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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Batteriesysteme kommen insbesondere in einem Fahrzeug, wie einem Kraftfahrzeug, einem Pedelec, einem E-Bike, einem Elektroroller, einem LEV(Light Electric Vehicle) o. dgl., zum Einsatz.
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Ein solches Batteriesystem dient zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers. Das Batteriesystem umfasst eine Mehrzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen, wobei die Batterie- und/oder Akkuzelle eine elektrische Einzel-Spannung sowie eine elektrische Einzel-Kapazität besitzt. Zur Erzielung einer vorbestimmten elektrischen Gesamt-Spannung und/oder einer vorbestimmten elektrischen Gesamt-Kapazität, wie für den Verbraucher benötigt, sind die Batterie- und/oder Akkuzellen seriell- und/oder parallelgeschaltet. Es ist somit das Batteriesystem jeweils entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Verbrauchers herzustellen, womit eine Vielzahl von Varianten benötigt wird, was wiederum aufwändig sowie teuer ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Batteriesystem derart weiterzuentwickeln, dass die Herstellung von Varianten vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Batteriesystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Batteriesystem ist ein Verteilerelement in der Art eines Stromverteilers vorgesehen. Die Batterie- und/oder Akkuzellen sind einzeln und/oder in Gruppen mit dem Verteilerelement elektrisch kontaktiert, wobei die Gruppe eine Anzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen umfasst, die kleiner als die Mehrzahl der Batterie- und/oder Akkuzellen ist. Dabei ist die Seriell- und/oder Parallelschaltung für die Erzielung der vorbestimmten elektrischen Gesamt-Spannung und/oder der vorbestimmten elektrischen Gesamt-Kapazität mittels des Verteilerelements ausgebildet. In vorteilhafter Weise können dann die benötigten Varianten durch einfachen Austausch des Verteilerelements hergestellt werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung kann es sich bei dem Verteilerelement um eine Leiterplatte handeln, auf der die Seriell- und/oder Parallelschaltung durch entsprechende Ausgestaltung der Leiterbahnen gebildet ist. Insbesondere kann es sich um eine starre Leiterplatte und/oder eine flexible Leiterplatte handeln. In bevorzugter Weise kann als Leiterplatte eine starre Leiterplatte verwendet werden, welche kostengünstiger als eine flexible Leiterplatte ist. Bei entsprechendem Erfordernis kann es sich bei dem Verteilerelement jedoch auch um ein Stanzgitter, eine Stromverbinderschiene o. dgl. handeln.
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In einer funktionell vorteilhaften weiteren Ausgestaltung kann ein Verbindungselement zur elektrischen Kontaktierung der Batterie- und/oder Akkuzelle mit dem Verteilerelement vorgesehen sein. Das Verbindungselement kann weiterhin zur elektrischen Verbindung von wenigstens zwei Batterie- und/oder Akkuzellen, und zwar insbesondere zur Seriell- und/oder Parallelschaltung der einzelnen Batterie- und/oder Akkuzellen in der Gruppe, ausgebildet sein.
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Das Verbindungselement kann der guten elektrischen Leitfähigkeit halber aus Metall bestehen. Zweckmäßigerweise kann das Verbindungselement aus einem Metallteil bestehen, wobei in kostengünstiger Weise das Verbindungselement als ein Stanz-Biege-Teil hergestellt sein kann. Selbstverständlich kann das Verbindungselement auch aus einem Steckkontakt, aus einem Drahtelement, aus einem Kabelelement o. dgl. bestehen. In einfacher und dennoch funktionssicherer Art und Weise kann das Verbindungselement mittels Anstecken, Bonden, Löten, Schweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen o. dgl. mit dem Verteilerelement und/oder mit der Batterie- und/oder Akkuzelle elektrisch verbunden sein.
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Zur Steigerung der Betriebssicherheit kann ein Batteriesteuergerät zur Überwachung und/oder zur Steuerung der Batterie- und/oder Akkuzellen vorgesehen sein. Des Weiteren kann ein elektrischer Anschluss für die elektrische Verbindung des Verbrauchers vorgesehen sein, wobei der Verbraucher insbesondere mittels einer Versorgungsleitung an den elektrischen Anschluss angeschlossen ist.
