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Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme mindestens einer Batteriezelle eines Batteriesystems, insbesondere eines Hochvoltspeichers für ein elektrisches Fahrzeug, aufweisend wenigstens eine kammerartige Aussparung, in welcher die wenigstens eine Batteriezelle angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Aufnahmevorrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Aufnahmevorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Aufnahmevorrichtung.
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Stand der Technik
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In einer Batterie, beispielsweise für einen Elektromotor, sind üblicherweise mehrere Batteriezellen zu Modulen zusammengeschaltet. In Abhängigkeit von der für den jeweiligen Motor benötigten Spannung werden entsprechend viele Batteriezellen miteinander verschaltet und zur Erreichung der gewünschten Reichweite wiederum mehrere der Module miteinander kombiniert.
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Jedes dieser Module ist in einer gehäuseartigen Aufnahme fixiert, welche wiederum in die Gesamtstruktur der Batterie integriert wird. Es müssen also zunächst die Batteriezellen in den einzelnen Modulen und anschließend die einzelnen Module in die Gesamtstruktur der Batterie integriert werden, wobei hier besondere Anforderungen bestehen hinsichtlich der auftretenden Belastungen, welche das Modul bzw. Batteriezellen standhalten müssen. Im Fahrbetrieb können die auftretenden Belastungen im Bereich von 3 g bis etwa 60 g liegen. Zu diesen Belastungen zählen beispielsweise externe Einflüsse durch den normalen Fahrbetrieb oder durch einen Unfall, aber auch interne Zellkräfte der Batterie. Da die Anforderungen an die Integration der Batteriezellen in die Batterie entsprechend hoch sind, verursacht eine doppelte Integration von zunächst den Batteriezellen in den Modulen und anschließend von den Modulen in der Batterie einen aufwendigen Systemaufbau, welcher mit hohen Kosten und einem hohen Montageaufwand durch viele Einzelbauteile verbunden ist.
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Eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme mindestens einer Batteriezelle eines Batteriesystems ist aus der
WO 2016/030339 A1 bekannt. Dort ist ein Zellenträger zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen beschrieben, welcher eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, welche gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind, um je ein Batteriezellenmodul aufzunehmen.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriesystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, die Integration von Batteriezellen in das Batteriesystem unter Berücksichtigung der Anforderungen bezüglich der auftretenden Belastungen durch interne und externe Kräfte auf das Batteriesystem zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Erfindung sieht eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme mindestens einer Batteriezelle eines Batteriesystems, aufweisend wenigstens eine kammerartige Aussparung, in welcher die mindestens eine Batteriezelle angeordnet ist, vor. Bei dem Batteriesystem handelt es sich insbesondere um einen Hochvoltspeicher für ein elektrisches Fahrzeug, jedoch kann die Erfindung auch in anderweitig genutzten Batteriesystemen Anwendung finden. Die mindestens eine Aussparung weist einen Randbereich auf, wobei an dem mindestens einen Randbereich mindestens ein Stehblech angeordnet ist, mittels welchem die mindestens eine Batteriezelle in der Aussparung gehalten ist.
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Die mindestens eine Aussparung ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass die mindestens eine Batteriezelle im Wesentlichen formschlüssig in der Aussparung angeordnet ist. Um entsprechend der Anwendung beliebige Spannungswerte in der Batterie realisieren zu können, können insbesondere auch mehrere Batteriezellen in einer Aussparung angeordnet werden. Dazu werden die Batteriezellen vorzugsweise übereinander angeordnet und derart in der Aussparung angeordnet, dass das mindestens eine Stehblech den Batteriezellenstapel an deren Seitenflächen umschließt bzw. an diese angrenzt. Die Seitenflächen des Batteriezellenstapels sind jene Seiten, die nicht von der obersten und untersten Batteriezelle des Stapels gebildet werden.
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Damit die mindestens eine Batteriezelle in der Aussparung durch die Stehbleche fest gehalten ist, wird die mindestens eine Batteriezellen von den Stehblechen ausreichend eng umschlossen bzw. eingeklemmt.
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Der Randbereich der Aussparung kann die die Aussparung bildenden Kanten umfassen, schließt jedoch auch einen gewissen Bereich der Aufnahmevorrichtung um die Kanten herum ein.
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Auf diese Weise kann die Integration der Batteriezellen in das Gesamtsystem der Batterie auf vorteilhafte Weise vereinfacht werden, da die Batteriezellen nicht zunächst in einer Modulunterbaugruppe zusammengefasst werden, welche anschließend in eine Aufnahmevorrichtung integriert wird, sondern die Batteriezellen direkt in der Aufnahmevorrichtung, welche zur Aufnahme aller Batteriezellen des Batteriesystems dient, fixiert werden. Dadurch entfällt die Modulunterbaugruppe, was zu einer Reduzierung der Anzahl der Einzelbauteile und zu geringeren Kosten und einem reduzierten Montageaufwand führt.
