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Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit, die vorzugsweise als Hochvoltbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs dient.
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Eine solche Batterieeinheit weist üblicherweise eine Anzahl von Batteriemodulen auf, die wiederum eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen. Innerhalb eines Batteriemoduls sind die Batteriezellen über Zellverbinder elektrisch in Reihe oder parallel verschaltet, wobei die äußeren Zellmodulpole des Batteriemoduls über Hochvoltverbinder mit anderen Batteriemodulen in Reihe oder parallel verschaltet sind. Die äußeren Pole dieser Verschaltung sind dann die Batteriepole der Batterieeinheit.
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Eine solche Batterieeinheit ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 077 340 A1 bekannt. Weiter offenbart die Druckschrift ein Batteriemodul, welches wenigstens eine auf einer Bodenplatte angeordnete Batteriezelle umfasst. Die Batteriezelle und die Bodenplatte sind mit wenigstens einem Befestigungssystem ortsfest miteinander verbunden. Dabei weist das Befestigungssystem wenigstens zwei ineinander verrastende Befestigungspartner auf, wobei der erste Befestigungspartner an der Batteriezelle und der zweite Befestigungspartner an der Bodenplatte angeordnet ist.
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Ein Problem von Batterieeinheiten ist unter anderem, dass beim Zusammenbau oder dem Auswechseln defekter Teile der Berührschutz sichergestellt werden muss.
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Aus der
DE 10 2012 224 1214 A1 ist eine Batterie mit einem Gehäuse bekannt, umfassend mindestens zwei innerhalb des Gehäuses angeordnete Batteriemodule mit jeweils zwei elektrischen Modulpolen, wobei die Module durch mindestens einen Modulverbinder elektrisch seriell miteinander verbunden sind und die Module jeweils mindestens eine galvanische Zelle enthalten. Weiter umfasst die Batterie zwei elektrische Batteriepole, welche ausgebildet sind, eine Nutzlast mit Strom zu versorgen, wobei die elektrischen Batteriepole mit jeweils mindestens einem Modul elektrisch verbunden und von einem Inneren des Gehäuses nach außen geführt sind. Das Gehäuse weist im Bereich der durch Modulverbinder elektrisch verbundenen Modulpole eine Luke auf, welche ausgebildet ist, geöffnet zu werden. Dabei sind die Modulpole und der Modulverbinder in einem der Luke zugewandten Bereich angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Luke mit dem Modulverbinder mechanisch verbunden, wobei die Verbindung derart ausgebildet ist, beim Öffnen der Luke die Modulpole elektrisch zu trennen.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterieeinheit zu schaffen, die bei einem einfachen Zusammenbau ein großes Maß an Berührschutz gewährleistet.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterieeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst die Batterieeinheit ein Gehäuse mit einem Gehäuseboden und Gehäusewänden. Weiter umfasst die Batterieeinheit mindestens zwei Batteriemodule, wobei die Batteriemodule eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, die durch Zellverbinder miteinander verbunden sind. Die Batteriemodule weisen äußere Zellmodulpole zum Abgreifen der Spannung des Batteriemoduls auf, wobei die äußeren Zellmodulpole der Batteriemodule über Hochvoltverbinder miteinander elektrisch verbunden sind. Weiter sind in dem Gehäuseboden oder einem Element auf dem Gehäuseboden Aufnahmen für die äußeren Zellmodulpole der Batteriemodule angeordnet, wobei die Hochvoltverbinder zwischen den Aufnahmen in dem Gehäuseboden oder dem Element integriert sind. Dies erlaubt ein einfaches Einsetzen der Batteriemodule, wobei durch das Einsetzen gleichzeitig die Kontaktierung der Batteriemodule untereinander erfolgt, wobei jedoch ein Berührschutz sichergestellt ist. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise die Batterieeinheit auch einen Deckel aufweist, der nach erfolgtem Zusammenbau die Batterieeinheit von oben abdeckt. Alternativ sind die Hochvoltverbinder auf dem Gehäuseboden oder einem Element auf dem Gehäuseboden angeordnet oder sind teilweise in den Gehäuseboden oder das Element integriert, wobei Kontaktteile der Hochvoltverbinder aus dem Gehäuseboden oder aus dem Element herausragen, wobei die äußeren Zellmodulpole der Batteriemodule nach innen versetzt angeordnet sind und über eine Öffnung von außen zugänglich sind, wobei zur Kontaktierung die Kontaktteile in die Öffnung eintauchen und die Zellmodulpole elektrisch kontaktieren. Anschaulich ist dies die spiegelbildliche Ausführungsform zur ersten Alternative. Dadurch, dass die Zellmodulpole nach innen zurückgesetzt sind, sind diese vor Berührung geschützt.