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Zum Schutz vor Beeinträchtigungen kann für das Batteriesystem ein Gehäuse zur Aufnahme der Batterie- und/oder Akkuzellen sowie des Verteilerelements vorgesehen sein. In betriebssicherer Art und Weise können die Batterie- und/oder Akkuzellen mittels Zellhalter im Gehäuse gehalten sein. In kompakter Anordnung kann das Verteilerelement am Zellhalter befestigt sein. Der einfachen Montierbarkeit halber kann das Verteilerelement mittels einer Verrastung, einer Verklemmung, einer Verschraubung o. dgl. am Zellhalter befestigt sein. Zwecks Kompaktheit kann auch das Batteriesteuergerät im Gehäuse befindlich sein, wobei es sich insbesondere anbietet, das Batteriesteuergerät auf dem Verteilerelement und/oder auf einer weiteren Leiterplatte anzuordnen. In vorteilhafter Weise ist dadurch ein modularer Aufbau mit gleichen Bauteilen, nämlich Gehäuse, Batteriesteuergerät, Zellhalter, Zellanordnung sowie Verbindungselementen, geschaffen.
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Die Vielzahl der benötigten Varianten können in einfacher Art und Weise dadurch hergestellt werden, indem Verbindungselemente zur Verbindung von drei und zwei Batterie- und/oder Akkuzellen sowie einer Batterie- und/oder Akkuzelle vorgesehen sind. Es können dabei zwölf Batterie- und/oder Akkuzellen in einem hexagonalen Pack, und zwar bevorzugterweise mittels des Zellhalters, im Gehäuse angeordnet sein, so dass eine hohe Packungsdichte resultiert. Die hexagonale Anordnung kann wiederum zwecks weitergehender Kompaktheit aus übereinanderliegenden Lagen von drei, vier, drei sowie zwei Batterie- und/oder Akkuzellen bestehen. Selbstverständlich kann auch eine sonstige zweckmäßige Anordnung der zwölf Batterie- und Akkuzellen oder auch eine andere Anzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen gewählt werden, wobei die Verbindungselemente zur Verbindung der entsprechenden Anzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen ausgestaltet sein können. Soweit notwendig können wenigstens zwei oder auch mehrere Packs im Gehäuse angeordnet sein. Dabei kann es sich anbieten, die Packs hintereinanderliegend im Gehäuse anzuordnen, so dass ein länglich ausgestaltetes Batteriesystem gegeben ist, das eine gute Handhabbarkeit für den Benutzer bietet. Des Weiteren kann der Zellhalter und/oder der Pack bedarfsweise mit Batterie- und/oder Akkuzellen bestückt sein, so dass eine Vielzahl von Varianten mit lediglich wenigen unterschiedlichen Einzelteilen gebildet werden kann.
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In einer zweckmäßigen Gestaltung kann das Gehäuse eine prismatische Gestalt mit hexagonaler Grundfläche aufweisen. In robuster Art und Weise kann das Gehäuse aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, Messing oder Stahl, bestehen. Das Gehäuse kann auch aus Kunststoff, aus Holz o. dgl. bestehen, wobei der Kostengünstigkeit halber Kunststoff für das Gehäuse bevorzugt ist. Um in einfacher Art und Weise unterschiedliche Batteriesysteme bereitzustellen, kann das Gehäuse aus einem entsprechend der Anzahl der aufzunehmenden Packs abgelängten Strangpress-Profil bestehen.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist nachfolgendes festzustellen.
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Um bei einem Akkupack auf das gewünschte Spannungslevel und/oder die gewünschte Kapazität zu gelangen, benötigt man bestimmte Konfigurationen von Serien- und/oder Parallelschaltungen der Zellen. Bisher wird ein Akkupack nur in einer Variante aufgebaut, so dass dadurch nur ein Spannungslevel und/oder eine Kapazität erzielbar sind. Die Parallel- und/oder Serienverschaltung der Zellen wird dabei mit Zellverbindern realisiert und somit direkt durch die Anordnung der Zellen bestimmt. Es sollen daher unterschiedliche Spannungslevel und/oder Kapazitäten mit dem gleichen Akku erzielbar sein.
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Beim erfindungsgemäßen Akkupack findet die Serien- und/oder Parallelverschaltung der Zellen nicht durch deren Anordnung sowie durch die Zellverbinder statt sondern jede Zelle wird einzeln oder wenigstens in kleineren Gruppen elektrisch auf einer Stromverteilerleiterplatte kontaktiert, so dass auf der Leiterplatte die Serien- und/oder Parallelverschaltung vorgenommen ist. Somit kann durch einfaches Vertauschen der Leiterplatte das Spannungslevel und/oder die Kapazität des Akkupacks variiert werden. Die Variantenbildung für die Akkupacks erfolgt somit durch den Stromverteiler, und zwar insbesondere durch die Leiterplatte (Printed Circuit Board - PCB). In einfacher Weise können die unterschiedlichen Spannungslevel durch eine 12er-Anordnung der Zellen erzeugt werden. Dabei kann sich eine Verschaltung der Zellen in 3/2/1 er-Gruppen mittels der Leiterplatte anbieten. Selbstverständlich kann auch eine sonstige zweckmäßige Anzahl von Zellen in der diesbezüglichen Zellen-Anordnung gewählt werden.
