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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Zellanordnung, wobei die Zellanordnung mehrere Batteriezellen aufweist, die in einer elektrischen Reihen- und Parallelschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Zellanordnung mehrere positive Endanschlüsse und mehrere negative Endanschlüsse aufweist.
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Derartige Batterien sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und kommen zu vielen Zwecken zum Einsatz. Aus dem Stand der Technik sind Batterien in unterschiedlichen Größen mit einer unterschiedlichen Anzahl parallel und in Reihe geschalteter Batteriezellen bekannt, wodurch die von der Batterie bereitgestellte Kapazität und die durch die Batterie bereitgestellte Spannung an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Ein insbesondere auch für die vorliegende Erfindung wichtiger Einsatzzweck ist die Verwendung von Batterien bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen.
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Bei den Batteriezellen kann es sich um Primär- oder Sekundärzellen handeln, wobei die Batterie bei Verwendung von Sekundärzellen häufig auch als Akku-Pack bezeichnet wird. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Batteriezellenarten bekannt, die sich vor allem durch die für die Batteriezellen verwendeten Elektrodenmaterialien und Elektrolyten unterscheiden. Derzeit kommen in vielen Anwendungen Akku-Packs mit Lithium-Ionen-Batteriezellen und Nickel-Metallhybrid-Batteriezellen zum Einsatz. Darüber hinaus ist es auch bekannt, bipolare Batteriezellen zu verwenden, durch die die Leistungsdichte der Batterie weiter gesteigert werden kann. Üblicherweise werden für eine Batterie Batteriezellen eines Batteriezellentyps verwendet. Es ist für einige Anwendungen aber auch möglich und zweckmäßig Batteriezellen unterschiedlicher Batteriezellentypen einzusetzen.
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Insbesondere bei großen Batterien, beispielsweise zum Betrieb elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Batteriezellen eingesetzt wird, treten innerhalb der Batterie unter anderem beim Laden mit vergleichsweise hohen Stromstärken Bereiche mit hohen Temperaturen auf, durch die der Lade- beziehungsweise Entladevorgang der in dem Bereich hoher Temperatur angeordneten Batteriezellen sowie deren Lebensdauer beeinflusst wird. Die Bereiche erhöhter beziehungsweise hoher Temperaturen werden auch als Temperatur-Hot-Spots bezeichnet. Die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung wird durch eine Vielzahl von Faktoren wie beispielsweise die Art der verwendeten Batteriezellen, die relative Anordnung der Batteriezellen zueinander, der durch die Batteriezellen fließende Lade- beziehungsweise Entladestrom und den Alterungszustand der jeweiligen Batteriezelle beeinflusst.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen, eine Batterie bereitzustellen, bei der das Auftreten von Temperatur-Hot-Spots auch bei hohen Ladeströmen möglichst vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die positiven Endanschlüsse durch eine Plusleitungsanordnung und die negativen Endanschlüsse durch eine Minusleitungsanordnung elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Widerstand der Plusleitungsanordnung und der Minusleitungsanordnung so klein ist, dass bei einem Batterieladevorgang und/oder einem Batterieentladevorgang eine Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen ausschließlich durch die Zellanordnung vorgegeben ist. Bei Versuchen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung und insbesondere das Auftreten von Temperatur-Hot-Spots auch durch den elektrischen Widerstand der Kontaktierung der positiven Endanschlüsse und der negativen Endanschlüsse beeinflusst wird und dass auch bei vergleichsweise hohen Ladeströmen weniger Hot-Spots auftreten, wenn der elektrische Widerstand der Kontaktierung möglichst gering ist. Ein ausreichend niedriger elektrischer Widerstand kann beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung der Leitungsquerschnitte der Plusleitungsanordnung und der Minusleitungsanordnung erreicht werden. Dabei sind Querschnitte erforderlich, die deutlich größer als die üblicherweise verwendeten und beispielsweise in den entsprechenden Normen bei gegebenen Stromstärken als geeignet bezeichneten Querschnitten sind. Ebenso ist es erforderlich, dass die elektrischen Widerstände der Leitungsanordnungen deutlich niedriger als die üblicherweise als ausreichend angesehenen elektrischen Widerstände sind.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Batteriezellen um Sekundärzellen, sodass die Batterie mehrfach geladen werden kann. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Batterie insbesondere auch bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Batterie zu sämtlichen denkbaren Einsatzzwecken verwendet werden. Als Batteriezellen können vorteilhafterweise unter anderem Nickel-Metallhybrid-, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden. Auch der Einsatz bipolarer Batteriezellen ist erfindungsgemäß vorgesehen.
