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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche einen Grundkörper, ein positives Terminal und ein negatives Terminal umfasst, wobei mindestens eines der Terminals einen ersten Abschnitt, der an einer Deckseite des Grundkörpers im Wesentlichen in eine Vertikalrichtung aus dem Grundkörper herausragt, und einen zweiten Abschnitt, der an den ersten Abschnitt anschließt, und der im Wesentlichen in eine Längsrichtung verläuft, aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul, welches mindestens zwei erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen umfassen in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in einem Grundkörper angeordnet sind. Eine Elektrodeneinheit weist eine positive Elektrode, welche auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, welche auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit werden mittels zweier Kollektoren elektrisch mit zwei Polen der Batteriezelle, welche auch als elektrische Terminals bezeichnet werden, verbunden. Die Terminals ragen aus dem Grundkörper heraus und sind elektrisch kontaktierbar. Zum Aufbau eines Batteriemoduls ist es bekannt, die Terminals mehrerer Batteriezellen mittels zusätzlicher Zellverbinder miteinander zu verbinden.
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Es sind unterschiedliche Bauformen für Batteriezellen bekannt. Beispielsweise weist eine Batteriezelle ein prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltetes Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt und druckfest ausgebildet ist. Das besagte Zellengehäuse bildet den Grundkörper, in dem die Elektrodeneinheit angeordnet ist. Ferner sind Batteriezellen mit einer folienartig ausgebildeten Ummantelung bekannt, welche den Grundkörper bildet, in dem die Elektrodeneinheit angeordnet ist. Die folienartige Ummantelung ist beispielsweise eine Aluminiumverbundfolie und weist eine Dicke von 100 Mikrometern bis 150 Mikrometern auf. Derartig ausgebildete Batteriezellen werden auch als Pouch-Zellen bezeichnet.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle sowie ein gattungsgemäßes Batteriepack sind aus dem Dokument
JP 2016-25013 A bekannt. Die Batteriezelle umfasst dabei einen Grundkörper, aus welchem ein positives Terminal und ein negatives Terminal herausragen. Die Terminals weisen jeweils einen dem Grundkörper abgewandten Abschnitt auf, welcher annährend rechtwinklig umgebogen ist. In einem Batteriepack sind die umgebogenen Abschnitte der Terminals von benachbarten Batteriezellen miteinander verbunden.
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Die Grundkörper der Batteriezellen unterliegen bei der Herstellung Fertigungstoleranzen. Ebenso können sich die geometrischen Abmessungen der Grundkörper im Betrieb, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, verändern. Auch bei Ladevorgängen und Entladevorgängen sind Verformungen der Grundkörper möglich. Die Verbindungen der Terminals von benachbarten Batteriezellen dürfen bei Verformungen der Grundkörper nicht abreißen.
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Aus dem Dokument
US 2015/0056495 A1 ist ein Batteriepack bekannt, welches mehrere nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist. Die Terminals der Batteriezellen ragen an gegenüberliegenden Seiten aus einem Grundkörper heraus und weisen dabei mehrere aneinander anschließende Teilbereiche auf, welche relativ zueinander gebogen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche einen Grundkörper, ein positives Terminal und ein negatives Terminal umfasst. Dabei weist mindestens eines der Terminals einen ersten Abschnitt, der an einer Deckseite des Grundkörpers im Wesentlichen in eine Vertikalrichtung aus dem Grundkörper herausragt, und einen zweiten Abschnitt, der an den ersten Abschnitt anschließt, auf. Der zweite Abschnitt des mindestens einen Terminals verläuft dabei im Wesentlichen in eine Längsrichtung, wobei die besagte Längsrichtung rechtwinklig zu der Vertikalrichtung steht.
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Erfindungsgemäß weist der zweite Abschnitt des Terminals einen Federbereich auf, welcher in der Längsrichtung elastisch verformbar ist. Der Federbereich umfasst dazu mehrere aneinander anschließende, relativ zueinander gebogene Teilbereiche. Der zweite Abschnitt des Terminals weist auch einen Verbindungsbereich zum Verbinden mit einem Terminal einer benachbarten Batteriezelle auf. Die Verbindung geschieht vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Abschnitt des Terminals auch einen Kontaktbereich auf, welcher mit einem Verbindungsbereich eines Terminals einer benachbarten Batteriezelle verbindbar ist. Der Kontaktbereich und der Verbindungsbereich sind dabei derart angeordnet und zueinander ausgerichtet, dass bei benachbart angeordneten Batteriezellen eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Schweißen, hergestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Verbindungsbereich des Terminals eine Verbindungsfläche auf, welche dem Grundkörper der Batteriezelle zugewandt ist. Ferner weist der Kontaktbereich des Terminals eine Kontaktfläche auf, welche dem Grundkörper der Batteriezelle abgewandt ist.
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Vorteilhaft sind die Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs und die Kontaktfläche des Kontaktbereichs derart angeordnet, dass ein Abstand der Verbindungsfläche zu dem Grundkörper der Batteriezelle in Vertikalrichtung zumindest annähernd einem Abstand der Kontaktfläche zu dem Grundkörper der Batteriezelle in Vertikalrichtung entspricht.
