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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs aufweisend zumindest ein Zellterminal zum Verschalten der Batteriezelle mit einer anderen Batteriezelle der Hochvoltbatterie. Die Erfindung betrifft außerdem eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltbatterien, welche insbesondere zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine eines als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs dienen. Solche Hochvoltbatterien umfassen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen in der Regel ein Zellgehäuse auf, auf dessen Gehäusedeckel Zellterminals angeordnet sind. Die Zellterminals sind mit einem, in einem Gehäuseinneren des Zellgehäuses angeordneten galvanischen Element elektrisch verbunden und bilden Anschlüsse der Batteriezelle aus. Über die Zellterminals kann die Batteriezelle mit einem zellexternen Anschluss, beispielsweise mit einem Zellterminal einer anderen Batteriezelle, kontaktiert werden.
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Zum Verschalten bzw. elektrischen Verbinden der Batteriezellen wird üblicherweise ein Zellkontaktiersystem (ZKS) verwendet, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2014 219 178 A1 bekannt ist. Das dort gezeigte Zellkontaktiersystem weist eine Trägerstruktur sowie mehrere separate Kontaktelemente auf, welche an der Trägerstruktur befestigt sind. Eine solche Trägerstruktur wird üblicherweise auf den aneinander gestapelten Batteriezellen angeordnet, sodass die Kontaktelemente zum Realisieren einer vorbestimmten Verschaltung der Batteriezellen mit den Zellterminals der Batteriezellen verschweißt werden können. Aus einem solchen Zellkontaktiersystem ergibt sich der Nachteil, dass die Trägerstruktur und die Kontaktelemente separat entwickelt und hergestellt werden müssen und daher das Zellkontaktiersystem hohe Kosten aufweist. Außerdem dient die Trägerstruktur im Wesentlichen nur der Positionierung der Kontaktelemente beim Schweißen und wird über eine Lebensdauer des Kraftfahrzeugs nicht mehr benötigt. Daher erhöht die Trägerstruktur ein Gewicht und einen Platzbedarf der Hochvoltbatterie.
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Aus der
DE 10 2012 020 799 A1 ist eine Energiespeichereinrichtung mit einer elektrochemischen Elektrodenbaugruppe und einem quaderförmigen Gehäuse, welches ausgestaltet ist, die Elektrodenbaugruppe wenigstens teilweise aufzunehmen und welches eine erste Gehäusewandung und eine zweite Gehäusewandung aufweist, bekannt. Die Energiespeicheranordnung weist außerdem einen ersten Zellanschluss erster Polarität und einen zweiten Zellanschluss zweiter Polarität auf, welche sich aus der ersten Gehäusewandung erstrecken. Der erste Zellanschluss weist eine erste Kontaktfläche mit einem ersten Normalvektor auf. Der zweite Zellanschluss ist mit einem im Wesentlichen plattenförmigen Anschlussschenkel ausgebildet, welcher sich abschnittweise über die zweite Gehäusewandung hinaus erstreckt, wobei der Anschlussschenkel eine zweite Kontaktfläche mit einem zweiten Normalvektor aufweist. Die Normalvektoren weisen die gleiche Richtung und entgegengesetzte Orientierung auf.
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Die
US 2013/0 280 587 A1 offenbart ein Batteriemodul mit Elektrodenfahnen. Die Elektrodenfahnen weisen eine Zickzackform auf, bei der die sich nach oben erstreckende Elektrodenfahne nach unten gebogen wird, und dann wieder nach oben gebogen wird. So können die Elektrodenfahnen Vibrationen, beispielsweise in Form von Ultraschallwellen beim Ultraschall-Schweißen, absorbieren. Die
US 2012/0 094 161 A1 zeigt eine Einzelzelle, die eine Hülle, eine Abdeckung und einen elektrischen Kern umfasst. Die Abdeckung ist mit der Hülle dicht verbunden. Der elektrische Kern ist in der Schale untergebracht, wobei mindestens zwei Elektrodenanschlüsse mit der gleichen Polarität die Abdeckung durchdringen. Ferner sei auf die
CN 203 377 310 U verwiesen, welche einen Pol einer Blei-Säure-Batterie beschreibt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung für eine bauraumoptimierte, gewichtsoptimierte und kostengünstige Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche außerdem einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs weist ein Zellterminal zum Verschalten der Batteriezelle mit einer anderen Batteriezelle der Hochvoltbatterie auf. Das Zellterminal weist einen plattenförmigen, auf einem Gehäusedeckel eines Zellgehäuses der Batteriezelle angeordneten und vollständig mit dem Gehäusedeckel überlappenden Terminalbereich, welcher mit einem galvanischen Element der Batteriezelle elektrisch verbunden ist, auf. Außerdem weist das Zellterminal einen an den plattenförmigen Terminalbereich angrenzenden, über einen Außenrand des Gehäusedeckels hinausragenden Verbindungsbereich auf. Der Terminalbereich und der Verbindungsbereich sind einteilig aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Der Verbindungsbereich ist zum Verschalten der Batteriezelle mit der anderen Batteriezelle und zum Abstandhalten der Batteriezelle zu der anderen Batteriezelle über eine Stoßverbindung mit einem Zellterminal der anderen Batteriezelle verbindbar.
