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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Zellverbinder nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul mit einem solchen Zellverbinder.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, wenigstens aus einem Batteriemodul oder vorteilhaft auch aus einer Mehrzahl an Batteriemodulen bestehen. Weiterhin weist ein Batteriemodul bevorzugt eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche untereinander zu dem Batteriemodul verschaltet sind, wobei die einzelnen Batteriezellen seriell oder parallel mittels Zellverbindern miteinander verschaltet sein können.
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Dabei ist es bekannt, dass ein Zellverbinder einen flexiblen Bereich aufweist, um Bewegungen der einzelnen Batteriezellen relativ zueinander kompensieren zu können oder auch um Toleranzen bei der Herstellung und Montage ausgleichen zu können.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 2013 210 945 A1 dafür einen Zellverbinder mit einer mechanischen Ausgleichsstelle, welche in Form einer Ausgleichswelle ausgebildet ist.
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Des Weiteren zeigt die Druckschrift
DE 10 2015 200 990 A1 einen in eine Batteriezelle integrierten flexiblen Zellverbinder, welcher einen mechanischen Ausgleich in einer Richtung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Zellverbinder mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Zellverbindern den Vorteil, dass auf zuverlässige und einfache Weise eine Kompensation von Relativbewegungen von Batteriezellen und von mechanischen Belastungen in allen drei jeweils senkrecht zueinander angeordneten Raumrichtungen möglich ist. Dadurch ist es insbesondere vorteilhaft auch möglich, Belastungen auf einen Spannungsabgriff einer Batteriezelle, welcher mit dem Zellverbinder verbunden ist, zu reduzieren.
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Zudem kann ein solcher Zellverbinder einfach in bereits bekannte Batteriemodule, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batteriemodule, integriert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Zellverbinder, insbesondere eines Batteriemoduls, zur Verfügung gestellt. Dabei weist der Zellverbinder einen ersten Anbindungsbereich auf, welcher zu einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Spannungsabgriff einer ersten Batteriezelle ausgebildet ist, und weist einen zweiten Anbindungsbereich auf, welcher zu einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Spannungsabgriff einer zweiten Batteriezelle ausgebildet ist. Weiterhin weist der Zellverbinder eine Längsrichtung auf, die von dem ersten Anbindungsbereich zu dem zweiten Anbindungsbereich weist.
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Zwischen dem ersten Anbindungsbereich und dem zweiten Anbindungsbereich weist der Zellverbinder weiterhin einen Kompensationsbereich auf, der zumindest ein erstes Kompensationselement umfasst.
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Das Kompensationselement umfasst dabei einen ersten Kompensationsabschnitt mit einer ersten Querrichtung und einen zweiten Kompensationsabschnitt mit einer zweiten Querrichtung.
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Dabei bilden die erste Querrichtung des ersten Kompensationsabschnitts und die Längsrichtung des Zellverbinders einen ersten Winkel aus und die zweite Querrichtung des zweiten Kompensationsabschnitts und die Längsrichtung des Zellverbinders einen zweiten Winkel aus.
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Dabei sind der erste Winkel und/oder der zweite Winkel jeweils als spitze Winkel ausgebildet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegeben Vorrichtungen möglich.
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Unter einem spitzen Winkel soll dabei ein Winkel mit einer Gradzahl größer als 0° und kleiner als 90° bezeichnet sein.
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Der Zellverbinder kann mittels des ersten Anbindungsbereichs und mittels des zweiten Anbindungsbereichs elektrisch leitend mit einem Spannungsabgriff einer ersten Batteriezelle bzw. einer zweiten Batteriezelle verbunden sein, wobei diese Verbindungen jeweils bevorzugt stoffschlüssig, wie beispielsweise geschweißt oder gelötet, ausgebildet sind. Dadurch kann der Zellverbinder die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle elektrisch seriell oder parallel miteinander verschalten.
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Der Kompensationsbereich dient dazu, auftretende Änderungen in der relativen Position zwischen dem ersten Anbindungsbereich und dem zweiten Anbindungsbereich in allen drei jeweils senkrecht zueinander angeordneten Raumrichtungen zu kompensieren, wodurch insbesondere auch Änderungen von Winkeln kompensiert werden können. Somit können vorteilhafterweise die Belastungen auf die Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Anbindungsbereich und dem Spannungsabgriff der jeweiligen Batteriezelle reduziert werden und insbesondere können diese Belastungen in einem für die Sicherheit der Verbindungsstelle unkritischen Bereich gehalten werden.