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Vorzugsweise sind die Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs und die Kontaktfläche des Kontaktbereichs auch derart angeordnet, dass ein Abstand eines Verbindungsmittelpunkts der Verbindungsfläche zu einem Kontaktmittelpunkt der Kontaktfläche in Längsrichtung zumindest annähernd einer Ausdehnung des Grundkörpers der Batteriezelle in Längsrichtung entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließt der Kontaktbereich an den ersten Abschnitt des Terminals an. Dabei ist der Federbereich des Terminals zwischen dem Kontaktbereich und dem Verbindungsbereich angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Federbereich des Terminals mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf, welche im Wesentlichen in die Vertikalrichtung verlaufen. Auch weist der Federbereich des Terminals einen dritten Schenkel auf, welcher im Wesentlichen in die Längsrichtung verläuft. Dabei ist der dritte Schenkel zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel angeordnet. Der Federbereich des Terminals weist also eine U-Form auf.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Federbereich des Terminals mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf, welche im Wesentlichen in die Vertikalrichtung und in die Längsrichtung verlaufen. Der Federbereich des Terminals weist also eine V-Form auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ausdehnung des zweiten Abschnitts des Terminals in die Längsrichtung größer ist als eine Ausdehnung des Grundkörpers der Batteriezelle in die Längsrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen das positive Terminal und das negative Terminal jeweils einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf. Dabei ragen der erste Abschnitt des positiven Terminals und der erste Abschnitt des negativen Terminals an der gleichen Deckseite des Grundkörpers im Wesentlichen in die Vertikalrichtung aus dem Grundkörper heraus.
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Es wird auch ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches mindestens eine erfindungsgemäße erste Batteriezelle und eine erfindungsgemäße zweite Batteriezelle umfasst. Dabei ist mindestens eines der Terminals der ersten Batteriezelle mit mindestens einem der Terminals der zweiten Batteriezelle stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen, verbunden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen, wobei kein zusätzlicher Zellverbinder zur Verbindung der Terminals erforderlich ist. Somit sind Materialkosten bei der Herstellung eines Batteriemoduls vorteilhaft reduziert. Die Terminals der jeweils benachbarten Batteriezellen können unmittelbar miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, werden. Somit ist auch der Fertigungsaufwand bei der Herstellung eines Batteriemoduls vorteilhaft reduziert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Terminals der Batteriezellen können Fertigungstoleranzen der Grundkörper sowie Verformungen, insbesondere Ausdehnungen, im Betrieb der Batteriezellen vorteilhaft kompensiert werden. Verformungen der Grundkörper können die Federbereiche der Terminals durch elastische Verformung kompensieren. Dadurch ist die Gefahr reduziert, dass die Verbindungen der Terminals von benachbarten Batteriezellen im Betrieb abreißen. Die Erfindung ist vorteilhaft auf Batteriezellen mit verschiedenartigen Grundkörpern, insbesondere mit prismatischen Zellengehäusen sowie mit folienartigen Ummantelungen anwendbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer Batteriezelle,
- 2 eine Seitenansicht eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen aus 1 und
- 3 eine perspektivische Darstellung des Batteriemoduls aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst einen Grundkörper 30, innerhalb welchem eine Elektrodeneinheit, die in dieser Darstellung nicht sichtbar ist, angeordnet ist. Die Elektrodeneinheit umfasst eine Kathode und eine Anode. Die Anode ist mit einem negativen Terminal 11 elektrisch verbunden, und die Kathode ist mit einem positiven Terminal 12 elektrisch verbunden. Die Terminals 11, 12 ragen durch dafür vorgesehene Öffnungen in einer Deckseite 32 des Grundkörpers 30 aus dem Grundkörper 30 heraus. Die Terminals 11, 12 sind somit von außen zugänglich und elektrisch kontaktierbar. In der hier gezeigten Darstellung ist das positive Terminal 12 von dem negativen Terminal 11 verdeckt und deshalb nicht sichtbar.
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Der Grundkörper 30 weist eine annähernd quaderförmige Gestalt auf. Der Grundkörper 30 weist eine erste Frontseite 33 und eine zweite Frontseite 34 auf, welche parallel zueinander verlaufen und rechtwinklig zu einer Längsrichtung x orientiert sind. An der zweiten Frontseite 34 ist eine konvexe Ausbuchtung 38 vorgesehen, welche formschlüssig in eine hier nicht sichtbare konkave Vertiefung an der ersten Frontseite 33 eines Grundkörpers 30 einer benachbarten Batteriezelle 2 eingreifen kann.
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Der Grundkörper 30 weist zwei gegenüberliegende Stirnseiten 35 auf, welche parallel zueinander verlaufen und rechtwinklig zu einer Querrichtung y orientiert sind. Die Querrichtung y verläuft dabei rechtwinklig zu der Längsrichtung x. Eine Vertikalrichtung z verläuft rechtwinklig zu der Querrichtung y und rechtwinklig zu der Längsrichtung x. Die Stirnseiten 35 erstrecken sich also rechtwinklig zu den Frontseiten 33, 34.
