Temperaturwechseln sicher aufrechterhalten werden. Beispielsweise kann dazu das gleiche Dichtmaterial eingesetzt werden, welches auch zum Abdichten von elektrischen Durchführungen durch den Deckel verwendet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor über zumindest einen zweiten Kontaktleiter mit dem Deckel elektrisch verbunden, wobei der zweite Kontaktleiter mit dem Deckel über einen Presssitz verbunden ist, welcher vom Isolator vermittelt wird. Dabei befinden sich die Materialien in der folgenden Reihenfolge übereinander: Gehäusedeckel, zweiter Kontaktleiter, Isolator. Durch die elektrische Kontaktierung während des Verpressens der Deckelbaugruppe wird vorteilhaft kein zusätzlicher Schritt der elektrischen Kontaktierung, zum Beispiel durch Schweißen, benötigt, was zu einer Kostenersparnis führt. Das Weglassen eines Schweißschrittes an dieser Stelle führt zu einer Reduzierung der Partikelgenerierung bei der Herstellung der galvanischen Zelle.
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Nach einer Weiterbildung der Ausführungsform weisen der Isolator eine vierte Aussparung und gegebenenfalls der erste Stromsammler eine fünfte Aussparung auf, welche eine Durchgangsöffnung in dem Isolator zwischen einem Inneren der galvanischen Zelle und dem Deckel ausbilden. Die fünfte Aussparung ist bevorzugt deckungsgleich oder in etwa deckungsgleich mit der vierten Aussparung ausgebildet. Der zweite Kontaktleiter ist mit dem Gehäusedeckel im Bereich der vierten Aussparung und gegebenenfalls fünften Aussparung verschweißt. Über die vierte und gegebenenfalls fünfte Aussparung kann ein Laserschweißen durchgeführt werden, wobei hierzu kein externes weiteres Werkzeug, beispielsweise ein zusätzlicher Niederhalter, benötigt wird, für den aufgrund des geringen Platzangebotes zum Zeitpunkt des Schweißens, d. h. nach Zusammenbau der Deckelbaugruppe, kein Platz wäre. Die Schweißnaht führt im Vergleich zu einer reinen kalten Kontaktierung durch Verpressung zu einer weiter erhöhten Robustheit der elektrischen und mechanischen Verbindung des Gehäusedeckels mit dem zweiten Kontaktleiter. Durch den Presssitz des zweiten Kontaktleiters mit dem Gehäusedeckel ist ein spaltfreier Kontakt gegeben.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Isolator eine dritte Aussparung auf, in welcher ein Teil des zweiten Kontaktleiters angeordnet ist. Hierdurch wird eine exakte Positionierbarkeit des zweiten Kontaktleiters in Bezug auf den Isolator erreicht. Als zweiter Kontaktierbereich wird im Rahmen der Erfindung der Bereich bezeichnet, in welchem der Kontakt des zweiten Kontaktleiters mit dem weiteren Bauteil erfolgt, beispielsweise mit dem Gehäusedeckel. Bevorzugt ist im Gehäusedeckel im zweiten Kontaktierbereich eine Ausbuchtung vorgesehen, oder alternativ ein Materialaufsatz, welcher in Richtung des Isolators oder des Sensors weist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor über den zweiten Kontaktleiter nicht mit dem Deckel sondern mit einem zweiten Stromsammler elektrisch verbunden, wobei der zweite Kontaktleiter mit dem zweiten Stromsammler über einen Presssitz verbunden ist. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Gehäusedeckel nicht als zweites Terminal der galvanischen Zelle fungiert, sondern ein elektrisch isoliertes Bauteil bildet.