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Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug weist zumindest zwei erfindungsgemäße Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind entlang einer Stapelrichtung aneinander gestapelt, wobei die Batteriezellen über die mittels der Stoßverbindung miteinander verbundenen Verbindungsbereiche der jeweiligen Zellterminals der Batteriezellen beabstandet zueinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die Hochvoltbatterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Elektroantrieb eines als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs sein. Die Batteriezelle ist insbesondere eine prismatische, wiederaufladbare Batteriezelle bzw. Sekundärzelle und kann mit weiteren Batteriezellen zum Ausbilden der Hochvoltbatterie für das Kraftfahrzeug verschaltet werden. Die prismatische Batteriezelle weist insbesondere ein flachquaderförmiges Zellgehäuse auf, in dessen Gehäuseinneren das galvanische Element angeordnet ist. Die Batteriezelle kann aber auch eine Rundzelle mit einem zylinderförmigen Zellgehäuse, welches einen runden Gehäusedeckel aufweist, sein. Die Batteriezelle weist zwei Zellterminals bzw. Zellanschlüsse auf, wobei zumindest eines der Zellterminals den plattenförmigen Terminalbereich sowie den daran unmittelbar angrenzenden Verbindungsbereich aufweist. Das Zellterminal dient dazu, das galvanische Element elektrisch mit einem zellexternen Anschluss in Form von dem Zellterminal einer anderen Batteriezelle zu verbinden.
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Der plattenförmige Terminalbereich ist dabei auf dem Gehäusedeckel, welcher eine Oberseite des Zellgehäuses bildet, angeordnet. Im Falle eines Zellgehäuses aus elektrisch leitfähigem Material ist das Zellterminal elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse isoliert. Der Terminalbereich ist plattenförmig bzw. flächig ausgebildet und weist eine rechteckförmige Oberfläche auf. Der Terminalbereich überlappt vollständig mit der Oberseite des Zellgehäuses. Der plattenförmige Terminalbereich ist mit dem galvanischen Element in dem Gehäuseinneren des Zellgehäuses elektrisch verbunden. Der Verbindungsbereich grenzt an den Terminalbereich an und überlappt höchstens bereichsweise mit der Oberseite des Zellgehäuses. Der Verbindungsbereich und der Terminalbereich sind monolithisch ausgebildet. Der Verbindungsbereich ragt insbesondere in Stapelrichtung der Batteriezellen über den Außenrand des Deckels hinaus. Dadurch ist eine in Stapelrichtung orientierte Abmessung des gesamten Zellterminals größer als eine Dicke bzw. Tiefe des Zellgehäuses in der Stapelrichtung.
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Insbesondere entspricht ein Abstand von einander gegenüberliegenden Seitenrändern des plattenförmigen Terminalbereichs höchstens einer Dicke des quaderförmigen Zellgehäuses der als prismatische Batteriezelle ausgestalten Batteriezelle, wobei der Verbindungsbereich angrenzend an einen der Seitenränder des Terminalbereiches ausgebildet ist. Beim Stapeln der Batteriezellen entlang der Stapelrichtung werden die Batteriezellen insbesondere derart angeordnet, dass der Verbindungsbereich des Zellterminals einer Batteriezelle auf Stoß an dem Verbindungsbereich des Zellterminals einer benachbarten Batteriezelle angeordnet wird. Die Verbindungsbereiche der Zellterminals sind also einander zugewandt. Das Zellterminal kann somit kraftschlüssig mit dem zellexternen Anschluss verbunden werden. Zusätzlich kann das Zellterminal im Bereich der Stoßverbindung mit dem zellexternen Anschluss verschweißt werden.
