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Die Erfindung betrifft ein Trägerboardelement für die Zellverbinder einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, ein Trägerboard mit mehreren solchen Trägerboardelementen sowie eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einem solchen Trägerboard.
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Lithiumionen-Batteriemodule (nachfolgend auch Batterie genannt) für Hybrid- und Elektroautos und auch viele andere Batterien bestehen aus einer Vielzahl von Batteriezellen, welche über metallische Zellverbinder (auch Busbars genannt) elektrisch miteinander verschalten werden.
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Je nach gewünschter Antriebsleistung und/oder Betriebsspannung können sich solche Batterien in der Anzahl der verbauten Batteriezellen (sprich Modulgröße), in der elektrischen Verschaltung (zum Beispiel rein serielle Schaltung versus parallel/serielle Schaltung) und/oder in der erreichbaren Stromtragfähigkeit (sprich Leistungsklasse) unterscheiden.
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Bei der Fertigung solcher Batterien ist es eine Herausforderung, eine Vielzahl verschiedener Batterietypen, die sich in den im vorigen Absatz genannten Ausprägungen nahezu beliebig unterscheiden können, mit einem möglichst geringen Aufwand herzustellen.
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In der Praxis hat sich bewährt, dass für verschiedene Batterietypen immer die gleichen Batteriezellen verwendet werden, die dann je nach Anforderung geeignet seriell und/oder parallel verschaltet werden, sodass unterschiedliche Betriebsspannungen erreicht und/oder unterschiedliche Leistungen abgerufen werden können.
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Beispielsweise werden dann - auch bei unterschiedlichen Batterietypen - grundsätzlich die einzelnen, beispielsweise Kassetten-förmigen, Batteriezellen mit benachbarten Breitseiten aneinander angeordnet und unterscheiden sich dann nur in der elektrischen Verschaltung.
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Für die elektrische Verschaltung wird bei vielen herkömmlichen Batterietypen den Batteriezellen an deren Kontaktseite (sprich der Zellenseite mit positivem und negativem Batteriezellanschluss) ein Zellkontaktiersystem aufgesetzt, bei welchem gemäß der gewünschten Verschaltung die Zellverbinder selektiv mit einzelnen Polen von Batteriezellen sowie untereinander verbunden werden.
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In einer bekannten Ausführung eines solchen Zellkontaktiersystems besteht dieses aus einer Vielzahl von Trägerplatten, welche miteinander verclipst und so gestaltet sind, dass sie lediglich mit an die Geometrie der jeweiligen Trägerplatten angepassten Zellverbindern benutzt werden können.
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Solche Zellkontaktiersysteme weisen zum einen hohe Längentoleranzen entlang der Stapelrichtung der Batteriezellen auf, und sind aufgrund der gewählten Geometrie der Trägerplatten auf eine bestimmte Verschaltungsart festgelegt.
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Die eingangs genannte Vielfalt von Batterietypen kann mit solchen Trägerplatten nur hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Batteriezellen abgefangen werden, nicht aber hinsichtlich unterschiedlicher paralleler/serieller elektrischer Verschaltung oder unterschiedlicher zu übertragender Leistungen.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, ein einfacheres Zellkontaktiersystem zu schaffen, dass hinsichtlich unterschiedlicher Batterietypen ein breiteres Anwendungsfeld aufweist.
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Dieses Problem wird gelöst durch ein Trägerboardelement gemäß Anspruch 1, ein Trägerboard gemäß Anspruch 7 sowie eine Batterie gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Trägerboardelement für die Zellverbinder einer Batterie mit mehreren Batteriezellen weist eine Mehrzahl gleichmäßig voneinander beabstandeter Zellaufnahmen auf, wobei jeder dieser Zellaufnahmen wenigstens ein Rastelement zum Einrasten eines Zellverbinders zugeordnet ist, das an dem Trägerboardelement angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind an den Rastelementen mehrere Zellverbinder verliersicher übereinander einrastbar.
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Das erfindungsgemäße Trägerboard weist wenigstens zwei Trägerboardelemente im Sinne der Erfindung auf, wobei benachbarte Trägerboardelemente mittels einer Feder-Nut-Verbindung sowie mittels der an den Rastelementen einzurastenden Zellverbinder zueinander und/oder mittels einer Kunststoff-Schweißverbindung zueinander festlegbar sind.