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Bevorzugt wird der Presssitz dabei von dem Isolator oder von einem weiteren Isolator vermittelt. Der Isolator kann einstückig ausgebildet sein, so dass er sowohl den ersten als auch den zweiten Stromsammler räumlich umgibt, als auch mehrstückig, wobei in diesem Fall von einem Isolator gesprochen wird, welcher dem ersten Stromsammler zugeordnet ist, und von einem weiteren Isolator, welcher beispielsweise dem zweiten Stromsammler zugeordnet ist. Die Kontaktierung des zweiten Kontaktleiters mit dem zweiten Stromsammler kann dabei im Prinzip analog zu der Kontaktierung des ersten Kontaktleiters mit dem ersten Stromsammler erfolgen. Insbesondere kann der Isolator oder der weitere Isolator eine noch weitere Aussparung aufweisen, in welcher ein Teil des zweiten Kontaktleiters angeordnet ist. Insbesondere kann der zweite Stromsammler auch eine weitere Ausbuchtung oder einen weiteren Materialaufsatz aufweisen, um den entsprechenden Kontakt zu verbessern.
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Der weitere Isolator ist bevorzugt zumindest teilweise aus einem elastischen Material gefertigt. Hierdurch kann der Kontakt auch unter größeren Temperaturwechseln sicher aufrechterhalten werden.
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Nach einer Ausführungsform weist der (erste) Isolator eine erste Aussparung auf, in der der Sensor angeordnet und fixiert ist. Der Sensor kann dabei beispielsweise in der ersten Aussparung durch einen Klemmsitz gehalten werden oder an den Deckel des Gehäuses geklebt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der galvanischen Zeile kann die erste Aussparung als eine Durchgangsöffnung in dem Isolator zwischen einem Inneren der galvanischen Zeile und der Wand des Gehäuses ausgebildet sein. In dieser vorteilhaften Form kann die erste Aussparung möglichst einfach und kostengünstig gebildet werden, beispielsweise durch Ausstanzen aus dem Isolatormaterial oder Durchbohren des Isolatormaterials. Alternativ kann die erste Aussparung auch lediglich als eine Vertiefung in dem Isolator eingebracht sein, sodass ein Boden der Vertiefung den Sensor von der Wand des Gehäuses trennt. Der Sensor ist dabei beispielsweise in die Vertiefung im Isolator eingeklebt. Bei dieser Ausführungsform kann ein Kurzschluss zwischen Sensor und Gehäuse wirksam vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der galvanischen Zelle kann die dem Deckel des Gehäuses zugewandte Seite des Sensors angrenzend an das Gehäuse angeordnet sein. So kann der Sensor möglichst bauraumsparend untergebracht und beispielsweise auch eine Funkübertragung von Messwerten nach außen ohne weiteres gewährleistet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sensordaten allerdings als elektrisches Signal über die Anschlusskontakte der Zelle übertragen.
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Um den Sensor mit elektrischer Spannung zu versorgen, kann der Sensor gemäß einer weiteren Ausführungsform eine erste elektrische Leitung zu einem ersten elektrischen Potenzial der galvanischen Zelle und eine zweite elektrische Leitung zu einem zweiten elektrischen Potenzial der galvanischen Zelle aufweisen. Dabei kann sich das zweite elektrische Potenzial von dem ersten elektrischen Potenzial unterscheiden.
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Beispielsweise kann die erste elektrische Leitung den Sensor mit dem ersten Stromsammler verbinden. So kann der Sensor auf einfache Weise mit dem ersten elektrischen Potenzial verbunden werden. Ferner kann die zweite elektrische Leitung den Sensor mit dem zweiten Stromsammler verbinden. Mit dieser Ausführungsform kann der Sensor auf einfache Weise mit dem zweiten elektrischen Potenzial verbunden werden.