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Von Vorteil ist es, wenn das erste Kompensationselement weiterhin einen dritten Kompensationsabschnitt aufweist, welcher zwischen dem ersten Kompensationsabschnitt und dem zweiten Kompensationsabschnitt angeordnet ist. Dabei ist der dritte Kompensationsabschnitt weiterhin mit dem ersten Kompensationsabschnitt und zweiten Kompensationsabschnitt elektrisch leitend verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Zellverbinder auf einfache Weise an unterschiedliche Geometrien angepasst werden kann. Insbesondere ist es dadurch auf einfache Weise möglich, unterschiedliche erste Winkel und/oder unterschiedliche zweite Winkel auszubilden, um den Zellverbinder an zu erwartende Relativbewegungen, welche in allen drei jeweils senkrecht zueinander angeordneten Raumrichtungen auftreten können, anzupassen. Somit wird ein Zellverbinder geschaffen, der an unterschiedliche Belastungsarten und - richtungen angepasst werden kann.
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Dabei ist es zweckmäßig, dass der erste Anbindungsbereich und/oder der zweite Anbindungsbereich in einer ersten Ebene angeordnet sind und dass der dritte Kompensationsabschnitt in einer von der ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene angeordnet ist. Dadurch ist ein sehr einfacher Aufbau eines Zellverbinders möglich, welcher zudem zuverlässig eine Kompensation in allen drei senkrecht zueinander angeordneten Raumrichtungen gewährleistet.
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Bevorzugt weisen dabei der erste Winkel und der zweite Winkel jeweils einen Wert zwischen 25° und 65° auf, weiter bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 55° und insbesondere weisen der erste Winkel und der zweite Winkel dabei einen Wert von 45° auf. Derartige Winkel bieten den Vorteil, dass eine auftretende Relativbewegung oder ein auftretender Winkelversatz zwischen den Batteriezellen sicher ausgeglichen werden können. Und weiterhin kann durch die Wahl geeigneter Winkel zu erwartenden Belastungen und Relativbewegungen entsprochen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Winkel und der zweite Winkel einen identischen Wert auf, so dass eine einfache Ausbildung des Zellverbinders möglich ist.
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Vorteilhafterweise ist der Zellverbinder weiterhin einteilig ausgebildet. Dadurch kann der Zellverbinder einfach mit bekannten Herstellverfahren, wie beispielsweise einem Stanzbiegeverfahren oder einem Stanztiefziehverfahren und weiteren bekannten Verfahren kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Kompensationsbereich zudem ein zweites Kompensationselement aufweist, welches dem oben beschriebenen ersten Kompensationselement entsprechend ausgebildet ist. Insbesondere ist der Kompensationsbereich in der Art ausgebildet, dass das zweite Kompensationselement spiegelsymmetrisch zu dem ersten Kompensationselement ausgebildet ist, wobei insbesondere die von dem ersten Anbindungsbereich zu dem zweiten Anbindungsbereich weisende Längsrichtung in der Spiegelebene angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, umfasst der Zellverbinder, bevorzugt der Kompensationsbereich und insbesondere der dritte Kompensationsabschnitt ein Kühlelement und/oder eine elektrische Sicherung. Dabei kann das Kühlelement beispielsweise in Form von Kühlrippen ausgebildet sein. Dabei kann die elektrische Sicherung beispielsweise in Form einer Perforierung ausgebildet sein.
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Durch die Anordnung des Kühlelements bevorzugt in dem ersten Kompensationsabschnitt, dem zweiten Kompensationsabschnitt oder dem dritten Kompensationsabschnitt ist es möglich, solche Bereiche des Zellverbinders zu kühlen, welche im Vergleich zu den übrigen Bereichen die je nach Ausführung des Zellverbinders eine höhere Stromdichte tragen können.
