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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere Traktionsbatterie, für ein Kraftfahrzeug, mit mehreren Zellmodulen, die jeweils eine Vielzahl von Speicherzellen aufweisen, wobei die Zellmodule elektrisch miteinander verbunden sind, und mit einer Einrichtung zum Überwachen von Zustandsgrößen der Zellmodule und/oder Speicherzellen, wobei die Einrichtung zumindest ein Steuergerät und wenigstens eine mit den Zellmodulen verbundene Signalleitung zum Erfassen der Zustandsgrößen aufweist.
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Elektrische Energiespeicher der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit der zunehmenden Elektrifizierung der Antriebstechnik von Kraftfahrzeugen, nehmen auch die Anforderungen an elektrische Energiespeicher zu. Diese müssen zum einen eine hohe Lebensdauer gewährleisten und zum anderen eine ausreichend hohe Betriebsleistung zur Verfügung stellen. Um einen Ausfall eines elektrischen Antriebs während der Fahrt zu vermeiden, ist es von Vorteil, den Energiespeicher laufend auf Alterungserscheinungen und/oder Beschädigungen zu überwachen. Dazu ist es bekannt, Zustandsgrößen von Speicherzellen des Energiespeichers zu erfassen beziehungsweise zu ermitteln. Üblicherweise sind eine Vielzahl von Speicherzellen in einem Zellmodul zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden. Mehrere derartiger Zellmodule sind zusammen zu dem Energiespeicher zusammengefasst und ebenfalls elektrisch miteinander verbunden. Üblicherweise sind die Zellmodule dabei in einem den Energiespeicher umfassenden Gehäuse angeordnet, welches die Zellmodule vor Umwelteinflüssen oder schützt. Üblicherweise sind die Zellmodule derart elektrisch miteinander verbunden, dass der elektrische Energiespeicher einen positiven Kontaktanschluss und einen negativen Kontaktanschluss aufweist, die elektrisch mit allen Zellmodulen und Speicherzellen verbunden sind, um die maximale Leistung des Energiespeichers zu erhalten. Zusätzlich ist es bekannt, Signalleitungen vorzusehen, mittels welcher die Zellmodule oder Speicherzellen überwacht werden. Dazu sind die Signalleitungen mit einem Steuergerät oder mehreren Steuergeräten verbunden, welche über die Signalleitungen erfassten Signale auswerten, um darüber beispielsweise den Alterungszustand und/oder Fehlzustände von Speicherzellen und/oder Zellmodulen zu erkennen. Um die Signale bis zu dem Steuergerät zu führen, sind aufwendige und kostenintensive Steckverbindungen üblich, die außerdem die Montagezeit erhöhen und außerdem verhältnismäßig viel Bauraum für sich beanspruchen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 101 301 A1 ist beispielsweise ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen bekannt, wobei die benachbarten Zellen durch Kondensatorplatten kapazitiv gekoppelt sind, um eine Gleichstromunterbrechung bereitzustellen. Weiterhin ist es aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 088 530 A1 bekannt, zum Übertragen von Informationen aus einer Batteriezelle heraus, eine kapazitive Kopplung von innen nach außen vorzusehen. Aus der Patentschrift
DE 10 2015 002 150 B3 geht ein gattungsgemäßer Energiespeicher hervor, bei welchem außerdem benachbarte Batteriezellen kapazitiv miteinander gekoppelt sind, um Zustandsgrößen der Batteriezellen zu ermitteln.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 088 440 A1 ist bereits ein Energiespeicher mit mehreren Zellmodulen bekannt, wobei benachbarte Zellmodule Kommunikationsanschlüsse zur kapazitiven Kopplung aufweisen. Ein ähnlicher Energiespeicher geht auch aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 101 391 A1 hervor.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Energiespeicher zu schaffen, der eine kostengünstige signaltechnische Vernetzung der Zellmodule und Speicherzellen mit geringem Bauraumverbrauch bietet.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser hat den Vorteil, dass aufgrund des Vermeidens von Stecker-Verbindungen Bauraum eingespart und Herstellungskosten reduziert werden. Anstelle einer Berührungskontaktierung wird eine berührungsfreie Signalübertragung zur Verfügung gestellt, durch welche eine galvanische Trennung zwischen den Zellmodulen entsteht, bei gleichzeitiger Sicherstellung des Signal- beziehungsweise Informationsfluss. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass jedes Zellmodul einen Signalleitungsabschnitt der Signalleitung aufweist, der kapazitiv mit einem Signalleitungsabschnitt eines benachbarten Zellmoduls zur Übertragung von elektrischen Signalen gekoppelt ist. Die Signalleitung ist also durch Signalleitungsabschnitte gebildet, die von den Zellmodulen bereitgestellt werden. Dabei sind die Signalleitungsabschnitte jeweils kapazitiv miteinander gekoppelt, wodurch zwischen den Zellmodulen in der Signalleitung eine galvanische Trennung und eine berührungsfreie Signalübertragung erfolgen.