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Alternativ kann die zweite elektrische Leitung den Sensor mit dem Gehäuse verbinden. Mit dieser Ausführungsform ist eine möglichst flexible Anbindung des Sensors an das zweite Potenzial realisierbar.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen galvanischen Zelle vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt ein offener Gehäusekasten und eine Deckelbaugruppe bereitgestellt werden, wobei die Deckelbaugruppe zumindest den Deckel, den ersten Stromsammler, den Isolator, den Sensor und den ersten Kontaktleiter umfasst, und wobei in einem zweiten Schritt die Deckelbaugruppe und der offene Gehäusekasten zur Herstellung des Gehäuses zusammengepresst und miteinander verbunden werden, wobei der erste Kontaktleiter mit dem ersten Stromsammler über einen Presssitz verbunden wird, welcher vom Isolator vermittelt wird.
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Durch die vorgeschlagene elektrische Kontaktierung des Sensors mit dem Stromsammler während des Zusammenpressvorgangs wird beim Zusammenbau der Deckelbaugruppe eine robuste Kontaktierung erreicht. Vorteilhaft kann der Schweißschritt entfallen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei der Montage der Deckelbaugruppe auf den offenen Gehäusekasten zugleich der erste Kontaktleiter an den ersten Stromsammler und zur Herstellung des elektrischen Kontakts der zweite Kontaktleiter an den Gehäusedeckel oder an den zweiten Stromsammler gepresst werden.
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Nach einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Bereitstellen der Deckelbaugruppe im Schritt a) in einem weiteren Schritt c) der zweite Kontaktleiter mit dem Gehäusedeckel im Bereich der zuvor beschriebenen zweiten Aussparung verschweißt. Die Verschweißung zwischen dem zweiten Kontaktleiter und dem Gehäusedeckel wird bevorzugt nach der vollständigen Montage der Deckelbaugruppe durchgeführt. Auch in dieser Ausführungsform wird der erste Kontaktleiter durch einen Presssitz mit dem ersten Stromsammler verbunden.
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Eine weitere Möglichkeit bildet ein Laserschweißen durch den ersten Stromsammler hindurch auf den ersten Kontaktleiter. Da der erste Stromsammler unter Umständen dafür zu dick ist (Größenordnung 1 mm), kann dieser selektiv gedünnt werden (Größenordnung 0,1 mm), beispielsweise durch Abtragen von Material oder durch Verschließen eines Loches im ersten Stromsammler durch eine Metallfolie, bevorzugt aus identischem Metall. Der Isolator wird dabei in jedem Fall so ausgelegt, dass der erste und der zweite Kontaktleiter spaltfrei gepresst werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer galvanischen Zelle mit einem in einem Isolator integrierten Sensor gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Untenansicht eines Deckels einer galvanischen Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Schnittansicht eines Details einer Deckelbaugruppe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 eine weitere Schnittansicht eines Details aus 3,
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5 eine Schnittansicht in Draufsicht eines Details einer Deckelbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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6–12 Schnittansichten in Seitenansichten von Details von Deckelbaugruppen gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung,
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13 eine Draufsicht auf einen Isolator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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14 eine Draufsicht auf einen Isolator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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15 eine Untenansicht auf ein Detail einer Deckelbaugruppe gemäß einer Ausführungsform,
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16 eine Untenansicht auf ein Detail einer Deckelbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform und
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17 eine Schnittansicht in Seitenansicht durch einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung, welche insbesondere Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält, werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Einige Merkmale gleichen Typs, insbesondere Aussparungen, sind dabei durchnummeriert worden. Die Reihenfolge wurde dabei durch die Reihenfolge des Erscheinens der betreffenden Merkmale in den Figuren festgelegt. Eine „zweite Aussparung“ setzt daher nicht notwendigerweise eine „erste Aussparung“ voraus, in dem Sinne, dass das erfindungsgemäße Bauteil durchaus eine „zweite Aussparung“ aufweisen kann, obwohl es keine „erste Aussparung“ aufweist.
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1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen schematischen Aufbau einer galvanischen Zelle 2, welche im Rahmen der Erfindung auch kurz als Zelle 2 bezeichnet wird.