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Durch die Anordnung einer elektrischen Sicherung bevorzugt in dem ersten Kompensationsabschnitt, dem zweiten Kompensationsabschnitt oder dem dritten Kompensationsabschnitt ist es möglich, bei Überschreiten einer Grenze für den Stromfluss die Verbindung zwischen dem ersten Anbindungsbereich und dem zweiten Anbindungsbereich zu unterbrechen, wodurch auch die Verbindung zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle unterbrochen werden kann.
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Gemäß noch einem weiteren Gedanken der Erfindung weist der Zellverbinder weiterhin einen zur Aufnahme oder Anordnung eines Temperatursensors ausgebildeten Temperatursensorbereich auf.
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Gemäß des noch weiteren Gedanken der Erfindung kann der Zellverbinder weiterhin auch einen zur Aufnahme oder Anordnung eines Spannungsensors ausgebildeten Spannungssensorbereich aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass weitere für die Überwachung der Funktion eines Batteriemoduls erforderlichen Komponenten auf einfache Weise an dem Zellverbinder angeordnet werden können.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere für die Überwachung von Funktionen der Batteriezelle erforderliche Funktionselemente in den Zellverbinder zu integrieren bzw. an diesem anzuordnen.
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Zudem betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit zumindest einer ersten Batteriezelle sowie einer zweiten Batteriezelle und mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zellverbinder.
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Dabei ist ein Spannungsabgriff der ersten Batteriezelle elektrisch leitend mit dem ersten Anbindungsbereich des Zellverbinders verbunden und dabei ist ein Spannungsabgriff der zweiten Batteriezelle elektrisch leitend mit dem zweiten Anbindungsbereich des Zellverbinders verbunden.
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Insgesamt bietet ein erfindungsgemäßer Zellverbinder auch den Vorteil, dass bei der Montage auftretende Toleranzen einfach und zuverlässig ausgeglichen werden können, aufgrund der Kompensation in allen drei jeweils senkrecht zueinander angeordneten Raumrichtungen.
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Weiterhin weist ein erfindungsgemäßer Zellverbinder im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Zellverbinder auch eine vergleichbare Gesamtgröße bzw. vergleichbare Abmessungen auf, so dass eine Integration in bestehende Konzepte möglich ist.
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Figurenliste
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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
- Figur la eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders in einer perspektivischen Darstellung,
- 1b eine Projektion eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels in eine Ebene enthaltend die Längsrichtung und
- 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders in einer perspektivischen Darstellung.
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Die Figur la zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders 1.
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Der Zellverbinder 1 weist einen ersten Anbindungsbereich 21, welcher zu einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem hier nicht gezeigten Spannungsabgriff einer ersten Batteriezelle ausgebildet ist.
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Der Zellverbinder 1 weist einen zweiten Anbindungsbereich 22, welcher zu einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem hier nicht gezeigten Spannungsabgriff einer zweiten Batteriezelle ausgebildet ist.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass der erste Spannungsabgriff bzw. der zweite Spannungsabgriff insbesondere mit der gegenüberliegenden Seite der in der 1 zu erkennenden Seite des ersten Anbindungsbereichs 21 bzw. des zweiten Anbindungsbereichs 22 elektrisch leitend verbunden werden.
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Wie aus der Figur la zu erkennen ist, können der erste Anbindungsbereich 21 und der zweite Anbindungsbereich 22 jeweils eine durch den jeweiligen Anbindungsbereich 21, 22 durchgehend verlaufend ausgebildete Öffnung 23, 24 aufweisen.
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Dabei kann beispielsweise der Spannungsabgriff der ersten Batteriezelle bzw. der zweiten Batteriezelle in der jeweiligen Öffnung 23, 24 aufgenommen werden, um mit dem ersten Anbindungsbereich 21 bzw. dem zweiten Anbindungsbereich 22 verbunden werden.
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Die Verbindung zwischen dem ersten Anbindungsbereich 21 und dem Spannungsabgriff der ersten Batteriezelle erfolgt insbesondere stoffschlüßig in die Öffnung 23 umgebenden Bereichen des ersten Anbindungsbereichs 21, wobei der erste Spannungsabgriff dazu nicht in der Öffnung aufgenommen sein kann.