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Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere Batteriezellen und ein Trägerboard im Sinne der Erfindung auf. Die Zahl der Trägerboardelemente der Batterie ist auf die Zahl der Batteriezellen abgestimmt. An wenigstens einem der Rastelemente ist mehr als ein Zellverbinder eingerastet.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Idee zugrunde, ein bezüglich der Anzahl der in einer Batterie zu verbindenden Batteriezellen relativ frei anpassbares Trägerboard einzuführen, das aber trotz dieser Flexibilität eine freie Konfiguration der Zellverbinder selbst ermöglicht. Indem die einzelnen Trägerboardelemente ein verliersicheres Einrasten mehrere Zellverbinder übereinander ermöglichen, kann mit wenigen verschiedenen oder gar nur einer einzigen Zellverbinder-Geometrie eine große Variation an Batterietypen auf Basis der immer gleichen Batteriezellen erreicht werden.
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So kann beispielsweise mit den erfindungsgemäßen Trägerboardelementen in einem Bereich, in dem zwei gleichartige Pole von zwei Batteriezellen parallel verschalten werden, wegen der geringeren geforderten Stromtragfähigkeit nur ein einzelner Zellverbinder eingerastet werden, während in einem anderen Bereich, in welchem der Strom dieser beiden zuvor parallel verschalteten Batteriezellen geleitet werden muss, zwei oder drei Zellverbinder eingerastet werden, um die benötigte, höhere Stromtragfähigkeit erreichen zu können.
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Für die Zwecke der Erfindung genügt es, dass das Einrasten lediglich „verliersicher“ erfolgt; denn es geht hauptsächlich um die effiziente Vorbereitung der Endmontage der Batterie, bei welcher die Zellverbinder dann ohnehin mit den Batteriepolen beispielsweise verschweißt oder anderweitig geeignet verbunden werden. „Verliersicher“ muss im Sinne der Erfindung also nicht zwingend bedeuten, dass die Zellverbinder bereits im Moment des Einrastens 100-prozentig festgelegt sind. Deshalb ist es auch möglich, verschiedene, später beschriebene beispielhafte Ausführungen solcher verliersicherer Rastelemente zu verwenden, bei welchen zumindest der erste eingerastete Zellverbinder beispielsweise in Richtung vom Batteriepol weg noch abgehoben werden kann (bis er dann angeschweißt wird). Nichtsdestotrotz kann natürlich im Sinne der Erfindung trotzdem vorgesehen sein - speziell beim Einrasten einer maximal vorgesehenen Anzahl von Zellverbindern - dass die Zellverbinder in den Rastelementen bereits vor dem (nicht zur Erfindung gehörigen) Verschweißen mit den Polen fest sitzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist ein Rastelement eine Zentralachse auf, um die herum angeordnet wenigstens zwei, insbesondere drei oder vier, bezüglich der Zentralachse radial rastende Schnapphaken angeordnet sind, die vorzugsweise einstückig mit dem Trägerboardelement ausgebildet sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass gegebenenfalls bereits ein einziges Rastelement ausreichen kann, um einen oder mehrere Zellverbinder übereinander verliersicher am Trägerboardelement einzurastenden. Vorzugsweise sind die Zellverbinder dazu aus einem Strom leitenden, metallischen Material ausgebildet und/oder weisen eine Ausnehmung auf, deren Durchmesser so auf die Schnapphaken abgestimmt ist, dass diese einrasten, wenn das Rastelement mit den Schnapphaken durch die Ausnehmung in durchgeführt wird. Im Rahmen dieser Anmeldung wird von einem Einrasten eines Zellverbinders im Rastelement gesprochen, wenn dieser Zellverbinder mit einer solchen Ausnehmung an ein Rastelement herangeführt und die Schnapphaken durch die Ausnehmung hindurchgeführt werden, sodass sie einrasten.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführung weist ein Rastelement eine Zentralachse und einen daran entlang verlaufenden, insbesondere heißverstemmten, Pin auf. Diese Alternative kann fertigungstechnisch einfacher sein, erfordert jedoch wegen der geringeren, zur Verfügung stehenden elastischen Verformbarkeit des heißverstemmten Pins (im Vergleich mit der Mehrzahl an Schnapphaken gemäß der anderen Alternative) eine engere Abstimmung der Abmaße der Ausnehmung des Zellverbinders einerseits und des heißverstemmten Kopfes des Pins andererseits.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung kann hingegen ein Rastelement verbaut werden, das neben einem Element mit Rasthaken (wie bei den beiden zuerst beschriebene Alternativen) zusätzlich einen Anschlag am Körper des Trägerboardelements benötigt. Bei dieser Ausführung weist das Rastelement wenigstens zwei, insbesondere drei, unterschiedlich von einer Hauptebene des Trägerboardelements beabstandete Schnapphaken und einen Gegenanschlag auf, wobei jeder dieser Schnapphaken mit dem Trägerboardelement verbunden ist, vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet ist, und die Schnapphaken zueinander benachbart, insbesondere nebeneinander, angeordnet sind.