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Die Zelle 2 ist als eine prismatische Zelle aufgebaut und weist ein quaderförmiges Gehäuse 4 auf, beispielsweise ein Metallgehäuse. In dem Gehäuse 4 sind ein erster Stromsammler 6, ein zweiter Stromsammler 8, ein Isolator 14, sowie ein Sensor 16 zum Aufnehmen relevanter Messwerte der galvanischen Zelle 2 angeordnet. Das Gehäuse 4 ist ausgebildet, um das Innere der galvanischen Zelle 2 als eine dünnwandige Hülle vollständig zu umschließen, mit Ausnahme der zwei Öffnungen zum Durchtritt der Kontaktabschnitte der Stromsammler 6, 8.
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Die Stromsammler 6, 8 sind ausgebildet, um eine elektrische Spannung an Elektroden 10, 12 der Zelle 2 abzugreifen und vom Inneren der Zelle 2 nach außen zu führen. Dafür sind die Stromsammler 6, 8 an zwei dafür vorgesehenen Positionen durch einen Deckel 18 der Zelle 2 bzw. des Gehäuses 4 der Zelle 2 geführt. Zum Abgreifen der elektrischen Spannung ist der erste Stromsammler 6 ausgebildet, um eine erste Elektrode 10 der galvanischen Zelle 2 zu kontaktieren und der zweite Stromsammler 8 ausgebildet, um eine zweite Elektrode 12 der galvanischen Zelle 2 zu kontaktieren. Bei der in 1 gezeigten Zelle 2 bildet die erste Elektrode 10 die Kathode und die zweite Elektrode 12 die Anode der Zelle 2. Alternativ kann auch die erste Elektrode 10 die Anode und die zweite Elektrode 12 die Kathode der Zelle 2 bilden.
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Der als Abstandshalter für die Stromsammler 6, 8 fungierende Isolator 14 ist entlang einer Innenseite des Deckels 18 des Gehäuses 4 angeordnet und ausgebildet, um die Stromsammler 6, 8 von dem Gehäuse 4 elektrisch zu isolieren. Wie die Darstellung in 1 zeigt, weist der Isolator 14 eine erste Aussparung 20 auf, in der der Sensor 16 angeordnet ist.
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Bei der in 1 gezeigten Zelle 2 sind der erste Stromsammler 6 und zweite Stromsammler 8 dort, wo sie den Deckel 18 des Gehäuses 4 durchstoßen, mit je einer Dichtung 22 gegenüber dem Gehäuse 4 elektrisch isoliert. Außerhalb der Zelle 2 enden die Stromsammler 6, 8 in Anschlusskontakten 44, 46, welche auch als Terminale bezeichnet werden.
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Der in der ersten Aussparung 20 des Isolators 14 angeordnete Sensor 16 zum Erfassen zumindest eines Parameters der Zelle 2 weist einen ersten Kontaktleiter 24 zu einem ersten elektrischen Potenzial der galvanischen Zelle 2 und einen in etwa gleich langen zweiten Kontaktleiter 26 zu einem zweiten elektrischen Potenzial der galvanischen Zelle 2 auf, wobei sich die beiden elektrischen Potenziale für eine Funktionalität des Sensors 16 unterscheiden müssen. Bei der in 1 gezeigten Zelle 2 verbindet der erste Kontaktleiter 24 den Sensor 16 mit dem ersten Stromsammler 6, der auf dem ersten Potenzial liegt, und der zweite Kontaktleiter 26 den Sensor 16 mit dem Deckel 18 des Gehäuses 4, der auf dem zweiten Potenzial liegt. Dabei sind die Kontaktleiter 24, 26 durch relativ kurze und hier gleich lange Drahtbeinchen realisiert.
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Zum Auslesen des Sensors 16 kann vorgesehen sein, dass eine elektrische Kontaktierung des Sensors 16 aus der Zelle 2 heraus über die Stromsammler 6, 8 oder durch (nicht gezeigte) zusätzliche elektrische Durchführungen durch das Gehäuse 4 vom Sensor 16 nach außen realisiert ist. Eine Kommunikation der Sensordaten nach außen kann auch über eine Funkübertragung geschehen.