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Um viele verschiedene und komplizierte Fertigungsschritte zu minimieren, kann der Akkupack möglichst modular aufgebaut sein. Der modulare Aufbau kann mit gleichen Bauteilen vorgenommen sein, und zwar mit einem Gehäuse, mit einem Batteriesteuergerät (Battery Management System - BMS), mit einem Zellhalter, mit einem Zellverbinder und/oder mittels der Zellanordnung. Weiterhin können mehrere Packs wenigstens teilweise über die Leiterplatte verbunden sein, wobei für die mehreren Packs zweckmäßigerweise nur ein Batteriesteuergerät (BMS) vorgesehen ist. Das unter anderem für die Spannungsüberwachung dienende Batteriesteuergerät kann ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein. Auf der Leiterplatte können des Weiteren Temperatursensoren, Schnittstellen für die Ladezustandsanzeige (SOC - State of Charge) oder für eine Bedien- und/oder Anzeigeeinheit (HMI - Human Machine Interface) angeordnet sein. Schließlich können mittels der Leiterplatte elektrische Signale weitergeleitet sowie eine Funkverbindung bereitgestellt werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die einzelnen Akkupacks allesamt gleich aufgebaut werden können. Das erleichtert die Montage und/oder verhindert Fehler bei der Herstellung des Batteriesystems. Die jeweilige Variante des Batteriesystems lässt sich allein mittels der Leiterplatte bestimmen, also durch nur ein einziges Bauteil. Somit wird die Fertigung vereinfacht, da lediglich die Leiterplatte in den entsprechenden Varianten benötigt wird. Weiterhin werden dadurch auch Fehler minimiert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
- 1 ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem in schematischer Ansicht,
- 2 das Batteriesystem aus 1, wobei das Gehäuse des Batteriesystems aufgeschnitten ist,
- 3 das Batteriesystem in perspektivischer Ansicht, wobei das Gehäuse entfernt ist,
- 4 das Batteriesystem in Seitenansicht, wobei das Gehäuse entfernt ist, und
- 5 einen Ausschnitt aus 3 in vergrößerter Darstellung.
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In 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einem Elektroantrieb zu sehen, bei dem es sich insbesondere um ein Fahrrad, ein Pedelec, ein E-Bike, einen Elektroroller o. dgl. handelt. Das Fahrzeug 1 besitzt einen Rahmen 2 und zwei am Rahmen 2 angeordnete Räder 3, 4. Und zwar besitzt das als Zweirad ausgestaltete Fahrzeug 1 ein Vorderrad 3 sowie ein Hinterrad 4. Am Fahrzeug 1 ist ein Tretkurbelantrieb 7 für den muskelkraftbetriebenen Antrieb des Hinterrades 4 durch den Benutzer vorgesehen. Des Weiteren weist das Fahrzeug 1 einen Elektromotor 5 zum Antrieb wenigstens eines Rades 4 auf. Vorliegend dient der Elektromotor 5 zum Antrieb des Hinterrades 4. Selbstverständlich kann auch das Vorderrad 3 angetrieben sein, wie in 1 mit dem Elektromotor 6 dargestellt ist. Falls gewünscht kann ein Elektromotor (M1) 5 für das Hinterrad 4 sowie ein weiterer Elektromotor (M2) 6 für das Vorderrad 3 vorgesehen sein, so dass es sich dann um ein Allrad-Fahrzeug mit einem Allrad-Antrieb handelt. Alternativ oder auch ergänzend kann ein mit dem Tretkurbelantrieb 7 zusammenwirkender Elektromotor in der Art eines Mittelmotors vorgesehen sein, was jedoch nicht weiter gezeigt ist. Das Fahrzeug 1 ist somit muskelkraftbetrieben sowie motorunterstützt betreibbar.
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Bei dem Antriebsmotor 5, 6 handelt es sich um einen von einem Batteriesystem 8, nachfolgend auch als Akku 8 bezeichnet, mit Energie versorgten Elektromotor in der Art eines Radnabenmotors. Der Akku 8 ist am Rahmen 2 angeordnet, und zwar ist vorliegend der Akku 8 in einer Aufnahme 9 am Rahmen 2 eingebaut. Zwecks einfachem Austausch ist der Akku 8 in der Aufnahme 9 lösbar befestigt sowie aus der Aufnahme 9 entnehmbar. Zur Befestigung des Akkus 8 in der Aufnahme 9 ist eine in 1 schematisch angedeutete Haltevorrichtung 10 am Rahmen 2 vorgesehen.