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Bei dieser Gestaltung entfällt die Notwendigkeit, in dem Zellverbinder eine Ausnehmung vorzusehen, die in den beiden zuerst beschriebene Alternativen insbesondere bei einer geschlossenen Ausführung der Ausnehmung zur Verliersicherheit beiträgt. Die Verliersicherheit ergibt sich in der hier beschriebenen Ausführung aus dem (insbesondere elastischen) Einspannen des Zellverbinders zwischen den Schnapphaken und dem Gegenanschlag. Durch das Vorsehen mehrerer nebeneinander angeordneter Schnapphaken mit unterschiedlichem Abstand zu einer Hauptebene des Trägerboardelements besteht die Möglichkeit, einen, zwei oder drei Zellverbinder einzurasten.
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Um insbesondere auch Batterien mit Standard-Batteriezellentypen im Sinne der Erfindung aufbauen zu können, ist gemäß einer bevorzugten Ausführung ein Trägerboardelement mit wenigstens zwei Zellverbinder-Reihen vorgesehen, die jeweils eine Mehrzahl gleichmäßig beabstandeter Zellaufnahmen vorsehen.
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Dabei kann vorzugsweise die mechanische Stabilität eines Trägerboards mit mehreren solchen Trägerboardelementen verbessert werden, indem die Zellverbinder-Reihen, vorzugsweise um den Abstand zweier benachbarter Zellenaufnahmen einer Reihe, versetzt zueinander angeordnet sind. Durch den versetzten Verlauf des Randes des Körpers des Trägerboardelements kann dieser in seiner Funktion als Verbindungselement mit dem entsprechenden Rand des benachbarten Trägerboardelement mehr strukturelle Verstärkung in das Trägerboard einbringen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Trägerboard zusätzlich ein vorderes und ein rückwärtiges Stromabgriffselement auf, wobei jedes der Stromabgriffselemente mit einem der Trägerboardelement der verbunden ist. Vorzugsweise bilden das vordere Stromabgriffselement, das rückwärtiges Stromabgriffselement sowie die dazwischen angeordneten Trägerboardelemente das Trägerboard, wobei vorzugsweise die Verbindung zwischen einem der Stromabgriffselemente und dem benachbarten Trägerboardelement gleichartig der Verbindung zweier benachbarter Trägerboardelement ausgebildet ist. Ebenso ist vorzugsweise an jedem der Stromabgriffselemente wenigstens eine Zellaufnahme vorgesehen, die aufgrund der Verbindung mit dem benachbarten Trägerboardelement von den Zellaufnahmen des Trägerboardelement genauso beabstandet ist wie diese untereinander. Im Sinne der Erfindung können die Stromabgriffselemente vorzugsweise jeweils als eine Art „abschließendes Trägerboardelement“ verstanden werden, das einen Anschluss der verschalteten Zellverbinder beispielsweise an weitere Lagen eines Batteriemoduls ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Zahl der Trägerboardelemente auf die Zahl der Batteriezellen der Batterie abgestimmt. So kann im einzelnen Anwendungsfall die Größe des Trägerboards an die Anzahl der Batteriezellen angepasst werden. Wenn zwischen einzelnen Batteriezellen unterschiedlich große Ströme transportiert werden müssen, beispielsweise wenn jeweils eine Mehrzahl benachbarter Zellen parallel verschaltet wird, und diese „Parallelpakete“ ihrerseits in Reihe geschaltet werden, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit zwischen den „Parallelpaketen“ an wenigstens einem der Rastelemente mehr als ein Zellverbinder eingerastet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass im Bereich höherer Stromtraglast anstatt eines einzelnen Zellverbinders ein größerer Materialquerschnitt (in der Form mehrere Zellverbinder) zur Stromleitung zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise ist dabei zur Verbindung von wenigstens zwei Batteriezellen ein zweiter Zellverbinder an einem Rastelement über einem ersten Zellverbinder eingerastet, der mehr als zwei Batteriezellen verbindet. Alternativ bevorzugt kann zur Verbindung von wenigstens zwei Batteriezellen ein zweiter Zellverbinder zwischen zwei ersten Zellverbindern angeordnet sein, wobei der zweite Zellverbinder einen Überlappungsbereich mit jedem der ersten Zellverbinder aufweist, an welchem beide Zellverbinder mittels eines Rastelements eingerastet sind. Um eine weiter verbesserte Stromtragfähigkeit zu erreichen, kann nötigenfalls über dem zweiten Zellverbinder ein dritter Zellverbinder eingerastet sein.