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Wie die Darstellung in 1 zeigt, ist der Isolator 14 an dem Deckel 18 der quaderförmigen Zelle 2 angeordnet und ausgebildet, um sich von einer quer zu dem Deckel 18 verlaufenden ersten Seitenwand 36 des Gehäuses 4 zu einer der ersten Seitenwand 36 gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 38 zu erstrecken. Die Seitenwände 36, 38 bilden mit einem Boden einen offenen Gehäusekasten der Zelle 2, welcher zur Herstellung des Gehäuses 4 an dem Deckel 18 befestigt, beispielsweise verschweißt wird.
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Die erste Aussparung 20, in der der Sensor 16 angeordnet ist, ist hier als eine Durchgangsöffnung zwischen dem Inneren der galvanischen Zelle 2 und dem Deckel 18 ausgebildet. Eine Höhe bzw. Dicke des Sensors 16 entspricht bei der in 1 gezeigten Zelle 2 einer Dicke des Isolators 14. Der Sensor 16 ist vollständig in der ersten Aussparung 20 des Isolators 14 angeordnet, wobei eine dem Deckel 18 zugewandte Seite des Sensors 16 an den Deckel 18 angrenzt und der Sensor 16 nicht über den Isolator 14 hinaus in das Innere der Zelle 2 vorragt. Ferner ist die erste Aussparung 20 und damit der Sensor 16 nahe bei dem ersten Stromsammler 6 angeordnet.
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Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Verbindung der ersten und zweiten Kontaktleiter 24, 26 mit dem ersten Stromsammler 6 bzw. mit dem Deckel 18 durch Schweißen. Ein Problem dabei ist die Entstehung von Partikeln im Schweißprozess. Ein weiteres Problem dabei ist, dass für die gängigen Schweißverfahren kein ausreichender Platz vorhanden ist. Wird zum Beispiel Laserschweißen verwendet, so müssen die dünnen ersten und zweiten Kontaktleiter 24, 26 sehr dicht an den jeweiligen Schweißpartner gepresst werden. Tritt ein Spalt zwischen einem ersten oder zweiten Kontaktleiter 24, 26 und einem Schweißpartner auf, so fließt das geschmolzene Material der ersten und zweiten Kontaktleiter 24, 26 in den Spalt und verbindet sich nicht mit dem Schweißpartner. Ein spaltfreies Zusammenpressen ist für die Verbindung des ersten Kontaktleiters 24 mit dem ersten Stromsammler 6 zwar möglich, jedoch ergeben sich beim Schweißen des zweiten Kontaktleiters 26 an den Deckel 18 aufgrund des geringen Platzes nach dem Zusammenbau der Stromsammler 6, 8 mit dem Deckel 18 Probleme, beispielsweise aufgrund einer am Rand etwaig vorhandenen gewölbten Form des Deckels 18. Ein spaltfreies Anpressen wird beispielsweise mit einem externen Werkzeug bewerkstelligt. Aufgrund des geringen Platzangebots im Bereich des Deckels 18 sind weitere Schweißverfahren wie etwa Widerstandsschweißen und Ultraschweißen, wenn überhaupt, dann nur durch Änderungen anwendbar, durch die mehr Raum bereitgestellt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Untenansicht einer Deckelbaugruppe 21 einer galvanischen Zelle 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Deckelbaugruppe 21 umfasst die ersten und zweiten Stromsammler 6, 8, den Isolator 14, und den Sensor 16, welche im Wesentlichen wie mit Bezug zu 1 beschrieben ausgebildet sein können. Die Darstellung zeigt, dass der Isolator 14 durchgehend bzw. einstückig ausgebildet ist und als Abstandshalter für beide Stromsammler 6, 8 dient. Die erste Aussparung 20 ist wie mit Bezug zu 1 beschrieben als Durchgangsöffnung in dem Isolator 14 zwischen dem Inneren der Zelle 2 und dem Deckel 18 angeordnet. Ferner zeigt 2 die Anordnung des Sensors 16 in der ersten Aussparung 20 des Isolators 14.