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Die Verbindung zwischen dem zweiten Anbindungsbereich 21 und dem Spannungsabgriff der zweiten Batteriezelle erfolgt insbesondere stoffschlüßig in die Öffnung 24 umgebenden Bereichen des ersten Anbindungsbereichs 21, wobei der zweite Spannungsabgriff dazu nicht in der Öffnung aufgenommen sein kann.
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Dabei dient die Öffnung insbesondere zu einer Positionierung des Zellverbinders 1 relativ zum ersten Spannungsabgriff bzw. zum zweiten Spannungsabgriff.
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Weiterhin kann die Öffnung 23, 24 auch eine bessere Sicht sowie einen Abzug von Rauch und Schmauch beim Schweißen ermöglichen, insbesondere wenn die Spannungsabgriffe nicht in der Öffnung 23, 24 aufgenommen werden.
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Weiterhin weist der Zellverbinder 1 eine von dem ersten Anbindungsbereich 21 zu dem zweiten Anbindungsbereich 22 weisende Längsrichtung 3 auf.
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Zwischen dem ersten Anbindungsbereich 21 und dem zweiten Anbindungsbereich 22 weist der Zellverbinder 1 einen Kompensationsbereich 4 auf.
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Dabei umfasst der Kompensationsbereich 4 zumindest ein erstes Kompensationselement 51, dass weiterhin einen ersten Kompensationsabschnitt 61 und einen zweiten Kompensationsabschnitt 62 aufweist.
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Der erste Kompensationsabschnitt 61 weist dabei eine erste Querrichtung 71 auf und der zweite Kompensationsabschnitt 62 weist dabei eine zweite Querrichtung 72 auf.
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Insbesondere soll bei dem in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 unter der Querrichtung 71 bzw. 72 eine Richtung verstanden sein, welche parallel zu dem kürzesten Abstand zwischen den beiden einander gegen überliegenden kleinsten Seitenflächen 73, 74 des ersten Kompensationsabschnitts 61 bzw. des zweiten Kompensationsabschnitts 62 angeordnet ist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies auch, dass das erste Kompensationselement 51 eine Längsrichtung aufweisen kann und die Querrichtungen 71, 72 jeweils senkrecht zur Längsrichtung angeordnet sind.
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Dabei bilden die erste Querrichtung 71 und die Längsrichtung 3 einen ersten Winkel 81 aus, wie in der 1 angedeutet ist.
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Weiterhin bilden dabei die zweite Querrichtung 72 und die Längsrichtung 3 einen zweiten Winkel 82 aus, wie in der 1 angedeutet ist.
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Insbesondere sollen dabei unter dem ersten Winkel 81 und dem zweiten Winkel 82 jene Winkel verstanden sein, welche bei einer senkrechten Projektion der ersten Längsrichtung 71 und der zweiten Längsrichtung 72 in eine durch den ersten Anbindungsbereich 21 und den zweiten Anbindungsbereich 22 definierten Ebene 9, in welcher auch die Längsrichtung 3 angeordnet ist, jeweils mit der Längsrichtung 3 ausgebildet werden.
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Die 1b zeigt eine solche Projektion, wobei die Längsrichtung 3 und die erste Querrichtung 71 sowie der durch die Längsrichtung 3 und die erste Querrichtung 71 ausgebildete erste Winkel 81 gezeigt ist und wobei auch die zweite Querrichtung 72 sowie der durch die Längsrichtung 3 und die zweite Querrichtung 72 ausgebildete zweite Winkel 82 gezeigt ist.
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Insbesondere aus der 1b ist dabei zu erkennen, dass der erste Winkel 81 und der zweite Winkel 82 jeweils als spitze Winkel ausgebildet sind.
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An dieser Stelle sei hierzu noch angemerkt, dass sowohl der erste Kompensationsabschnitt 61 als auch der zweite Kompensationsabschnitt 62 jeweils Querrichtungen 71 bzw. 72 aufweisen können, welche in der durch den ersten Anbindungsbereich 21 und den zweiten Anbindungsbereich 22 definierten Ebene 9 liegen.