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Dadurch, dass der Verbindungsbereich und der Terminalbereich aus dem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, kann über die Stoßverbindung das Zellterminal der einen Batteriezelle mit dem Zellterminal der benachbarten Batteriezelle elektrisch verbunden werden. Der Verbindungsbereich und der Terminalbereich sind dabei einteilig ausgebildet. Insbesondere sind der Verbindungsbereich und der Terminalbereich nicht gefügt bzw. durch eine Verbindungstechnik mechanisch miteinander verbunden. Vielmehr ist das Zellterminal, beispielsweise durch ein spanendes Fertigungsverfahren wie Fräsen, derart gefertigt und geformt, dass sich der plattenförmige Terminalbereich und der Verbindungsbereich durch die geometrische Form des Zellterminals ergeben. Durch den Verbindungsbereich werden die Batteriezellen außerdem beabstandet zueinander angeordnet, sodass eine Volumenänderung der Batteriezellen ermöglicht wird. Eine solche Volumenänderung kann betriebsbedingt sein und beispielsweise als ein „Ausbauchen“ der Batteriezellen während eines Aufladevorgangs der Batteriezellen auftreten.
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Aus der erfindungsgemäßen Batteriezelle ergibt sich der Vorteil, dass auf ein separates Zellkontaktiersystem zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen sowie auf separate Abstandshalter zwischen den Batteriezellen, beispielsweise in Form von elastischen Matten zwischen den Batteriezellen, verzichtet werden kann. Somit können Kosten, Bauraum und Gewicht der Hochvoltbatterie eingespart werden.
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Dabei ist der Verbindungsbereich als ein elastisch verformbarer Biegefederbereich ausgebildet, welcher zusätzlich zum Bereitstellen der elektrischen Verbindung dazu ausgelegt ist, eine Volumenänderung der Batteriezelle aufzunehmen, und welcher mittels der Stoßverbindung federnd mit dem Zellterminal der anderen Batteriezelle verbindbar ist. Der Verbindungsbereich ist somit reversibel biegbar ausgebildet und kann somit Volumenänderungen der Batteriezelle in und entgegen der Stapelrichtung ermöglichen, ohne dass die elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen unterbrochen wird.
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Der Terminalbereich und der Biegefederbereich sind in einer Ebene liegend ausgebildet. Oberseiten des Terminalbereiches und des Biegefederbereiches bilden eine stufenlose ebene Fläche aus. Der Terminalbereich ist flachquaderförmig ausgebildet und der Biegefederbereich ist biegebalkenförmig ausgebildet und seitlich von einem Seitenrand des flachquaderförmigen Terminalbereiches abstehend ausgebildet. Die Oberseiten der Bereiche des Zellterminals sind dabei parallel zu dem Gehäusedeckel angeordnet und weisen einen stufenlosen Übergang auf. Dabei ist der Biegefederbereich ausgehend von dem Seitenrand des Terminalbereiches seitlich in Richtung des Biegefederbereiches des Zellterminals der anderen Batteriezelle abstehend ausgebildet und damit schräg zu dem Seitenrand orientiert.
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Ein mit dem zellexternen Anschluss auf Stoß verbindbares Endstück des Biegefederbereiches ist also entlang der Stapelrichtung beabstandet zu dem Seitenrand des Zellterminals angeordnet, kann jedoch in Richtung des Seitenrandes oder von dem Seitenrand weg reversibel gebogen werden. Der Biegefederbereich ist also insbesondere schnapphakenartig bzw. schnapphakenförmig ausgebildet. Der Seitenrand kann dabei einer senkrecht zur Stapelrichtung orientierten Frontwand oder Rückwand des Zellgehäuses zugewandt sein. Durch diese Ausführungsform des Zellterminals, bei welcher die Bereiche in einer Ebene liegen, weisen die Batteriezelle und damit die Hochvoltbatterie ein besonders geringes z-Maß auf.