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Bei dem in 2 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel der galvanischen Zelle 2 ist die erste Aussparung 20 mit dem Sensor 16 zwischen den Stromsammlern 6, 8 wie mit Bezug zu 1 beschrieben näher bei dem ersten Stromsammler 6 als bei dem zweiten Stromsammler 8 angeordnet. Aufgrund der Nähe des Sensors 16 zu einem der Stromsammler 6, 8, hier zum ersten Stromsammler 6, kann die elektrische Verbindung zu diesem direkt über den ersten Kontaktleiter 24 erfolgen, beispielsweise über ein metallisches Kontaktpad oder über ein Drahtbeinchen (lead). Die elektrische Verbindung zum anderen Stromsammler 6, 8, hier zum zweiten Stromsammler 8, wird indirekt über den Deckel 18 realisiert, welcher auf dem Potenzial des zweiten Stromsammlers 8 liegt.
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Aus der Darstellung in 2 ist ferner ersichtlich, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel die erste Aussparung 20 größer als der Sensor 16 ist. Sowohl der Sensor 16 als auch die erste Aussparung 20 sind rechteckig ausgebildet.
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Die in 3 und 4 dargestellte Deckelbaugruppe 21 in seitlicher Schnittansicht zeigt die Kontaktierung der ersten und zweiten Kontaktleiter 24, 26 mit dem ersten Stromsammler 6 und mit dem Deckel 18 über einen Presssitz. Der Presssitz wird in 3 über den Isolator 14 vermittelt.
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Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 16 nicht in der ersten Aussparung 20 angeordnet sondern an den Deckel 18 geklebt, beispielsweise durch einen elektrolytbeständigen Kleber.
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4 zeigt eine Detailansicht der Deckelbaugruppe 21 aus 3 mit der Darstellung eines ersten Kontaktierbereichs 80 und eines zweiten Kontaktierbereichs 82, in welchen der erste und der zweite Kontaktleiter 24, 26 in den Isolator 14 eingebettet sind. Der erste Kontaktierbereich 80 bezeichnet dabei einen Bereich, in welchem der Kontakt des ersten Kontaktleiters 24 mit dem ersten Stromsammler 6 über den Presssitz stattfindet. Der zweite Kontaktierbereich 82 ist ein Bereich, in welchem der Kontakt des zweiten Kontaktleiters 26 mit dem Deckel 18 stattfindet.
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Der Isolator 14 weist in dem ersten Kontaktierbereich 80 eine zweite Aussparung 50 auf, in welcher ein Teilabschnitt des ersten Kontaktleiters 24 angeordnet ist. Die Breite der zweiten Aussparung 50 entspricht dabei der Dicke 54 des ersten Kontaktleiters 24, beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm.
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Im zweiten Kontaktierbereich 82 weist der Isolator 14 eine dritte Aussparung 52 auf, in welcher ein Teilabschnitt des zweiten Kontaktleiters 26 angeordnet ist. Eine Breite der dritten Aussparung 52 entspricht dabei der Dicke 56 des zweiten Kontaktleiters 26.
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5 zeigt die Deckelbaugruppe 21 gemäß einer Ausführungsform in Draufsicht, wobei die Darstellung die Anordnung unterhalb des Deckels 18 zeigt. Der Isolator 14 ist dabei mit der ersten Aussparung 20 ausgestattet, wie mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben. Der Sensor 16 ist in der Nähe des ersten Anschlusskontakts 44 angeordnet.