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Bei weiteren Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung besonders vorteilhaft dadurch beeinflusst werden kann, dass die Plusleitungsanordnung und/oder die Minusleitung durch elektrisch leitende Platten gebildet werden, die an den positiven Endanschlüssen beziehungsweise den negativen Endanschlüssen elektrisch leitend anliegen. Zudem kann die Kontaktierung durch die Verwendung elektrisch leitender Platten sehr einfach und kostengünstig erreicht werden.
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Um einen ausreichend niedrigen elektrischen Widerstand der elektrisch leitenden Platten zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Platten aus Kupfer hergestellt sind. Darüber hinaus weist Kupfer eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass beim Laden oder Entladen der Batterie in der Zellanordnung entstehende Wärme zusätzlich auch über die Platten aus Kupfer abgeleitet werden kann. Auf diese Weise kann die Temperaturverteilung innerhalb der Batterie beziehungsweise der Zellanordnung weiter positiv beeinflusst werden.
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Ein ausreichend niedriger elektrischer Widerstand wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass die Platten jeweils eine Dicke zwischen 0,5 cm und 1 cm, vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 cm und 2 cm und besonders vorzugsweise eine Dicke von größer als 2 cm aufweisen. Die geeignete Plattenstärke hängt auch von der jeweiligen Entlade- beziehungsweise Ladestromstärke ab.
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Die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung kann auch dadurch positiv beeinflusst werden, dass elektrische Widerstände zwischen Anschlusspunkten, in denen die Plusleitungsanordnung beziehungsweise die Minusleitungsanordnung mit weiteren elektrischen Geräten verbunden werden kann und jedem positiven Endanschluss beziehungsweise negativen Endanschluss unter gleichen Umgebungsbedingungen gleich sind. Um dies zu erreichen sollten beispielsweise bei Verwendung mehrerer Anschlusskabel, die von den positiven Endanschlüssen beziehungsweise den negativen Endanschlüssen zu den jeweiligen Anschlusspunkten führen, sämtliche Anschlusskabel die gleiche Länge und den gleichen Leitungsquerschnitt aufweisen.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zellanordnung mehrere Batteriereihen mit elektrisch in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweist, wobei jede Batteriereihe einen positiven Endanschluss oder einen negativen Endanschluss aufweist. Dieser Batterieaufbau ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
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Um die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung insbesondere bei Verwendung elektrisch leitender Platten besonders positiv beeinflussen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Batterie mindestens eine Batteriereihe mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Batterieabschnitten aufweist, wobei jeder Batterieabschnitt aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen besteht und wobei jede Batteriereihe mehrere positive und negative Endanschlüsse aufweist, deren Anzahl der Anzahl in einem Batterieabschnitt parallel geschalteter Batteriezellen entspricht. Bei Versuchen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch die Verwendung eines solchen Batterieaufbaus die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plusleitungsanordnung beziehungsweise der Minusleitungsanordnung besonders gut beeinflusst werden kann. Zudem hat dieser Batterieaufbau den Vorteil, dass ein Ausfall einer einzelnen Batteriezelle nicht zu einem Ausfall der gesamten Batteriereihe führt, da der Strom durch die weiterhin betriebsbereiten und zu der defekten Batteriezelle parallel geschalteten Batteriezellen geführt werden kann.