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Die Signalleitungsabschnitte sind als Flachleiterfolien ausgebildet. Dadurch verbrauchen die Signalleitungsabschnitte besonders wenig Bauraum und sind bei der Montage einfach zu handhaben. Auch die Herstellungskosten für die Signalleitungsabschnitte fallen dadurch niedrig aus. Insbesondere sind die Flachleiterfolien flexibel ausgebildet, sodass eine einfache Montage und Handhabung der Zellmodule im Energiespeicher gewährleistet ist, die auch Beschädigungen bei der Montage vermeidet. Auch können dadurch Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen einfach ausgeglichen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jede Flachleiterfolie eine Trägerfolie und eine Deckfolie aufweist, zwischen denen zumindest eine elektrische Leitung verläuft. Damit ist die zumindest eine zwischen Trägerfolie und Deckfolie verlaufende Leitung sicher vor äußeren Einflüssen und insbesondere vor Korrosion geschützt. Vorzugsweise ist auch die zumindest eine elektrische Leitung flexibel ausgebildet, um sich mit der gegebenenfalls flexiblen Flachleiterfolie mitverformen zu können, ohne zu brechen. Insbesondere ist die zumindest eine elektrische Leitung als aufgedruckte elektrische Leiterbahn ausgebildet, wie sie auch bei Leiterplatten, insbesondere flexiblen Leiterplatten, vorgesehen ist. Optional weist die jeweilige Flachleiterfolie mehrere derartiger elektrischer Leitungen auf.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jede Flachleiterfolie streifenförmig ausgebildet ist und an ihren Stirnenden jeweils eine zwischen Deckfolie und Trägerfolie liegende Kondensatorplatte aufweist. Durch die streifenförmige Ausbildung der Flachleiterfolie ergibt sich eine einfache Montage und Kontaktierung benachbarter Flachleiterfolien beziehungsweise der Flachleiterfolie benachbarter Zellmodule. Durch die an den Stirnenden angeordneten Kondensatorplatten ist eine einfache signaltechnische Kopplung benachbarter Flachleiterfolien beziehungsweise Zellmodule gewährleistet. Auch die Kondensatorplatten sind geschützt zwischen Deckfolie und Trägerfolie angeordnet beziehungsweise eingehaust. Hierdurch wird auch erreicht, dass kein direkter Berührungskontakt zwischen benachbarten Kondensatorplatten erfolgen kann, wodurch die galvanische Trennung benachbarter Zellmodule im Signalfluss sicher gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die jeweilige Kondensatorplatte in der Ebene der Flachleiterfolie erstreckt. Damit ist die jeweilige Flachleiterfolie besonders flach beziehungsweise niedrig ausgebildet, wodurch sich weitere Bauraumvorteile ergeben.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Kondensatorplatte einer Flachleiterfolie als Kupferplatte ausgebildet und insbesondere einstückig mit zumindest einer elektrischen Leitung derselben Flachleiterfolie ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Integration der jeweiligen Kondensatorplatte in die Flachleiterfolie. Insbesondere sind die zumindest eine elektrische Leitung und die Kondensatorplatte bevorzugt auf die Trägerfolie aufgedruckt.