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Weiterhin ist aus der Figur la zu erkennen, dass das erste Kompensationselement 51 weiterhin einen dritten Kompensationsabschnitt 63 aufweist, welcher zwischen dem ersten Kompensationsabschnitt 61 und dem zweiten Kompensationsabschnitt 62 angeordnet ist sowie weiterhin auch mit dem ersten Kompensationsabschnitt 61 und den zweiten Kompensationsabschnitt 62 verbunden ist.
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Zudem ist der dritte Kompensationsabschnitt 63 in einer Ebene 10 angeordnet, welche von der durch den ersten Anbindungsbereich 61 und den zweiten Anwendungsfall 62 definierten Ebene 9 beabstandet ist.
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An dieser Stelle soll noch einmal detaillierter auf den ersten Kompensationsabschnitt 61, den zweiten Kompensationsabschnitt 62 und den dritten Kompensationsabschnitt 63 eingegangen werden. Gemäß der in der Figur la gezeigten bevorzugten Ausführungsform des Zellverbinders 1 sind die beiden einander gegenüberliegenden kleinsten Seitenflächen 73, 74 des ersten Kompensationsabschnitts 61 und des zweiten Kompensationsabschnitt 62 jeweils parallel zueinander angeordnet. Weiterhin weist eine Längsschnittsfläche 75, welche auch parallel zu den kleinsten Seitenflächen 73 und 74 angeordnet ist, eine S-förmige Gestalt mit einem Wendepunkt 76 auf. Dabei sind der erste Kompositionsabschnitt 61 und der zweite Kompensationsabschnitt 62 jeweils derart ausgebildet, dass eine Tangente im Wendepunkt 76 senkrecht zu der Ebene 9 und insbesondere auch senkrecht zu der Ebene 10 angeordnet ist. Weiterhin sind der erste Kompensationsabschnitt 61 und der zweite Kompositionsabschnitt 62 auch in der Art ausgebildet, dass Tangenten an der Verbindungsstelle zu dem ersten Anbindungsbereich 21 bzw. dem zweiten Anbindungsbereich 22 und insbesondere auch Tangenten an der Verbindungsstelle zu dem dritten Kompensationsabschnitt 63 parallel zu der Ebene 9 und insbesondere auch parallel zu der Ebene 10 angeordnet sind.
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Der dritte Kompensationsabschnitt 63 weist einander gegenüberliegende Seitenflächen 631, 632 auf, welche jeweils beispielsweise einen Kreisbogen beschreiben können.
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Weiterhin ist aus der Figur la zu erkennen, dass der Kompositionsbereich 4 weiterhin ein zweites Kompensationselement 52 aufweist, welches spiegelsymmetrisch zu dem ersten Kompensationselement 51 ausgebildet ist. Dabei gelten die eben gemachten Ausführungen für das erste Kompositionselement 51 entsprechend auch für das zweite Kompensationselement 52.
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Somit weist das zweite Kompensationselement 52 beispielsweise auch einen ersten Kompensationsabschnitt 61' mit einer ersten Querrichtung 71', einen zweiten Kompensationsabschnitt 62' mit einer zweiten Querrichtung 72' und einen dritten Kompensationsbereich 63' auf.
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Auch hier bilden die erste Querrichtung 71' und die Längsrichtung 3 einen ersten Winkel 81' aus sowie die zweite Querrichtung 71' und die Längsrichtung 3 einen zweiten Winkel 82' auf, welche jeweils als spitze Winkel ausgebildet sind.
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Die 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders 1.
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Die in der 2 gezeigte zweite Ausführungsform des Zellverbinders 1 unterscheidet sich von der in der Figur la gezeigten ersten Ausführungsform des Zellverbinders 1 dadurch, dass der dritte Kompensationsabschnitt 63 des ersten Kompensationselements 51 eine elektrische Sicherung aufweist, welche insbesondere als Perforierung 11 ausgebildet ist.
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Weiterhin unterscheidet sich die in der 2 gezeigte zweite Ausweisung des Zellverbinders 1 von der in der Figur la gezeigten ersten Ausführungsform des Zellverbinders 1 dadurch, dass der dritte Kompensationsbereich 63' des zweiten Kompensationselement 52 ein Kühlelement umfasst, welches insbesondere als Kühlrippen 12 umfassend ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210945 A1 [0004]
- DE 102015200990 A1 [0005]