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Um eine möglichst einfache Parallelschaltung der Batteriezellen eines Batterieabschnitts und gleichzeitig eine möglichst einfache Kontaktierung benachbarter Batterieabschnitte miteinander zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass benachbarte Batterieabschnitte und die Batteriezellen der benachbarten Batterieabschnitte über elektrisch leitende Zellenplatten elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so dass die elektrische Parallelschaltung der Batteriezellen zweier benachbarter Batterieabschnitte und die elektrische Reihenschaltung der beiden benachbarten Batterieabschnitte über eine Zellenplatte erfolgt. Vorzugsweise sind mindestens drei hintereinanderliegende Batterieabschnitte durch Zellenplatten miteinander verbunden. Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auch die Zellenplatten aus Kupfer hergestellt sind. Auf diese Weise kann zusätzlich auch weitere Wärmeenergie aus der Zellanordnung über die Zellenplatten abgeführt werden.
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Batterien werden heutzutage üblicherweise über elektronische Schaltnetzteile beziehungsweise Wechselrichter geladen und stellen ebenfalls über entsprechende Leistungselektronik die gespeicherte elektrische Energie Verbrauchern zur Verfügung. Moderne Batterien werden also grundsätzlich mit hochfrequenten Lade- und Entladeströmen belastet. Durch die hochfrequenten Schaltvorgänge in der Leistungselektronik bewegen sich die Ladungsträger durch die in Reihe miteinander geschalteten Batteriezellen in einer Art Wellenbewegung. Durch die hochfrequente Bewegung der Ladungsträger in den einzelnen Batteriezellen werden in den Batteriezellen Wechselstromfelder induziert, die Einfluss auf benachbarte und insbesondere auf die in Reihe unmittelbar vorausgehend und nachfolgend geschalteten Batteriezellen nehmen. Durch diese Wechselstromfelder entstehen in den benachbarten Batteriezellen zusätzliche Ladungsträgerverschiebungen, wodurch zum einen eine ungleichmäßige Verteilung der Ladungsträgerströme zwischen den Batteriezellen und zum anderen eine Temperaturerhöhung einzelner Batteriezellen hervorgerufen werden. Durch die Verwendung der Platine werden diese Wechselfelder nahezu vollständig von den in Reihe vorausgehenden oder nachfolgenden Batteriezellen abgeschirmt. Zudem wird durch die Verwendung der Leiterschleifen eine Dämpfung der hochfrequenten Ladungsträgerbewegungen in den Batteriezellen erreicht, sodass die üblicherweise entstehenden Wechselstromfelder deutlich reduziert werden können. Auf diese Weise kann der Einfluss der Leistungselektronik auf die Wärmeentwicklung innerhalb der Zellen deutlich verringert werden.
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Die Zellenplatten können erfindungsgemäß so dimensioniert werden, dass die üblicherweise entstehenden Wechselstromfelder ausreichend stark gedämpft werden, ohne dass die Batterie durch das zusätzlich notwendige Material in unnötiger Weise vergrößert oder zu schwer wird. Vorzugsweise haben die Zellenplatten eine Dicke von 0,3 cm bis 1 cm und ganz besonders bevorzugt eine Dicke von 0,4 cm bis 0,6 cm.
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Die Zellenplatten bilden auf ihren Seiten flächige Zellplattenebenen. Ganz besonders vorteilhaft sind die Zellenplatten solchermaßen ausgeführt, dass sie die Batteriezellen über Kontaktelemente kontaktieren, deren Kontaktflächen von den Zellplattenebenen beabstandet sind. Somit wird der Kontakt zwischen Zellenplatten und Batteriezellen nicht über das flächige Areal der kompletten Zellenplatten, sondern lediglich über die Kontaktflächen der Kontaktelemente hergestellt. Es ergibt sich somit ein wohldefinierter Übergangswiderstand zwischen Batteriezelle und Zellenplatte. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei dieser Ausführungsform der Zellenplatten die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezellen ganz besonders vorteilhaft beeinflusst wird.