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Wie in 3 zu sehen ist, weist das zur Energieversorgung des Elektromotors 5, 6 als Verbraucher dienende Batteriesystem 8 eine Mehrzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen 12 auf. Jede Batterie- und/oder Akkuzelle 12 besitzt eine elektrische Einzel-Spannung, beispielsweise von 1,2 V oder auch von 3,6 V, sowie eine elektrische Einzel-Kapazität. Entsprechend der für den Elektromotor 5, 6 benötigten Versorgungsspannung, beispielsweise von 36 V oder 48 V, sind die Batterie- und/oder Akkuzellen 12 zur Erzielung einer vorbestimmten elektrischen Gesamt-Spannung und/oder einer vorbestimmten elektrischen Gesamt-Kapazität seriell- und/oder parallelgeschaltet.
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Im Batteriesystem 8 ist weiter ein Verteilerelement 13, und zwar insbesondere eine starre Leiterplatte, in der Art eines Stromverteilers vorgesehen. Bei dem Verteilerelement 13 kann es auch um eine flexible Leiterplatte, um ein Stanzgitter, eine Stromverbinderschiene o. dgl. handeln. Die Batterie- und/oder Akkuzellen 12 sind einzeln und/oder in Gruppen mit der Leiterplatte 13 mittels Anschlussfahnen 14 elektrisch kontaktiert, wie in 2 zu sehen. Dabei umfasst eine solche Gruppe eine Anzahl von Batterie- und/oder Akkuzellen 12, die kleiner als die Mehrzahl der Batterie- und/oder Akkuzellen 12 im Batteriesystem 8 ist. Die Seriell- und/oder Parallelschaltung ist für die Erzielung der vorbestimmten elektrischen Gesamt-Spannung und/oder der vorbestimmten elektrischen Gesamt-Kapazität mittels der Leiterplatte 13 ausgebildet.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Batterie- und/oder Akkuzelle 12 mit der Leiterplatte 13 ist ein Verbindungselement 15 vorgesehen. Das eine Verbindungselement 15 ist zur elektrischen Verbindung einer Batterie- und/oder Akkuzelle 12 über die Anschlussfahne 14 mit der Leiterplatte 13 ausgebildet. Das weitere Verbindungselement 15 ist zur elektrischen Verbindung von wenigstens zwei Batterie- und/oder Akkuzellen 12, und zwar insbesondere zur Seriell- und/oder Parallelschaltung der einzelnen Batterie- und/oder Akkuzellen 12 in der Gruppe, ausgebildet, wobei die Gruppe dann wiederum mittels der Anschlussfahne 14 mit der Leiterplatte 13 kontaktiert ist. Das Verbindungselement 15 mitsamt der Anschlussfahne 14, wobei das Verbindungselement 15 und die Anschlussfahne 14 einstückig ausgebildet sein können, besteht aus elektrisch gut leitfähigem Metall und ist als ein Stanz-Biege-Teil hergestellt. Anstelle eines solchen Metallteils kann das Verbindungselement 15 auch aus einem Steckkontakt, aus einem Drahtelement, aus einem Kabelelement o. dgl. bestehen. Das Verbindungselement 15 und/oder die Anschlussfahne 14 sind mittels Anstecken, Bonden, Löten, Schweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen o. dgl. mit der Leiterplatte 13 und/oder mit der jeweiligen Batterie- und/oder Akkuzelle 12 elektrisch verbunden.
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Zur Aufnahme der Batterie- und/oder Akkuzellen 12 sowie der Leiterplatte 13 ist ein Gehäuse 11 vorgesehen. Die Batterie- und/oder Akkuzellen 12 sind mittels Zellhalter 16 im Gehäuse 11 gehalten. Die Leiterplatte 13 ist am Zellhalter 16 mittels einer Verrastung 17 befestigt, wie in 5 zu sehen ist. Anstelle einer Verrastung 17 kann auch eine Verklemmung, eine Verschraubung o. dgl. für die Leiterplatte 13 am Zellhalter 16 vorgesehen sein. Zur Überwachung und/oder zur Steuerung der Batterie- und/oder Akkuzellen 12 ist ein in 4 lediglich schematisch gezeigtes Batteriesteuergerät 18 vorgesehen. Das Batteriesteuergerät 18 ist im Gehäuse 11 auf der Leiterplatte 13 angeordnet, wie in 4 zu sehen ist. Selbstverständlich kann, falls gewünscht, das Batteriesteuergerät 18 auch auf einer separaten, weiteren Leiterplatte 19 befindlich sein. Des Weiteren ist eine in 3 gezeigte Ladezustandsanzeige (SOC - State of Charge) 22 für den Akku 8 vorgesehen. Schließlich ist gemäß 3 ein elektrischer Anschluss 20 für die elektrische Verbindung des Verbrauchers vorgesehen, wobei hierfür eine Versorgungsleitung vom elektrischen Anschluss 20 zum Verbraucher führt.