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Die Aufnahmevorrichtung hat darüber hinaus die Funktion, das Gesamtsystem auszusteifen und auftretende Zellkräfte und von außen einwirkende Kräfte während des Fahrbetriebs aufzunehmen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stehblech wenigstens nahezu vollständig umlaufend am Randbereich der mindestens einen Aussparung angeordnet ist. Durch das nahezu vollständig umlaufende Stehblech entsteht eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Stehblech und der mindestens einen Batteriezelle, sodass die mindestens eine Batteriezelle besonders fest in der Aussparung gehalten ist. Darüber hinaus reduziert die Anbringung lediglich eines Stehblechs die Anzahl der Prozessschritte bei der Herstellung der Aufnahmevorrichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stehblech bereichsweise umlaufend im Randbereich der Aussparung angeordnet ist. Dabei bedeutet „bereichsweise“, dass nicht an dem kompletten Randbereich ein oder mehrere Stehbleche angeordnet sind, sondern dass Lücken zwischen Stehblechbereichen vorhanden sind. Durch diese Anordnung der Stehbleche kann der Materialeinsatz verringert werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung rahmenförmig mit einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet ist. Dabei sind mindestens zwei Stehbleche im Randbereich der wenigstens einen Aussparung derart angeordnet, dass mindestens ein Stehblech von der Oberseite und mindestens ein Stehblech von der Unterseite der Aufnahmevorrichtung hervorsteht. Die beiden Stehbleche stehen dabei derart von der Aufnahmevorrichtung hervor, dass die Stehbleche jeweils mit der Oberseite und der Unterseite der Aufnahmevorrichtung im Wesentlichen einen Winkel von 90° einschließen.
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Bevorzugt ist die rahmenförmige Aufnahmevorrichtung rechteckig oder quadratisch ausgeführt, wobei die Aussparungen vorteilhaft ebenfalls eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung sich wenigstens im Wesentlichen entlang einer durch die Aufnahmevorrichtung aufgespannten Fläche erstreckt, wobei die Aufnahmevorrichtung in Bezug auf die durch die Aufnahmevorrichtung aufgespannte Fläche wenigstens im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Oberseite und die Unterseite der Aufnahmevorrichtung gleich ausgebildet sind. Darüber hinaus ist das mindestens eine Stehblech der Oberseite und der Unterseite an gleichen Bereichen des Randbereichs angeordnet und weist die gleiche Höhe auf. Die spiegelsymmetrische Form der Aufnahmevorrichtung wirkt sich vorteilhaft auf den Herstellungsprozess der Aufnahmevorrichtung aus, da bei der Montage nicht auf eine korrekte Orientierung von Ober- und Unterseite geachtet werden muss.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Stehblech in Richtung der mindestens einen Aussparung geneigt ist. Somit weist der durch die Aussparung und das mindestens eine Stehblech gebildete Aufnahmeraum für die mindestens eine Batteriezelle in einer Querschnittsbetrachtung senkrecht zur durch die Aufnahmevorrichtung gebildeten Fläche eine sechseckige Form auf. Durch die Neigung des mindestens einen Stehbleches bilden die der Aufnahmevorrichtung abgewandten Kanten des Stehbleches einen Öffnungsbereich aus, welcher kleiner ist als der Bereich der Aussparung der Aufnahmevorrichtung, wodurch die mindestens eine Batteriezelle, welche im Wesentlichen formschlüssig in der Aussparung angeordnet ist, fest in der Aussparung gehalten ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das mindestens eine Stehblech mittels Schweißen und/oder Löten und/oder Verspannen an der Aufnahmevorrichtung befestigt ist. Darüber hinaus ist jedoch auch jedes weitere Befestigungsverfahren denkbar, welches das mindestens eine Stehblech mit ausreichender Festigkeit an der Aufnahmevorrichtung befestigt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung wenigstens eine zweite Aussparung aufweist, in welcher wenigstens eine Steuereinheit mittels mindestens eines im Randbereich der zweiten Aussparung angeordneten Stehbleches gehalten ist. Die wenigstens eine zweite Aussparung zur Aufnahme wenigstens einer Steuereinheit ist dabei vorzugsweise gleich zu der Aussparung zur Aufnahme der mindestens einen Batteriezellen ausgebildet, wodurch die Position der wenigstens einen Steuereinheit innerhalb der Aufnahmevorrichtung flexibel wählbar ist und darüber hinaus während des Herstellungsverfahrens keine gesonderten Prozessschritte zur Herstellung der Aussparung für die Steuereinheit vorgesehen werden müssen. Die Aussparung zur Aufnahme der wenigstens einen Steuereinheit kann jedoch auch eine andere Bemaßung aufweisen, welche an die Bemaßung der Steuereinheit angepasst ist.