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Um eine platzsparende Integration einer geeigneten Batteriesteuerung zu ermöglichen, ist über den Zellverbinder eine Buchse oder ein Stiftleist für einen Stecker der Batteriesteuerung, insbesondere für eine BMS-Buchse oder ein BMS-Stiftleist, angeordnet.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einem Trägerboard nach einer beispielhaften Ausführung in einer Schrägansicht;
- 2 zeigt ein Trägerboard nach einer beispielhaften Ausführung in einem verbundenen Zustand (2a) sowie dessen Trägerboardelemente in einem nicht verbundenen Zustand (2b); und
- 3 zeigt unterschiedliche beispielhafte Ausführungen von Rastelementen: radial angeordnete Schnapphaken in einer Schrägansicht (3a), heißverstemmte Pins in einer seitlichen Schnittansicht (3b) sowie linear nebeneinander angeordnete Schnapphaken mit einem Gegenanschlag in einer Schrägansicht (3c).
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In 1 ist eine Batterie 1 mit zweiundzwanzig Batteriezellen 2 gezeigt. Die Batterie 1 weist ein Trägerboard 4 auf, das aus mehreren (hier vier) Trägerboardelementen 6 sowie einem vorderen Stromabgriffselement 8.1 und einem rückwärtigen Stromabgriffselement 8.2 zusammengesetzt ist.
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Die Batterie 1 ist im Ausführungsbeispiel mit einer 11s2p-Verschaltung versehen, sprich jeweils zwei benachbarte Batteriezellen 2 sind zueinander parallel geschaltet, und elf dieser zueinander parallelgeschalteten Nachbar-Batteriezellen sind zueinander in Serie geschaltet. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind selbstverständlich gleichartige Schaltungen mit einer anderen Zahl von Batteriezellen oder von zueinander parallelgeschalteten Batteriezellen ebenso denkbar wie rein serielle Verschaltungen.
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Die Batterie 1 weist zudem Stromabgriffsbuchsen 10 zur Verbindung mit weiteren Batterien und/oder dem Leistungsabnehmer auf.
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An dem Trägerboard 4 und damit auch an den einzelnen Trägerboardelementen 6 sind in gleichmäßigen Abständen beidseits einer zentralen Flex-Platine 12 zur Vermessung und Steuerung der Batteriezellen Zellaufnahmen 14 angeordnet, die in 1 nur schlecht erkennbar sind (die Zellaufnahmen 14 sind in 2 deutlich erkennbar).
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Im Bereich der Zellaufnahmen 14 sind an den Trägerboardelementen 6 (im Ausführungsbeispiel an unterschiedlichen Positionen bezüglich der Zellaufnahmen, was allerdings nicht zwingend so sein muss) Rastelemente 16 angeordnet, an denen mehrere Zellverbinder verliersicher übereinander einrastbar sind.
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Aus der Darstellung der 1 ist ersichtlich, dass zur parallelen Verschaltung jeweils zweier benachbarter Batteriezellen 2 auf einer ersten Ebene nebeneinander zwei erste Zellverbinder 18.1a und 18.1b in das Rastelement 16 eingerastet sind, und auf einer zweiten Ebene zusätzlich ein zweiter Zellverbinder 18.2 in das Rastelement 16 eingerastet ist. Dieser zweite Zellverbinder 18.2 verbindet die ersten Zellverbinder 18.1a und 18.1b stromführend miteinander.
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In 2a ist ein Trägerboard 4 dargestellt, das zusammengesetzt ist aus einem vorderen Stromabgriffselement 8.1, zwei Trägerboardelementen 6.1 und 6.2, sowie einem rückwärtigen Stromabgriffselement 8.2. Die Rastelemente 16.1 und 16.2 sind auch in 2a gut erkennbar.
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Ebenso ist gut erkennbar, dass die Grenze zwischen den einzelnen Elementen 6 und 8 circa um die Breite von zwei Zellausnehmungen 14 versetzt verläuft, bezogen auf die aufgeteilte Anordnung der Zellaufnahmen 14 in zwei parallele Zellaufnahme-Reihen.
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2b zeigt das Trägerboard 4 aus 2a in einem nicht montierten Zustand. Es ist erkenntlich, dass die Trägerboardelemente 6.1 und 6.2 jeweils auf der linken Seite eine Feder 18 und auf der rechten Seite eine Nut 20 einer Feder-Nut-Verbindung zur Montage des Trägerboard 4 aufweisen. Die Stromabgriffselemente 8 sind so ausgebildet, dass sie entsprechend mit den Trägerboardelementen verbunden werden können.