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Die Kontaktelemente können dabei erfindungsgemäß als kreisförmige Noppen ausgebildet sein, die aus den Zellenplatten hervorragen. Die Kontaktelemente können vorzugsweise durch ein Prägeverfahren in die Zellenplatten eingebracht sein. Sie können alternativ durch ein Löt- oder Schweißverfahren auf den Zellenplatten aufgebracht sein. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente so angeordnet, dass jede Batteriezelle durch genau ein Kontaktelement kontaktiert wird. Die Noppen eignen sich auch ganz besonders gut, um Elemente bereitzustellen, an die die Batteriezellen angeklemmt werden können.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform sind die Kontaktelemente einseitig auf den Zellenplatten vorgesehen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Kontaktelemente beidseitig auf den Zellenplatten vorgesehen. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird jede Zellenplatte durch einseitig mit Kontaktelementen beprägte Platten gebildet, die zueinander solchermaßen angeordnet sind, dass die Kontaktelemente die Batteriezellen kontaktieren. Die beprägten Platten können hierbei miteinander fest verbunden sein oder auch lediglich durch einen Anpressdruck zwischen den Batteriezellen miteinander verbunden sein.
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Um einen möglichst kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Batterie zu erreichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Batteriezellen so angeordnet sind, dass jede Batteriezelle an mindestens zwei weiteren Batteriezellen in einem Zellenmantelbereich anliegt. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Batteriezellen so angeordnet, dass die Batteriezellen einen möglichst geringen Raum umschließen. Dadurch, dass die Temperaturverteilung innerhalb der Zellanordnung durch die erfindungsgemäße Plusleitungsanordnung und Minusleitungsanordnung positiv beeinflusst werden kann, können auch die Batteriezellen in geringerem Abstand zueinander angeordnet werden, da weniger Wärme von den innerhalb der Zellanordnung angeordneten Batteriezellen abgeführt werden muss.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Batterieanordnung mit einem tragbaren Behältnis und der erfindungsgemäßen Batterie. Eine solche Batterieanordnung ist transportabel, sodass die Batterie unterwegs eingesetzt werden kann. Besonders bevorzugt ist das tragbare Behältnis als Koffer ausgebildet. Ein solcher Koffer lässt sich an unterschiedliche Orte verbringen, wo direkt eine Energieversorgung durch die Batterieanordnung erfolgen kann. Vorteilhafterweise weist die Batterieanordnung einen Wechselrichter auf. Somit lässt sich der durch die erfindungsgemäße Batterie abgegebene Gleichstrom in Wechselstrom wandeln. Damit lassen sich mobil verschiedenste Verbraucher betreiben, denen Wechselstrom zur Verfügung gestellt werden muss, beispielsweise Musikanlagen. Da sich der Wechselrichter in der Batterieanordnung befindet, ist kein zusätzlicher externer Wechselrichter notwendig. Vorzugsweise ist der Wechselrichter in das tragbare Behältnis, das als Koffer ausgebildet ist, fest integriert.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Batterieanordnung Kontaktierungsstellen an dem tragbaren Behältnis auf. Diese Kontaktierungsstellen befinden sich vorzugsweise an einer Außenseite des tragbaren Behältnisses. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei den Kontaktierungsstellen um Steckdosen. Dabei kann es sich erfindungsgemäß um Steckdosen für SchuKo-Stecker handeln. Somit kann ein Verbraucher sehr einfach an die Batterieanordnung angeschlossen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
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Es zeigt:
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1a eine schematisch dargestellte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Batterie,
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1b eine schematisch dargestellte Draufsicht auf die in 1a dargestellte Batterie,
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2 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine Zellenplatte der in 1a und 1b dargestellten Batterie und
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3 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterieanordnung mit der erfindungsgemäßen Batterie.
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In den 1a und 1b ist schematisch eine Batterie 1 mit einer Zellanordnung 2 dargestellt. 1a zeigt eine Vorderansicht und 1b eine Draufsicht der Batterie 1. Üblicherweise weist die Batterie 1 auch einen Batteriezellenrahmen und/oder ein geeignetes Gehäuse auf. Diese und weitere übliche zusätzliche und an den jeweiligen Einsatzzweck anpassbaren Batterieteile sind nicht dargestellt.