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In einer Ausführungsform ist das Element als thermisch leitfähiger und elektrisch isolierender Kunststoffrahmen ausgebildet. Dieser Kunststoffrahmen kann in das Gehäuse eingelegt sein. Zusätzlich kann dieser fest mit dem Gehäuseboden verbunden sein, beispielsweise verklebt oder verschraubt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die äußeren Zellmodulpole und die Aufnahmen derart ausgebildet, dass die Zellmodulpole in den Aufnahmen verrastet sind. Hierdurch wird zusätzlich eine mechanische Befestigung erreicht. Beispielsweise sind die Zellmodulpole kugelkopfförmig und die Aufnahmen kugelförmig ausgebildet, wobei beim Einstecken die Aufnahme federnd auseinander gedrückt wird.
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Die Kontaktteile sind vorzugsweise mindestens teilweise durch Zellmodulauflagen geführt, die mechanisch die Last der Batteriemodule aufnehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktfläche der Zellmodulpole größer als die Kontaktfläche der Kontaktteile der Hochvoltverbinder, sodass Fertigungstoleranzen leichter ausgeglichen werden können. Die Kontaktflächen sind dabei vorzugsweise die Stirnflächen. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass die Kontaktteile in als Hülse ausgebildete Zellmodulpole eintauchen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktflächen der Zellmodulpole und der Kontaktteile angeraut oder strukturiert, um die Kontaktoberfläche zu vergrößern.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Kontaktteil eine umlaufende komprimierbare Dichtung auf, die vorzugsweise beim Kontaktieren von Kontaktteil und Zellmodulpol derart seitlich sich ausdehnt, die Öffnung abzudichten.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den Gehäusewänden und den Batteriemodulen ein flüssiges, elektrisch nicht-leitendes Kühlmedium angeordnet. Dieses Kühlmedium (z.B. Öl oder Paste) hat neben der Kühlfunktion den zusätzlichen Vorteil, wie eine Isolationsschicht für die Zellmodulpole zu wirken. Dringt beispielsweise von oben Wasser in die Batterieeinheit ein, so schwimmt dieses Wasser auf der Öloberfläche und kann nicht zu den Zellmodulpolen und den Hochvoltverbindern gelangen. Vorzugsweise ist dabei das Batteriemodul oder das Element mit mindestens einer Dichtung ausgebildet, die das Kühlmedium zwischen den Gehäusewänden und Batteriemodulen hält. Vorzugsweise wird dabei die Menge des Kühlmediums so gewählt, dass dieses maximal die halbe Höhe des Batteriemoduls bedeckt, weiter vorzugsweise nur 1/4 bis 1/5 der Höhe bedeckt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Gehäuseboden oder das Element einen Kühlmittelkanal auf. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkanal Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufes ist, der unabhängig von dem Kühlmedium zwischen Gehäusewand und Batteriemodulen ist. Es ist aber auch möglich, dass das Kühlmedium mit dem Kühlmittelkanal verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Zellverbinder in dem Gehäuseboden oder das Element integriert. Dies hat den Vorteil, dass auch die Kontaktierung zwischen den Batteriezellen erst durch den Einsteckvorgang der Batteriemodule erfolgt, was den Berührschutz verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform sind den Batteriemodulen Mess- und Steuereinheiten zugeordnet, die mit einem Funkmodul ausgebildet sind, wobei die Batterieeinheit mindestens ein zentrales Steuergerät mit einem Funkmodul aufweist. Die Mess- und Steuereinheiten dienen dabei zur Messung der Temperatur der