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6 zeigt eine seitliche Schnittansicht der entlang einer in 5 dargestellten Linie A-A, wobei eine mechanische Fixierung des Sensors 16 durch den Isolator 14 dargestellt wird. Der Isolator 14 umschließt gemäß dieser Ausführungsform den Sensor 16 nahezu vollständig. Außerdem ist der Sensor 16 direkt am Deckel 18 angeordnet, wobei dies in weiteren Ausführungsformen nicht zwingend notwendig ist.
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7 und 8 zeigen die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 21 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. In den Deckelbaugruppen 21 ist zum dargestellten Zeitpunkt noch kein Sensor 16 mit ersten und zweiten Kontaktleitern 24, 26 angeordnet. Im ersten Kontaktierbereich 80 weist der erste Stromsammler 6 jeweils eine erste Ausbuchtung 58 auf. Die erste Ausbuchtung 58 kann zum Beispiel konisch oder länglich ausgebildet und durch Umformen hergestellt werden. Alternativ kann auch ein Materialaufsatz vorgesehen sein.
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Die erste Ausbuchtung 58 ist in 7 in Richtung des Isolators 14 ausgeformt und verstärkt an dieser Stelle den Kontakt mit dem ersten Kontaktleiter 24. Im zweiten Kontaktierbereich 82 weist der Deckel 18 jeweils eine zweite Ausbuchtung 60 auf. Die zweite Ausbuchtung 60 kann ebenfalls zum Beispiel konisch oder länglich ausgebildet und durch Umformen hergestellt werden. Alternativ kann auch ein Materialaufsatz vorgesehen sein. Die zweite Ausbuchtung 60 ist in 7 ebenfalls in Richtung des Isolators 14 ausgeformt und verstärkt an dieser Stelle den Kontakt mit dem zweiten Kontaktleiter 26. In 7 weist der Isolator 14 im ersten und zweiten Kontaktierbereich 80, 82 die zweiten und dritten Aussparungen 50, 52 auf, in welchen die Kontaktleiter 24, 26 angeordnet werden. Die zweiten und dritten Aussparungen 50, 52 können bei dieser Ausführungsform beispielsweise durch elastische Verformung des Isolators 14 unter Einwirkung der Ausbuchtungen 58, 60 entstehen.
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Die in 7 und 8 dargestellten Deckelbaugruppen 21 sind außerdem dazu eingerichtet, um mit einem Sensor 16 kontaktiert zu werden, welcher als Kontaktleiter 24, 26 Kontaktpads 62, 64 aufweist, wie mit Bezug zu 9 beschrieben wird.
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9 zeigt die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei der Sensor 16 über Kontaktpads 62, 64 und den Ausbuchtungen 58, 60 mit dem ersten Stromsammler 6 bzw. dem Deckel 18 verbunden ist. Der Sensor 16 wird wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen über einen Presssitz sowohl an den ersten Stromsammler 6 als auch an dem Deckel 18 gehalten.
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Beispielhaft ist der Sensor 16 hier mit einem äußeren Gehäuse 68, beispielsweise eine Vergussmasse, und mit vor dem Elektrolyt geschützten elektronischen Komponenten 66 dargestellt.
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10 zeigt die Deckelbaugruppe 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der erste Kontaktleiter 24 ist dabei wie zuvor beschrieben mit dem ersten Stromsammler 6 über einen Presssitz verbunden, aber der zweite Kontaktleiter 26 ist nicht mit dem Deckel 18 sondern mit dem zweiten Stromsammler 8 elektrisch verbunden. Der zweite Kontaktleiter 26 ist dabei mit dem zweiten Stromleiter 8 wiederum über einen Presssitz verbunden, welcher in dieser Ausführungsform beispielhaft von einem weiteren Isolator 84 vermittelt wird. Der weitere Isolator 84 kann in einem entsprechenden dritten Kontaktierbereich 86 wie mit Bezug zu 4 beschrieben eine weitere entsprechende Aussparung aufweisen (nicht dargestellt) und wie mit Bezug zu 7 bis 9 beschrieben Ausbuchtungen aufweisen (nicht dargestellt).