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Erfindungsgemäß überlappen sich die Flachleiterfolien benachbarter Zellmodule derart, dass die Kondensatorplatte der Flachleiterfolie eines der benachbarten Zellmodule der Kondensatorplatte der Flachleiterfolie des anderen der Zellmodule gegenüberliegt. Hierdurch wird eine kapazitive Kopplung zwischen den Flachleiterfolien beziehungsweise Signalleitungsabschnitten der benachbarten Zellmodule einfach und sicher gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass die Flachleiterfolien benachbarter Zellmodule fest miteinander verbunden sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Kondensatorplatten sich im Betrieb nicht zueinander verschieben, wodurch ansonsten die Übertragungsleistung der kapazitiven Kopplung beeinträchtigt werden könnte. Durch die feste Verbindung wird insbesondere erreicht, dass die sich überlappenden Abschnitte der Flachleiterfolien sich nicht voneinander entfernen können und die Signalkopplung dauerhaft gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Flachleiterfolien benachbarter Zellmodule dazu miteinander durch einen Kleber verklebt. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Befestigung der Flachleiterfolien aneinander.
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Insbesondere weist der Kleber zumindest einen elektrisch nicht leitfähige Füllstoff, insbesondere Keramikpartikel oder dergleichen, zur Einstellung einer zwischen den Kondensatorplatten wirkenden Dielektrizität auf. Zusätzlich zu den aufeinanderliegenden Deck- und/oder Trägerfolien, ist somit durch das Hinzufügen von Füllstoff in den Kleber die Dielektrizität zwischen den Kondensatorplatten und damit die Übertragungsleistung der signaltechnischen Kopplung einstellbar. Dadurch ist die Verbindung zwischen den Flachleiterfolien an unterschiedliche Anwendungsfälle in einfacher und kostengünstiger Art und Weise anpassbar.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Flachleiterfolien benachbarter Zellmodule mechanisch miteinander verbunden sind, insbesondere mittels zumindest einer Klemme, zumindest einen Klips, zumindest einem Bügel und/oder zumindest einem Bolzen. Hierdurch ist eine einfache mechanische Kopplung gewährleistet, die ebenfalls die Anordnung der Flachleiterfolien benachbarter Zellmodule dauerhaft gewährleistet. Im Unterschied zu einem Verkleben ist die Verbindung schneller herstellbar, weil auf ein Trocknen beziehungsweise Festigen des Klebers nicht gewartet werden muss, jedoch ergibt sich ein erhöhter Bauraumbedarf und eine erschwerte Montage.
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In einer nicht-erfindungsgemäßen Ausführung sind die Flachleiterfolien bevorzugt derart ausgebildet, dass die Kondensatorplatten zumindest im Wesentlichen zwischen benachbarten Zellmodulen liegen. Damit sind die Kondensatorplatten gut zugängig und die Verbindung der Flachleiterfolien miteinander einfach durchführbar. Die maximale Größe der Kondensatorplatten wird dabei jedoch durch den Abstand benachbarter Zellmodule zueinander begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Flachleiterfolien derart ausgebildet sind, dass die Kondensatorplatten auf benachbarten Zellmodulen aufliegen. Dadurch kann sich die jeweilige Kondensatorplatte über die gesamte Breite und/oder Länge eines Zellmoduls erstrecken, wodurch die Signalleistung verbesserbar ist. In diesem Fall ist dann die Flachleiterfolie eines Zellmoduls derart ausgebildet, dass eine erste Kondensatorplatte auf Höhe des Zellmoduls liegt, und eine zweite Kondensatorplatte derart weit neben dem Zellmodul liegt, dass sie auf einem benachbarten Zellmodul auflegbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist jedes Zellmodul jeweils ein Steuergerät auf, wobei die Steuergeräte über die Signalleitung miteinander und insbesondere mit einem übergeordneten Energiespeichersteuergerät kommunizieren. Durch das jeweilige Steuergerät ist in vorteilhafter Weise die Überwachung der Energiespeicherzellen durchführbar, wobei hier auf bekannte Verfahren und Überwachungsvorrichtungen für Speicherzellen zurückgegriffen werden kann. Die so von dem Steuergerät zusammengefassten und ermittelten Daten werden dann über die Signalleitung an eine oder mehrere Steuergeräte der anderen Zellmodule weitergeleitet werden, um eine Gesamtübersicht über alle Zellmodule und/oder Energiespeicherzellen zu erhalten. Insbesondere werden die Daten an ein übergeordnetes Energiespeichersteuergerät durch die Signalleitung kommuniziert, welches dazu ausgebildet ist, die Daten zusammenzufassen und auszuwerten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalleitung eine BUS-Leitung. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte digitale Kommunikation zwischen den Steuergeräten und/oder dem Energiespeichersteuergerät, durch welche Informationen sicher und schnell übertragbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung außerdem ein Zellmodul insbesondere für den vorstehend beschriebenen Energiespeicher, das eine Vielzahl von Energiespeicherzellen aufweist, die mit einem Steuergerät die Überwachung von Zustandsgrößen der Speicherzellen signaltechnisch verbunden sind, wobei das Steuergerät mit einer streifenförmigen Flachleiterfolie verbunden ist, die an ihren Stirnenden jeweils eine zwischen einer Deckfolie und Trägerfolie liegende Kondensatorplatte zur kapazitiven Signalkopplung aufweist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug in einer vereinfachten Draufsicht,
- 2 ein Zellmodul des Energiespeichers in einer vereinfachten Draufsicht,
- 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung des Energiespeichers,
- 4 die Schnittdarstellung des Energiespeichers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
- 5 eine Draufsicht auf den Energiespeicher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen elektrischen Energiespeicher 1 für ein Kraftfahrzeug, der vorliegend als Traktionsbatterie, die für eine elektrische Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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Der Energiespeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem mehrere Zellmodule 3 angeordnet sind, die jeweils eine Vielzahl von elektrischen Speicherzellen 4 aufweisen. Die Zellmodule 3 sind vorliegend alle gleich ausgebildet und in zwei Reihen nebeneinanderliegend angeordnet. Jedes Zellmodul 3 weist außerdem ein Steuergerät 5 auf, das den Betrieb des jeweiligen Zellmoduls 3 überwacht und insbesondere Zustandsgrößen der Speicherzellen 4 erfasst, um beispielsweise Alterungserscheinungen und/oder Fehlfunktionen führzeitig zu erkennen.
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Die Steuergeräte 5 der Zellmodule 3 sind durch eine Signalleitung 6 mit einer übergeordneten Energiespeicherelektronik 7, die insbesondere ein übergeordnetes Energiespeichergerät 8 aufweist, signaltechnisch verbunden. Das Energiespeichergerät 8 erfasst beispielsweise die von den Steuergeräten 5 erfassten Zustandswerte und/oder Daten der Energiespeicherzellen und wertet diese aus, um Alterungserscheinungen des Energiespeichers 1 insgesamt frühzeitig zu erkennen und beispielsweise entgegenzuwirken.
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2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung eines der Zellmodule 3 in einer vereinfachten Draufsicht. Die Energiespeicherzellen 4 sind in oder auf einem Gehäuseteil 9 angeordnet und elektrisch miteinander sowie mit dem Steuergerät 5 verbunden. Das Steuergerät 5 ist wiederum mit einem Signalleitungsabschnitt 10 verbunden, der einen Abschnitt der Signalleitung 6 bildet. Der Signalleitungsabschnitt 10 ist dabei als Flachleiterfolie 11 ausgebildet, die mit Bezug auf 3 im Folgenden näher erläutert werden soll.
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3 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung durch den Energiespeicher 1 entlang der Linie A-A zwei Signalleitungsabschnitte 10 von benachbarten Zellmodulen 3. Die jeweilige Flachleiterfolie 11 weist eine Trägerfolie 12 auf, auf welcher zumindest zwei elektrische Leitungen 13, insbesondere in Form von aufgedruckten Leiterbahnen liegen. Außerdem liegen auf der Trägerfolie 12 zwei Kondensatorplatten 14 auf, wie insbesondere in 2 ersichtlich, die jeweils den Enden beziehungsweise Stirnseiten des streifenförmig ausgebildeten Signalleitungsabschnitts 10 zugeordnet sind. Die Kondensatorplatten 14 sind insbesondere einstückig mit jeweils einer der Leitung 13 ausgebildet. So sind beispielsweise die Leitungen 13 und die Kondensatorplatte 14 aus Kupfer gefertigt und auf die Deckfolie 12 aufgedruckt oder auf andere Art und Weise aufgebracht. Unter Zwischenschaltung einer Klebemasse 15 sind die Leitung 13 und die Kondensatorplatten 14 von einer Deckfolie 16 überdeckt, sodass die Leitungen 13 und Kondensatorplatten 14 zwischen der Deckfolie 16 und der Trägerfolie 12 geschützt in der Flachleiterfolie 11 liegen.