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Darüber hinaus sind die mindestens eine Aussparung und das mindestens eine Stehblech zur Aufnahme und Fixierung weiterer Komponenten des Batteriesystems ausgebildet, was den flexiblen Einsatz der Aufnahmevorrichtung auf vorteilhafte Weise erhöht.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Batteriesystem, welches wenigstens eine Aufnahmevorrichtung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen aufweist.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die wenigstens eine Aufnahmevorrichtung des Batteriesystems in wenigstens einer insbesondere rahmenartigen Aussteifungsvorrichtung angeordnet, wobei das Batteriesystem wenigstens ein Gehäuse aufweist, in welchem die wenigstens eine Aussteifungsvorrichtung fixiert ist. Die Aussteifungsvorrichtung erhöht auf vorteilhafte Weise die Stabilität des Gesamtsystems.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine Bodenplatte aufweist, welche insbesondere als Kühlebene ausgeführt ist, wobei die Bodenplatte direkt an die mindestens eine Batteriezelle angrenzt. Auf diese Weise ist eine optimale Abführung von Wärme, welche in der Batteriezelle generiert wird, möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Batteriezelle in wenigstens einem Rahmen angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Rahmen in der mindestens einen Aussparung angeordnet ist. Der Rahmen wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität aus, da er insbesondere im Falle der Anordnung mehrerer Batteriezellen in der Aussparung die Batteriezellen zusammenhält.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist weiterhin vorgesehen, dass wenigstens eine Polabdeckung in den wenigstens einen Rahmen integriert ist. Dadurch, dass die Polabdeckung in den wenigstens einen Rahmen integriert ist, werden Zellkräfte aufgenommen, ohne dass eine zusätzliche Druckplatte notwendig ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit wenigstens einer Aufnahmevorrichtung und/oder mit wenigstens einem Batteriesystem, welche die zuvor beschriebenen Merkmale aufweisen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Aufnahmevorrichtung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen. Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt auf, welcher das Befestigen, insbesondere durch Schweißen und/oder Löten und/oder Verspannen, wenigstens eines ersten Stehbleches am Randbereich mindestens einer Aussparung an mindestens einer ersten durch eine Ober- oder Unterseite gebildeten Seite der Aufnahmevorrichtung vorsieht.
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Darüber hinaus sieht das Verfahren einen Verfahrensschritt vor, in dem mindestens eine Batteriezelle in die mindestens eine Aussparung eingesetzt wird.
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Weiterhin sieht das Verfahren einen Verfahrensschritt vor, in welchem wenigstens ein weiteres Stehblech an einer zweiten, durch die Unter- bzw. Oberseite gebildeten Seite der Aufnahmevorrichtung, insbesondere durch Schweißen und/oder Löten und/oder Verspannen, befestigt wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt ist vorgesehen, dass die Aufnahmevorrichtung in einem Gehäuse angeordnet wird, wobei die Aufnahmevorrichtung in einer Aussteifungsvorrichtung befestigt wird und die Aussteifungsvorrichtung am Gehäuse befestigt wird.
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Zur Befestigung des ersten bzw. zweiten Stehblechs an der jeweiligen Seite der Aufnahmevorrichtung ist neben den genannten Befestigungsverfahren auch jedes weitere geeignete Befestigungsverfahren denkbar, welches das erste bzw. das zweite Stehblech mit ausreichender Festigkeit an der Aufnahmevorrichtung befestigt.
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Die oben genannten Verfahrensschritte sind vorteilhaft in unterschiedlicher Abfolge ausführbar. So ist es möglich, dass zunächst das erste oder das zweite Stehblech an der Ober- oder Unterseite der Aufnahmevorrichtung befestigt wird, anschließend die mindestens eine Batteriezelle in der Aussparung angeordnet wird, anschließend entsprechend das zweite oder das erste Stehblech an der gegenüberliegenden Unter- bzw. Oberseite befestigt wird und anschließend die Aufnahmevorrichtung mit der mindestens einen integrierten Batteriezelle in der Aussteifungsvorrichtung fixiert und anschließend am Gehäuse befestigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zunächst die Aufnahmevorrichtung in der Aussteifungsvorrichtung fixiert und anschließend am Gehäuse befestigt wird und anschließend das erste oder das zweite Stehblech an der Ober- oder Unterseite der Aufnahmevorrichtung befestigt wird, anschließend die mindestens eine Batteriezelle in der Aussparung angeordnet wird und abschließend entsprechend das zweite oder das erste Stehblech an der gegenüberliegenden Unter- bzw. Oberseite befestigt wird.