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Der Sensor 16 befindet sich mittig zwischen den Stromsammlern 6, 8. Gemäß in den Figuren nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispielen können der Sensor 16 bei Kontaktierung des zweiten Stromsammlers 8 in der ersten Aussparung 20 des Isolators 14 und die erste Aussparung 20 und damit der Sensor 16 nahe bei dem ersten Stromsammler 6 angeordnet sein. Die erste Aussparung 20 kann sich alternativ auch näher bei dem zweiten Stromsammler 8 befinden.
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11 zeigt die Deckelbaugruppe 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei der Isolator 14 eine vierte Aussparung 72 aufweist, welche als eine Durchgangsöffnung in dem Isolator 14 zwischen einem Inneren der galvanischen Zelle 2 und dem Gehäuse 4 ausgebildet ist. Die vierte Aussparung 72 ist im zweiten Kontaktierbereich 82 angeordnet und vermittelt einen Zugang von unterhalb des Deckels 18 zum zweiten Kontaktleiter 26. Über die vierte Aussparung 72 kann der zweite Kontaktleiter 26 durch Laserschweißen an den Deckel 18 befestigt werden.
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Der Fall, dass der erste Stromsammler 6 mit dem zweiten Kontaktierbereich 82 überlappt, ist in 12 dargestellt. Wie beispielsweise auch in 4, überlappen sich außerdem hierbei der erste und der zweite Kontaktierbereich 80, 82. In diesem Fall weist der erste Stromsammler 6 eine fünfte Aussparung 74 auf, welche bevorzugt deckungsgleich zu der vierten Aussparung 72 ausgebildet ist.
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13 und 14 zeigen Draufsicht auf Isolatoren 14 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Der Isolator 14 weist eine sechste Aussparung 88 auf, durch welche der erste Anschlusskontakt 44 durchgeführt wird. Außerdem ist die vierte Aussparung 72 dargestellt, welche für das Laserschweißen des zweiten Kontaktleiters 26 mit dem Deckel 18 benötigt wird, wie bereits mit Bezug zu 11 und 12 beschrieben. In 13 ist die vierte Aussparung 72 vollständig von dem Isolator 14 umgeben. In 14 ist die vierte Aussparung 72 nicht vollständig von dem Isolator 14 umgeben, sondern einseitig offen ausgebildet.
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15 zeigt eine Detailansicht auf die Deckelbaugruppe 21 von der Unterseite im Bereich der vierten Aussparung 72, welche sich im Isolator 14 befindet. Der zweite Kontaktleiter 26 weist eine Schweißnaht 76 auf, mittels welcher dieser an dem Deckel 18 befestigt ist.
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16 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Abmessungen der vierten Aussparung 72 dergestalt sind, dass der zweite Kontaktleiter 26 die vierte Aussparung 72 vollständig ausfüllt. Die Breite des zu schweißenden zweiten Kontaktleiters 26 kann dabei größer oder kleiner gewählt sein als eine Breite 70 der vierten Aussparung 72 im Isolator 14.
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17 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Sensors 16. Der Sensor 16 ist in der dargestellten Ausführungsform von einer Umhüllung 78 umgeben, welche die Elektronik vor dem Elektrolyten in der Zelle 2 schützt. Die ersten und zweiten Kontaktleiter 24, 26 sind dabei aus der Umhüllung 78 herausgeführt. Die Kontaktleiter 24, 26 können beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Aluminium gefertigt sein, wobei sie insbesondere auch aus zwei verschiedenen Metallen gefertigt sein können, beispielsweise um galvanische Korrosion zu verhindern. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kontaktleiter 24, 26 ähnliche elektrochemische Potentiale besitzen wie die jeweiligen Kontaktpartner, d. h. der erste und zweite Stromsammler 6, 8 bzw. der Deckel 18.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0121942 [0003]
- US 2013/0143084 [0004]