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Gemäß einer anderen, nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform weisen der Terminalbereich und der Biegefederbereich einen stufenförmigen Übergang zueinander auf, wobei ein mit dem Zellterminal der anderen Batteriezelle verbindbares Endstück des Biegefederbereiches gegenüber dem Terminalbereich erhöht ist. Insbesondere ist der Terminalbereich flachquaderförmig ausgebildet, und der Biegefederbereich ist biegebalkenförmig ausgebildet und ausgehend von dem Terminalbereich nach oben hin abstehend ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Biegefederbereich schräg zu der Oberseite des Terminalbereiches orientiert. Insbesondere ist der Biegefederbereich bereichsweise bogenförmig ausgebildet. Beispielsweise kann der Biegefederbereich schwanenhalsförmig ausgebildet sein. Im verbundenen Zustand der Biegefederbereiche der Zellterminals zweier aneinander gestapelter Batteriezellen bilden die Biegefederbereiche einen Bogen aus, dessen Bogenradius zur Aufnahme der Volumenänderung der Batteriezellen variieren kann.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batteriezelle vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik in einer Perspektivansicht;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform von erfindungsgemäßen Batteriezellen in einer Perspektivansicht; und
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform von Batteriezellen in einer Seitenansicht.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt zwei entlang einer Stapelrichtung S aneinander gestapelte Batteriezellen 1, 2 einer Hochvoltbatterie 3 gemäß dem Stand der Technik in einer Perspektivansicht. Die Batteriezellen 1, 2 sind als prismatische Batteriezellen 1, 2 mit flachquaderförmigen Zellgehäusen ausgebildet. Dabei weist jede Batteriezelle 1, 2 jeweils zwei Zellterminals 4a, 4b, 5a, 5b, auf. Die Zellterminals 4a, 5a sind beispielsweise Pluspole der Batteriezellen 1, 2 und die Zellterminals 4b, 5b sind beispielsweise Minuspole der Batteriezellen 1, 2. Hier sind die Batteriezellen 1, 2 der Hochvoltbatterie 3 in Reihe geschaltet, sodass hier das Zellterminal 4a der ersten Batterie 1 mit dem Zellterminal 5b der zweiten Batterie 2 über ein separates Kontaktelement 6 elektrisch verbunden ist.
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Das Kontaktelement 6 ist hier ein Kontaktblech mit einem bogenförmigen Bereich 7, durch welchen das Kontaktelement 6 entlang der Stapelrichtung S reversibel längenveränderlich ausgebildet ist. So kann bei einer Volumenänderung der Batteriezellen 1, 2, beispielsweise bei einem betriebsbedingten Ausdehnen bzw. „Ausbauchen“ der Batteriezellen 1, 2, verhindert werden, dass sich das Kontaktelement 6 von den Zellterminals 4a, 5b löst und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen 1, 2 unterbrochen wird. Das Kontaktelement 6 ist ein separates Bauteil, welches über eine Schweißverbindung 8 mit den Zellterminals 4a, 5b verbunden wird. Das Kontaktelement 6 ist üblicherweise in einen hier nicht gezeigten Rahmen integriert, wobei das Kontaktelement 6 und der Rahmen ein Zellkontaktiersystem bilden. Durch dieses Zellkontaktiersystem werden Kosten, ein Gewicht und ein Platzbedarf der Hochvoltbatterie 3 erhöht.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform von erfindungsgemäßen Batteriezellen 9, 10 einer Hochvoltbatterie 11 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in einer Perspektivansicht. Die Batteriezellen 9, 10 sind hier als prismatische Batteriezellen ausgebildet. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform von nicht erfindungsgemäßen Batteriezellen 9, 10 in einer Seitenansicht. Jede Batteriezelle 9, 10 weist zwei Zellterminals 12a, 12b, 13a, 13b auf, welche auf einem Gehäusedeckel 14 eines quaderförmigen Zellgehäuses 15 der prismatischen Batteriezellen 9, 10 angeordnet sind. Die Zellterminals 12a, 12b, 13a, 13b sind gegenüber dem Gehäusedeckel 14 elektrisch isoliert. Die Batteriezellen 9, 10 sind hier ausschließlich über die Zellterminals 12a, 13b, ohne ein separates Kontaktelement, verschaltet. Dazu weisen die elektrisch miteinander verschalteten Zellterminals 12a, 13b jeweils einen plattenförmigen Terminalbereich 16 und einen daran angrenzenden Verbindungsbereich 17 auf.