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In 3a ist ein Ausschnitt eines Trägerboards 4 in einer Ausführung gezeigt, in welcher die Rastelemente 16 mit vier gleichsam Pilz-förmig - also um eine zentrale Achse - angeordneten Schnapphaken 30 ausgebildet sind. Jeder der vier Schnapphaken 30 weist ein Schnappelement 32 und einen Federarm 34 auf.
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Wenn nun - wie in 3a eingezeichnet - ein Zellverbinder 18 an seinen Ausnehmungen 36 in die Rastelemente 16.1 und 16.2 des Trägerboards eingerastet wird, federn die Federarme 34 zurück, weil an den Schrägen der Schnapphaken 32 eine Kraft hin zur Zentralachse aufgebracht wird. Wird der Zellverbinder 18 nun noch weiter heruntergedrückt, passiert die Ausnehmung 36 die Schnapphaken 32, sodass die Federarme 34 zurückfedern können. Die Schnapphaken 32 fungieren nach dem Einrasten als Widerhaken, die die verliersichere Anbindung des Zellverbinders 18 an das Trägerboard 4 sicherstellen.
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Durch das Einrasten an zwei Rastelementen 16.1, 16.2 im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zellverbinder 18 nicht nur verliersicher sondern auch drehfest mit dem Trägerboard 4 verbunden.
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In 3b ist eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnittes einer Batterie 1 mit Batteriezellen 2.3 und 2.4 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Rastelemente 16 als heißverstemmter Pin 40 mit einem Kopf 42 und einem Abstandshalter 44 ausgeführt.
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Aus 3b ist zusätzlich erkennbar, dass übereinander zuerst ein erster Zellverbinder 18.1 und anschließend ein zweiter Zellverbinder 18.2 an den Rastelementen 16 eingerastet ist.
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Das Einrasten funktioniert bei diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie bei dem gemäß 3a. Anders ist lediglich, dass die zum Einrasten der Zellverbinder 18 nötige elastische Verformung aus einer elastischen Materialverformung des Kopfes 42 des Pins 40 resultiert, die auftritt, wenn ein Zellverbinder 18 an dem nach oben in etwa halbkreisförmig ausgebildeten Kopf 40 nach unten bewegt wird.
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Das für den Pin 40 verwendete Kunststoff-Material muss daher eine ausreichend große elastische Verformbarkeit aufweisen, die größer ist, als die bei den Schnapphaken 30 gemäß 3A benötigte. Das Vorsehen der entsprechenden Elastizitäten bzw. Materialien der Rastelemente kann in an sich bekannter Art und Weise erfolgen.
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In 3c ist ein Ausschnitt eines Trägerboards 4 mit Rastelementen 16 gezeigt, die als linear nebeneinander angeordnete Schnapphaken 50 mit einem Gegenanschlag 60 ausgebildet sind.
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Jedes der Rastelemente ist im Ausführungsbeispiel mit drei linear nebeneinander angeordneten Schnapphaken 50.1,50.52.3 ausgebildet.
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In der Darstellung der 3C hat der links dargestellte Schnapphaken 50.1 den kürzesten Federarm, der ausreichend lang ist, um einen ersten Zellverbinder 18.1 mit seiner Wandstärke verliersicher am Trägerboard 4 einzurasten, wenn der Zellverbinder auf der anderen Seite am Gegenanschlag 60 anliegt. Der mittig dargestellte Schnapphaken 50.2 hat bereits einen längeren Federarm, um - wie in der Abbildung dargestellt - zusätzlich einen zweiten Zellverbinder 18.2 einzurasten, wenn dieser wiederum auf der anderen Seite am Gegenanschlag 60 anliegt. Der rechts dargestellte Schnapphaken 50.3 hat einen noch längeren Federarm, der zusätzlich die Aufnahme eines dritten Zellverbinders (nicht dargestellt) ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriezellen
- 4
- Trägerboard
- 6
- Trägerboardelement
- 8
- Stromabgriffselement
- 10
- Stromabgriffsbuchse
- 12
- Flex-Platine
- 14
- Zellaufnahmen
- 16
- Rastelement
- 18
- Zellverbinder
- 19
- Feder
- 20
- Nut
- 30
- Schnapphaken
- 32
- Schnappelement
- 34
- Federarm
- 36
- Ausnehmung
- 40
- Pin
- 42
- Kopf
- 44
- Abstandshalter
- 50
- Schnapphaken
- 60
- Gegenanschlag