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Die Möglichkeit der unterschiedlichen Fügefolgen sorgt für eine erhöhte Flexibilität im Herstellungsprozess des Batteriesystems.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Darstellung der Aufnahmevorrichtung, welche in der Aussteifungsvorrichtung fixiert ist,
- 2 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Darstellung der Aufnahmevorrichtung mit Batteriezelle und Rahmen, und
- 3 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Darstellung der Aufnahmevorrichtung mit Batteriezelle, Rahmen und Polabdeckung.
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1 zeigt die Aufnahmevorrichtung 100 in einer perspektivischen Darstellung, wobei die Aufnahmevorrichtung 100 in einer Aussteifungsvorrichtung 17, welche an ein Gehäuse des Batteriesystems fixierbar ist, angeordnet und befestigt ist. Zwischen der Aufnahmevorrichtung 100 und der Aussteifungsvorrichtung 17 ist eine Dichtung 20 angeordnet.
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Die Aufnahmevorrichtung 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwölf Aussparungen 12 zur Aufnahme einer oder mehrerer Batteriezellen 10 auf, wobei sowohl die Aussparungen 12 als auch die Aufnahmevorrichtung 100 und die Aussteifungsvorrichtung 17 rechteckig ausgeführt sind. Grundsätzlich ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die Reichweite und den Bauraum jede sinnvolle Anzahl an Aussparungen möglich. Die Aussparungen 12 sind derart ausgebildet, dass sie sich im Wesentlichen über die komplette Fläche der rahmenartig ausgeführten Aufnahmevorrichtung 100 erstrecken, sodass der Bauraum optimal ausgenutzt wird. In einer zweiten Aussparung 12 ist eine Steuereinheit 16 angeordnet, welche über Anschlüsse 21 mit den Batteriezellen 10 verbunden ist. Wie exemplarisch an der Aussparung 12 in der unteren rechten Ecke der Aufnahmevorrichtung 100 gezeigt, ist die mindestens eine Batteriezelle 10 mit einer Polabdeckung 19 abgedeckt (die Batteriezelle 10 ist daher in 1 nicht zu erkennen, da sie sich unterhalb der Polabdeckung 19 befindet).
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Sowohl die Steuereinheit 16 als auch die Batteriezelle 10 mit der Polabdeckung 18 werden in einer jeden Aussparung 12 mittels eines Stehbleches 13a, 13b gehalten. In diesem Ausführungsbeispiel ist je ein Stehblech 13a, 13b vollständig umlaufend am Randbereich einer jeden Aussparung 12 angeordnet. Je ein Stehblech 13a, 13b ist auf der Oberseite 14 und der Unterseite 15 der Aufnahmevorrichtung 100 angeordnet. Die Stehbleche 13a, 13b sind derart an der Aufnahmevorrichtung 100 angeordnet, dass sie im Wesentlichen senkrecht von der aufgespannten Fläche hervorstehen, die durch die rahmenförmig ausgebildete Aufnahmevorrichtung 100 gebildet wird. Darüber hinaus sind die Stehbleche 13a, 13b auf der Oberseite 14 und der Unterseite 15 der Aufnahmevorrichtung 100 gleich ausgebildet, sodass die Aufnahmevorrichtung 100 in Bezug auf die durch die Aufnahmevorrichtung 100 aufgespannte Fläche spiegelsymmetrisch ist.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Darstellung der Aufnahmevorrichtung 100. In 2 sind exemplarisch mehrere Batteriezellen 10 über einen Rahmen 18 in einer der Aussparungen 12 angeordnet und mittels der Stehbleche 13a, 13b befestigt. Die Stehbleche 13a, 13b, welche auf gleiche Art und Weise spiegelsymmetrisch zueinander auf der Oberseite 14 und der Unterseite 15 der Aufnahmevorrichtung 100 angeordnet sind, weisen eine Neigung in Richtung der Aussparung 12 auf, wodurch ein fester Halt des Rahmens und der Batteriezellen 10 in der Aussparung 12 gewährleistet ist. Die 3 zeigt eine Anordnung gemäß 2, wobei im Rahmen 18 eine Polabdeckung 19 integriert ist, welche die Batteriezellen 10 abdeckt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Aufnahmevorrichtung
- 10
- Batteriezelle
- 12
- Aussparung
- 13a, 13b
- Stehbleche
- 14
- Oberseite
- 15
- Unterseite
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Aussteifungsvorrichtung
- 18
- Rahmen
- 19
- Polabdeckung
- 20
- Dichtung
- 21
- Anschlüsse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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