Batteriezellen und einem Zellbalancings. Durch die Funkverbindung kann dabei auf eine Verdrahtung zwischen den Mess- und Steuereinheiten der Batteriemodule und dem zentralen Steuergerät verzichtet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Mess- und Steuereinheiten an Seitenwänden der jeweiligen Batteriemodule angeordnet. Dabei sind diese vorzugsweise an der Außenseite auf einer Höhe oberhalb des Kühlmediums (falls vorhanden) angeordnet, da dort eine besonders gute Sende- und Empfangsqualität gegeben ist. Alternativ können die Funkmodule auch auf der Oberseite der Batteriemodule angeordnet sein. Auch können die Mess- und Steuereinheiten innerhalb des Batteriemoduls angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Batteriemodule mit einem Bügel ausgebildet, wobei der Bügel Verrastungen aufweist, die mindestens in dem Gehäuse der Batterieeinheit verrastet sind. Die Bügel dienen dabei einerseits als Einsetzhilfe der Batteriemodule und bewirken durch das Verrasten gleichzeitig eine mechanische Befestigung der Batteriemodule. Dabei kann jedem Batteriemodul ein eigener Bügel zugeordnet sein oder aber mehreren Batteriemodulen (z.B. zwei oder vier Batteriemodulen) ist ein gemeinsamer Bügel zugeordnet. Der Bügel kann dabei Bestandteil eines Gehäuses des Batteriemoduls sein oder aber an diesem befestigt sein (z.B. verrastet). Des Weiteren gewährleisten die Bügel auch eine ausreichende Kontaktkraft zwischen den Zellmodulpolen und den Hochvoltverbindern.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in dem Gehäuse eine Rahmenstruktur mit einem Längsträger angeordnet, wobei ein Bügel mit dem Gehäuse und dem Längsträger verrastet wird. Der Längsträger ist dabei vorzugsweise mittig angeordnet. Hierdurch wird die mechanische Stabilität weiter erhöht, insbesondere bei Intrusionen von den Seiten, z.B. Seitencrash. Sind mehr als zwei Reihen von Batteriemodulen vorhanden, können entsprechend mehrere Längsträger vorgesehen sein.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Batterieeinheit ist der Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 einen Teil-Querschnitt durch eine Batterieeinheit,
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieeinheit ohne Bügel und Längsträger,
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieeinheit mit Bügel und Längsträger,
- 4a eine schematische Darstellung eines Zellmodulpols vor dem Einsteckvorgang in eine Aufnahme,
- 4b eine schematische Darstellung des Zellmodulpols nach dem Einsteckvorgang in die Aufnahme,
- 5 einen Teil-Querschnitt durch eine Batterieeinheit in einer zweiten Ausführungsform,
- 6 einen Querschnitt durch die Batterieeinheit mit einem Deckel,
- 7a eine schematische Darstellung eines Kontaktteils mit Dichtung vor der Kontaktierung,
- 7b eine schematische Darstellung eines Kontaktteils mit Dichtung nach der Kontaktierung und
- 8 eine schematische Darstellung einer Strukturierung von Kontaktteil und Zellmodulpol.
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In der 1 ist ein Teil-Querschnitt durch eine Batterieeinheit 1 dargestellt. Die Batterieeinheit 1 weist ein Gehäuse 2 mit Gehäusewänden 3 und einem Gehäuseboden 4 auf. Auf dem Gehäuseboden 4 ist ein Kunststoffrahmen 5 angeordnet, der aus einem thermisch gut leitfähigen Material besteht. Der Kunststoffrahmen 5 weist Aufnahmen 6 für Zellmodulpole 7 von Batteriemodulen 8 auf (siehe auch 4a). Auf dem Kunststoffrahmen 5 ist eine Dichtung 9 aufgebracht, die verhindert, dass ein zwischen den Gehäusewänden 3 und den Batteriemodulen befindliches Kühlmedium 10 an die Zellmodulpole 7 gelangen kann.