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Die Zellanordnung 2 weist mehrere Batteriezellen 3 auf. Die Batteriezellen 3 sind in einer Batteriereihe 4 angeordnet, die mehrere in Reihe geschaltete Batterieabschnitte 5 aufweist. Jeder Batterieabschnitt 5 besteht aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen 3, wobei die Batteriezellen 3 übereinander und nebeneinander angeordnet sind.
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Die Zellanordnung 2 beziehungsweise die Batteriereihe 4 weist mehrere positive Endanschlüsse 6 sowie mehrere negative Endanschlüsse 7 auf. Die positiven Endanschlüsse 6 sind durch eine Plusleitungsanordnung 8 und die negativen Endanschlüsse 7 durch eine Minusleitungsanordnung 9 elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Bei der Plusleitungsanordnung 8 und der Minusleitungsanordnung 9 handelt es sich jeweils um elektrisch leitende Platten 10 aus Kupfer. Eine Dicke 11 der Platten 10 ist jeweils so bemessen, dass ein elektrischer Widerstand der Platten 10 so klein ist, dass bei einem Batterieladevorgang und/oder einem Batterieendladevorgang eine Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen 3 ausschließlich durch die Zellanordnung 2 vorgegeben ist.
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Die Batteriezellen 3 eines Batterieabschnitts 5 sowie die Batteriezellen 3 eines benachbarten Batterieabschnitts 5 sind jeweils über eine Zellenplatte 12 elektrisch leitend miteinander verbunden. Über die Zellenplatten 12 wird auch die elektrisch leitende Reihenschaltung der benachbart zueinander angeordneten Batterieabschnitte 5 erreicht.
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Die Batteriezellen 3 eines Batteriezellenabschnitts 5 liegen in Zellmantelbereichen 13 aneinander an. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter Aufbau der Batterie 1 erreicht werden. In der Zeichnung ist exemplarisch ein Zellmantelbereich 13 einer Batteriezelle 3 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
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2 zeigt eine Zellenplatte 12 der in 1a und 1b dargestellten Batterie. Die Zellenplatte 12 ist so ausgebildet, dass sie über Kontaktelemente 14 verfügt. Vorliegend sind die Kontaktelemente 14 als kreisförmige Noppen ausgebildet, die aus der Zellenplatte 12 herausragen. Die Kontaktelemente 14 sind solchermaßen angeordnet, dass jedes Kontaktelement 14 jede Batteriezelle 3 über genau ein Kontaktelement 14 kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt über eine Kontaktfläche 15 jedes Kontaktelements 14. Die Kontaktfläche 15 ist von der Zellplattenebene 16 der Zellenplatte 12 beabstandet. Maßgeblich ist hierbei, dass der Stromfluss zwischen den Batteriezellen 3 und den Zellenplatten 3 nur über die Kontaktelemente 14 stattfindet.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterieanordnung 17 mit der erfindungsgemäßen Batterie.
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Dabei ist das tragbare Behältnis als ein Koffer 18 mit einem Tragegriff 19 ausgebildet. Innerhalb des Koffers 18 befinden sich die erfindungsgemäße Batterie 1 und ein Wechselrichter (nicht gezeigt). An einer Außenseite des Koffers 18 sind Kontaktierungsstellen 20 in einer Steckdose 21 vorgesehen. Somit können mittels der Batterieanordnung 17 Wechselstromverbraucher mit Wechselstrom versorgt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Zellanordnung
- 3
- Batteriezelle
- 4
- Batteriereihe
- 5
- Batterieabschnitt
- 6
- Positiver Endanschluss
- 7
- Negativer Endanschluss
- 8
- Plusleitungsanordnung
- 9
- Minusleitungsanordnung
- 10
- Elektrisch leitende Platte
- 11
- Dicke der Platten
- 12
- Zellenplatte
- 13
- Zellmantelbereich
- 14
- Kontaktelement
- 15
- Kontaktfläche
- 16
- Zellplattenebene
- 17
- Batterieanordnung
- 18
- Koffer
- 19
- Tragegriff
- 20
- Kontaktierungsstelle
- 21
- Steckdose