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Die Flachleiterfolien 11 sind dabei derart ausgebildet, dass sie beidseits seitlich über die Zellmodule 3 vorstehen, sodass die Flachleiterfolien 11 benachbarter Zellmodule 3 in eine Überlappungsposition geraten, in welcher die Kondensatorplatten 14 der beiden einander zugewandten Enden der Flachleiterfolien 11 einander gegenüberliegen, wie insbesondere in 3 ersichtlich. Vorzugsweise sind die Flachleiterfolien 11 dabei an diesem Endbereich miteinander durch einen Kleber 17 fest miteinander verbunden, wobei der Kleber 17 insbesondere zwischen der Deckschicht 16 der einen Flachleiterfolie 11 und der Trägerschicht 12 der anderen Flachleiterfolie 11 angeordnet ist.
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Die einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 14 stehen somit nicht in Berührungskontakt zueinander, sondern weisen vielmehr zwischen sich ein durch die Deckschicht 16, Trägerschicht 12 und Kleber 17 erzeugtes Dielektrikum auf. Zur Beeinflussung des Dielektrikums weist optional der Kleber 17 Füllstoffe 18 auf, die insbesondere elektrisch nicht leitfähig sind, wie beispielsweise Keramikpartikel.
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Durch die einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 14 sind die Steuergeräte 5 benachbarter Zellmodule 3 kapazitiv miteinander signaltechnisch gekoppelt. Insbesondere sind die Zellmodule 3 dabei dazu ausgebildet, durch die Signalleitungsabschnitte 10 und die kapazitive Kopplung Daten beziehungsweise digitale Signale zu senden. Insbesondere ist dazu die Signalleitung 6 als BUS-Leitung ausgebildet, über welche die Steuergeräte 5 miteinander und insbesondere mit dem Energiespeichersteuergerät 8 digital kommunizieren.
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Durch die kapazitive Kopplung der Signalleitungsabschnitte 10 wird außerdem eine galvanische Trennung zwischen den benachbarten Zellmodulen 5 zumindest in der Signalleitung erreicht, wodurch die Betriebssicherheit des Energiespeichers 1 weiter erhöht wird.
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4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1, bei welchem die Signalleitungsabschnitte 10 beziehungsweise Flachleiterfolien 11 benachbarter Zellmodule 3 nicht durch Kleben miteinander fest verbunden sind, sondern durch mechanische Befestigungsmittel 19, die insbesondere als Bolzen, Klammern, Klemmen, Klipsen, Bügel oder dergleichen ausgebildet sind. Diese werden nachträglich an die in Überlappungsposition gebrachten Flachleiterfolien 11 montiert, um diese dauerhaft aneinander zu befestigen und die Ausrichtung der einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 14 der beiden Flachleiterfolien 11 dauerhaft zu gewährleisten. In 4 sind beispielhaft Bolzen 20 gezeigt, welche sich durch die benachbarten beziehungsweise überlappenden Flachleiterfolien 11 erstrecken, um diese aneinander zu halten. Die Bolzen 20 können auch nietenartig ausgebildet sein, um ein Lösen der Bolzen 20 von den Flachleiterfolien 11 formschlüssig zu vermeiden.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten 14 nicht zwischen benachbarten Zellmodulen 3 liegen, sondern auf Höhe der Zellmodule 3. Dazu erstrecken sich die Flachleiterfolien 11 jedes Zellmoduls 3 über ein Kopfabschnitt des Zellmoduls 3 sowie den Kopfabschnitt eines benachbarten Zellmoduls 3. Hierdurch wird der zur Verfügung stehende Bauraum derart optimiert ausgenutzt, dass größere Kondensatorplatten 14 in dem Energiespeicher 1 integrierbar sind, wodurch eine höhere Signalleistung in der Signalleitung 6 erreichbar ist. Dabei liegen die Kontaktplatten 14 oberhalb beziehungsweise auf den Zellmodulen 3 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicher
- 2
- Gehäuse
- 3
- Zellmodul
- 4
- Speicherzelle
- 5
- Steuergerät
- 6
- Signalleitung
- 7
- Energiespeicherelektronik
- 8
- Energiespeichergerät
- 9
- Gehäuseteil
- 10
- Signalleitungsabschnitt
- 11
- Flachleiterfolie
- 12
- Trägerfolie
- 13
- Leitung
- 14
- Kondensatorplatte
- 15
- Klebemasse
- 16
- Deckfolie
- 17
- Kleber
- 18
- Füllstoff
- 19
- Befestigungsmittel
- 20
- Bolzen