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Wie anhand von 2 zu erkennen ist, sind die Verbindungselemente 15 zur Verbindung von drei und/oder zwei Batterie- und/oder Akkuzellen 12 und/oder einer Batterie- und/oder Akkuzelle 12 vorgesehen. In bevorzugter Weise sind zwölf Batterie- und/oder Akkuzellen 12 in einem Pack 21 angeordnet, so dass in einfacher Weise mittels der Verbindungselemente 15 die gewünschte Parallel- und/oder Seriellschaltung herstellbar ist. Weiter kann auch in einfacher Weise eine wahlweise Spannung von 36 V oder 48 V bereitgestellt werden. Die Batterie- und/oder Akkuzellen 12 sind in übereinanderliegenden Lagen von drei, vier, drei, zwei Batterie- und/oder Akkuzellen 12 mittels des Zellhalters 16 in der Art eines Packs 21 im Gehäuse 11 angeordnet, so dass eine hexagonale Anordnung mit hoher Packungsdichte geschaffen ist. Erforderlichenfalls sind wenigstens zwei Packs 21 hintereinanderliegend im Gehäuse 11 angeordnet, wie anhand von 3 zu sehen ist. Dabei sind die Packs 21 wiederum mittels der Leiterplatte 13 miteinander elektrisch verbunden.
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Das Gehäuse 11 weist ebenfalls eine prismatische Gestalt mit hexagonaler Grundfläche auf, wie in 2 zu sehen ist. Das Gehäuse 11 besteht bevorzugterweise aus Kunststoff, kann jedoch auch aus Metall, beispielsweise Aluminium, Messing oder Stahl, aus Holz o. dgl. bestehen. Bei dem Gehäuse 11 kann es sich um ein Strangpress-Profil handeln, das entsprechend der Anzahl der aufzunehmenden Packs 21 abgelängt ist. Das Batteriesystem 8 besitzt somit einen modularen Aufbau, bestehend aus im Wesentlichen gleichen Bauteilen, und zwar aus einem Gehäuse 11, einem Batteriesteuergerät 18, aus Zellhaltern 16 in der erforderlichen Anzahl, aus gegebenenfalls einer hexagonalen Zellanordnung und aus den entsprechend der Verbindung in der Gruppe notwendigen Verbindungselementen 15, wobei der Zellhalter 16 und/oder der Pack 21 bedarfsweise mit Batterie- und/oder Akkuzellen 12 bestückt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Batteriesystem 8 nicht nur in Fahrzeugen 1, wie Pedelecs oder E-Bikes oder Elektroroller, eingesetzt werden sondern kann auch in sonstigen LEV(Light Electric Vehicles)s, beispielsweise bei Dreirädern, Lastenfahrrädern, Quads o. dgl., sowie in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Des Weiteren kann die Erfindung nicht nur in Fahrzeugen zur Energieversorgung eines Elektromotors eingesetzt werden, sondern kann auch zur Energieversorgung eines sonstigen elektrischen Verbrauchers Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Fahrzeug
- 2:
- Rahmen
- 3:
- Rad / Vorderrad
- 4:
- Rad / Hinterrad
- 5:
- Elektromotor (für Hinterrad) / Antriebsmotor
- 6:
- Elektromotor (für Vorderrad) / Antriebsmotor
- 7:
- Tretkurbelantrieb
- 8:
- Batteriesystem / Akku
- 9:
- Aufnahme (am Rahmen)
- 10:
- Haltevorrichtung
- 11:
- Gehäuse (von Akku)
- 12:
- Batterie- und/oder Akkuzelle
- 13:
- Verteilerelement / Leiterplatte
- 14:
- Anschlussfahne
- 15:
- Verbindungselement
- 16:
- Zellhalter
- 17:
- Verrastung (für Leiterplatte)
- 18:
- Batteriesteuergerät
- 19:
- (weitere) Leiterplatte
- 20:
- (elektrischer) Anschluss
- 21:
- Pack (von Batterie- und/oder Akkuzellen)
- 22:
- Ladezustandsanzeige