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Der plattenförmige Terminalbereich 16 ist rechteckförmig ausgebildet und ist mit einem hier nicht gezeigten galvanischen Element in einem Gehäuseinneren des Zellgehäuses 15 elektrisch verbunden. Der Terminalbereich 16 ist auf dem Gehäusedeckel 14 angeordnet und überlappt vollständig mit dem Gehäusedeckel 14. Der Verbindungsbereich 17 ragt über einen Außenrand 18 des Gehäusedeckels 14 hinaus. Durch den Verbindungsbereich 17 wird das Zellterminal 12a, 13b also in Stapelrichtung S verbreitert. Die einander zugwandten Verbindungsbereiche 17 beider Zellterminals 12a, 13b sind über eine Stoßverbindung 19 kraftschlüssig miteinander verbunden. Zusätzlich können die Verbindungsbereiche 17 im Bereich der Stoßverbindung 19 miteinander verschweißt sein.
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Der Terminalbereich 16 und der daran angrenzende Verbindungsbereich 17 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, sodass über die Stoßverbindung 19 zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen den Zellterminals 12a, 13b hergestellt wird. Durch die über den jeweiligen Außenrand 18 des Gehäusedeckels 14 hinausragenden Verbindungsbereiche 17 werden die Batteriezellen 9, 10 außerdem auf Abstand gehalten, sodass eine Volumenänderung der Batteriezellen 9, 10 möglich ist und die Batteriezellen 9, 10 sich beispielsweise in Stapelrichtung S ausdehnen können. Die Verbindungsbereiche 17 sind als Biegefederbereiche 20 ausgebildet, welche in und gegen die Stapelrichtung S biegbar sind. Dadurch kann die elektrische Verbindung der Batteriezellen 9, 10 auch bei der Volumenänderung der Batteriezellen 9, 10 zuverlässig aufrechterhalten werden.
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Gemäß 2 liegen der Terminalbereich 16 und der Biegefederbereich 20 in einer Ebene. Der Biegefederbereich 20 ist biegebalkenförmig ausgebildet und steht seitlich von einem Seitenrand 21 des Terminalbereiches 16 ab. Der Bereich der Stoßverbindung 19 wird hier über eine Berührfläche zwischen den biegebalkenförmigen Biegefederbereichen 20 gebildet. Bei einer Ausdehnung der Batteriezellen 9, 10 in Stapelrichtung S kann sich jeder biegebalkenförmige Biegefederbereich 20 in Richtung des Seitenrandes 21 des angrenzenden Terminalbereiches 16 biegen und sich bei einer Kontraktion der Batteriezellen 9, 10 wieder von dem Seitenrand 21 wegbewegen.
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Bei der Ausführungsform der Zellterminals 12a, 13b gemäß 3 ist ein Übergang 22 zwischen dem Terminalbereich 16 und dem Biegefederbereich 20 stufenförmig ausgebildet. Der Biegefederbereich 21 erstreckt sich schwanenhalsförmig in Hochrichtung H nach oben. Die Biegefederbereiche 20 beider Zellterminals 12a, 13b bilden einen Bogen aus, durch welchen die Zellterminals 12a, 13b die Volumenänderung kompensieren können.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Batteriezellen
- 3
- Hochvoltbatterie
- 4a, 4b, 5a, 5b
- Zellterminals
- 6
- Kontaktelement
- 7
- bogenförmiger Bereich
- 8
- Schweißverbindung
- 9, 10
- Batteriezellen
- 11
- Hochvoltbatterie
- 12a, 12b, 13a, 13b
- Zellterminals
- 14
- Gehäusedeckel
- 15
- Zellgehäuse
- 16
- Terminalbereich
- 17
- Verbindungsbereich
- 18
- Außenrand
- 19
- Stoßverbindung
- 20
- Biegefederbereich
- 21
- Seitenrand
- 22
- Übergang
- S
- Stapelrichtung
- H
- Hochrichtung