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Weiter ist in 1 ein Bügel 11 dargestellt, der mit dem Batteriemodul 8 verbunden ist, was durch die dreieckförmigen Einschnitte symbolisiert ist. Im zusammengesetzten Zustand ist der Bügel 11 über Verrastungen 12 mit der Gehäusewand 3 und einem Längsträger 13 eines Rahmens 14 (siehe 3) verrastet. Des Weiteren weist der Bügel 11 Stege 15 auf, die das Batteriemodul 8 an der Oberseite umfassen und so das mechanische Spiel des Batteriemoduls 8 begrenzen. Der Gehäuseboden 4 ist weiter mit Kühlkanälen 16 ausgebildet, über die die Verlustwärme der Batteriemodule 8 abgeführt wird, die über den thermisch gut leitenden Kunststoffrahmen 5 in den Gehäuseboden 4 eingeleitet wird. Weiter sind noch Zellverbinder 17 dargestellt, die die Batteriezellen des Batteriemoduls 8 miteinander elektrisch verbinden, wobei die Zellverbinder 17 Bestandteil des Batteriemoduls 8 sein können oder aber in den Kunststoffrahmen 5 integriert sein können. Schließlich weist das Batteriemodul 8 noch eine Mess- und Steuereinheit 18 auf, die mit einem Funkmodul ausgebildet ist. Die Mess- und Steuereinheit 18 ist an einer Außenseite des Batteriemoduls 8 angeordnet, kann jedoch auch innerhalb des Batteriemoduls 8 angeordnet sein.
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Bevor der Zusammenbau der Batterieeinheit 1 beschrieben wird, soll kurz die elektrische Verschaltung anhand von 2 erläutert werden. Dabei ist 2 eine Draufsicht auf eine Batterieeinheit 1 mit zwölf Batteriemodulen 8 dargestellt. Die innerhalb der Batteriemodule 8 angeordneten und nicht näher dargestellten Batteriezellen sind über die Zellverbinder 17 miteinander elektrisch verschaltet. Dabei können die Batteriezellen in Reihe und/oder parallel verschaltet sein. Die äußere Spannung eines Batteriemoduls 8 kann dann über die äußeren Zellmodulpole 7 abgegriffen werden. Die äußeren Zellmodulpole 7 der Batteriemodule 8 sind dann über Hochvoltverbinder 19 miteinander verbunden, wobei die Hochvoltverbinder 19 in den Kunststoffrahmen 5 integriert sind (siehe auch 4a, 4b). Im dargestellten Beispiel sind die Batteriemodule 8 alle in Reihe geschaltet. Dabei sei angemerkt, dass sowohl Batteriemodule 8 als auch der Kunststoffrahmen 5 transparent dargestellt sind, um die Zellverbinder 17 und die Hochvoltverbinder 19 zu zeigen. Weiter ist ein zentrales Steuergerät 20 dargestellt, das ebenfalls ein Funkmodul aufweist, um mit den Mess- und Steuereinheiten 18 Daten auszutauschen. Über Hochvoltverbinder 21 kann dann die Spannung der Batterieeinheit 1 zum Steuergerät 20 sowie nach außen zu den Batteriepolen der Batterieeinheit 1 geführt werden.
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In der 3 ist eine Draufsicht auf die Batterieeinheit 1 dargestellt. Dabei erkennt man den Rahmen 14 mit dem Längsträger 13, der den Batterieraum des Gehäuses 2 teilt. Von dem Längsträger 13 gehen seitlich Querstege 22 ab, zwischen denen die Batteriemodule 8 angeordnet sind. Über die Bügel 11 sind dann die Batteriemodule 8 an den Gehäusewänden 3 sowie dem Längsträger 13 jeweils verrastet.
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Anhand der 4a und 4b soll nun der Zusammenbau kurz erläutert werden, wobei nur ein einzelner Polverbinder 7 eines Batteriemoduls 8 dargestellt ist. Dabei wird das Batteriemodul 8 mittels des Bügels 11 von oben in das Gehäuse 2 eingeschoben. In dem Kunststoffrahmen 5 sind die Aufnahmen 6 für die Polverbinder 7, in denen die Hochvoltverbinder 19 integriert sind. Die Aufnahmen 6 mit den integrierten Hochvoltverbindern 19 sind derart dimensioniert, dass der Polverbinder 7 beim Einstecken diese federnd auseinanderdrückt. Ist der Polverbinder 7 vollständig in der Aufnahme 6, federn Kunststoffrahmen 5 und Hochvoltverbinder 19 zurück, sodass Hochvoltverbinder 19 und Polverbinder 7 verrasten, wodurch eine elektrische Verbindung und eine mechanische Zugsicherung erreicht werden.
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Die Batterieeinheit 1 ist dabei also derart aufgebaut, dass sich die spannungsführenden Elemente am Gehäuseboden 4 befinden, was einen besonders guten Berührschutz beim Zusammenbau bzw. der Entnahme von Batteriemodulen 8 gewährleistet, da beim Ziehen der Batteriemodule 8 automatisch die elektrische Verbindung zu den Hochvoltverbindern 19 getrennt wird.
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In der 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Batterieeinheit 1 dargestellt. Der wesentliche Unterschied besteht in der Ausbildung der Zellmodulpole 7 und der Hochvoltverbinder 19. Die Zellmodulpole 7 sind dabei nach innen versetzt in den Batteriemodulen 8 angeordnet. Die Hochvoltverbinder 19 sind in den Kunststoffrahmen 5 integriert und hierzu beispielsweise in diesen eingespritzt. Die Hochvoltverbinder 19 können aber auch als separate Teile in den Kunststoffrahmen 5 eingelegt sein oder auf diesem angeordnet sein. Die Hochvoltverbinder 19 weisen Kontaktteile 23 auf, die durch eine Zellmodulauflage 24 geführt sind und aus dieser herausragen. Wird dann das Batteriemodul 8 von oben in das Gehäuse 2 eingesetzt, so taucht das Kontaktteil 23 in eine Öffnung 25 des Batteriemoduls 8 ein und kontaktiert den nach innen versetzt angeordneten Zellmodulpol 7. Durch die nach innen versetzten Zellmodulpole 7 weisen die Batteriemodule 8 einen optimalen Berührschutz auf. Weiter sind auf dem Kunststoffrahmen 5 Führungsbolzen 26 angeordnet, die in weitere Öffnungen der Batteriemodule 8 eingreifen und so die Batteriemodule 8 zusätzlich mechanisch sichern. Darüber hinaus dienen die Führungsbolzen 26 als Positionshilfen beim Einsetzen der Batteriemodule 8. Schließlich sind noch Greiferschnittstellen 27 dargestellt, die beispielsweise als Ösen ausgebildet sind, damit beispielsweise eine Hebevorrichtung die Batteriemodule 8 greifen kann, um den Einsetzvorgang zu automatisieren. Dabei sei angemerkt, dass die Führungsbolzen 26 und die Greiferschnittstellen 27 auch bei den Ausführungsformen gemäß 1 bis 4b zur Anwendung kommen können und umgekehrt hinsichtlich der anderen Elemente wie beispielsweise Kühlmedium 10, Mess- und Steuereinheit 18 etc. auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen wird.
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Um einen ausreichende Kontaktkraft zwischen den Zellmodulpolen 7 und den Kontaktteilen 23 der Hochvoltverbinder 19 sicherzustellen, können wieder die zuvor beschriebenen Bügel 11 mit Verrastung 12 zur Anwendung kommen. Alternativ kann dies auch über einen Deckel 28 erfolgen, der beispielsweise an den Gehäusewänden 3 und dem Längsträger 13 verschraubt wird, wobei der festgeschraubte Deckel 28 die Batteriemodule 8 in Richtung Gehäuseboden 4 presst. Dabei ist der Deckel 28 vorzugsweise mit Verprägungen 29 ausgebildet, was in 6 dargestellt ist.
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Über die Öffnung 25 kann nun prinzipiell Flüssigkeit in die Batteriemodule 8 eindringen. Daher weisen die Kontaktteile 23 vorzugsweise eine Dichtung 30 auf, die beim Kontaktierungsvorgang auseinandergepresst wird und so vorzugsweise die Öffnung 25 abdichtet, was durch den Doppelpfeil 31 in 7b symbolisiert ist. Dabei ist die Kontaktfläche 32 des Zellmodulpols 7 größer als die Kontaktfläche 33 des Kontaktteils 23, sodass Fertigungstoleranzen einfach ausgeglichen werden können.
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Um nun die Kontaktqualität zwischen Zellmodulpol 7 und Kontaktteil 23 weiter zu verbessern, sind vorzugsweise die Kontaktflächen 32, 33 strukturiert, was in 8 dargestellt ist. Hierdurch wird die wirksame Kontaktfläche effektiv erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077340 A1 [0003]
- DE 1020122241214 A1 [0005]