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Die Deckseite 32 des Grundkörpers 30 ist rechtwinklig zu der Vertikalrichtung z orientiert. Gegenüber der Deckseite 32 weist der Grundkörper 30 eine hier nicht dargestellte Bodenseite auf, welche parallel zu der Deckseite 32 verläuft. Die Deckseite 32 und die Bodenseite erstrecken sich somit rechtwinklig zu den Stirnseiten 35 und rechtwinklig zu den Frontseiten 33, 34. Die Terminals 11, 12 ragen im Wesentlichen in der Vertikalrichtung z an der Deckseite 32 aus dem Grundkörper 30 heraus.
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Die beiden Terminals 11, 12 sind vorliegend gleichartig ausgestaltet. Im Folgenden wird nur auf das in der hier gezeigten Darstellung sichtbare negative Terminal 11 Bezug genommen. Das negative Terminal 11 weist einen ersten Abschnitt 41 und einen zweiten Abschnitt 42 auf. Der erste Abschnitt 41 durchragt die Deckseite 32 des Grundkörpers 30. Der zweite Abschnitt 42 schließt an den ersten Abschnitt 41 an und befindet sich vollständig außerhalb des Grundkörpers 30.
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Der erste Abschnitt 41 des negativen Terminals 11 verläuft geradlinig und geringfügig in Längsrichtung x geneigt zu der Vertikalrichtung z. Der Winkel zwischen der Vertikalrichtung z und dem ersten Abschnitt 41 des negativen Terminals 11 beträgt etwa 10°. Der erste Abschnitt 41 verläuft somit im Wesentlichen in der Vertikalrichtung z.
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Der zweite Abschnitt 42 des negativen Terminals 11, welcher an den ersten Abschnitt 41 anschließt, verläuft im Wesentlichen in der Längsrichtung x. Der zweite Abschnitt 42 verläuft dabei nicht geradlinig sondern weist mehrere Biegungen auf.
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Der zweite Abschnitt 42 des negativen Terminals 11 umfasst einen Kontaktbereich 43, einen Federbereich 44 und einen Verbindungsbereich 45. Der Kontaktbereich 43 schließt dabei an den ersten Abschnitt 41 an. Der Federbereich 44 schließt an den Kontaktbereich 43 an. Der Verbindungsbereich 45 schließt an den Federbereich 44 an. Der Federbereich 44 ist somit zwischen dem Kontaktbereich 43 und dem Verbindungsbereich 45 angeordnet.
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Der Federbereich 44 ist in der Längsrichtung x elastisch verformbar. Der Federbereich 44 verläuft dabei nicht geradlinig sondern weist mehrere aneinander anschließende, relativ zueinander gebogene Teilbereiche auf. Der Federbereich 44 weist vorliegend eine U-Form auf. Der Federbereich 44 umfasst einen ersten Schenkel 51 und einen zweiten Schenkel 52, welche im Wesentlichen in die Vertikalrichtung z verlaufen. Der Federbereich 44 umfasst auch einen dritten Schenkel 53, welcher im Wesentlichen in die Längsrichtung x verläuft.
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Der erste Schenkel 51 des Federbereichs 44 schließt an den Kontaktbereich 43 an. Der zweite Schenkel 52 des Federbereichs 44 schließt an den Verbindungsbereich 45 an. Der dritte Schenkel 53 ist zwischen dem ersten Schenkel 51 und dem zweiten Schenkel 52 angeordnet und verläuft annähernd rechtwinklig zu dem ersten Schenkel 51 und zu dem zweiten Schenkel 52.
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Der Verbindungsbereich 45 dient zum Verbinden des negativen Terminals 11 mit einen Terminal 11, 12 einer benachbarten Batteriezelle 2. Der Verbindungsbereich 45 ist dabei insbesondere mit einem Kontaktbereich 43 eines Terminals 11, 12 einer benachbarten Batteriezelle 2 verbindbar. Der Kontaktbereich 43 und der Verbindungsbereich 45 sind dabei derart angeordnet und zueinander ausgerichtet, dass bei benachbart angeordneten Batteriezellen 2 eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Schweißen, hergestellt werden kann.
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Der Verbindungsbereich 45 weist dazu eine Verbindungsfläche 55 mit einem Verbindungsmittelpunkt 57 auf, welche dem Grundkörper 30 der Batteriezelle 2 zugewandt ist. Der Kontaktbereich 43 weist eine Kontaktfläche 56 mit einem Kontaktmittelpunkt 58 auf, welche dem Grundkörper 30 der Batteriezelle 2 abgewandt ist.
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Zum Verbinden des negativen Terminals 11 mit dem Terminal 11, 12 einer benachbarten Batteriezelle 2 werden die Verbindungsfläche 55 des negativen Terminals 11 und die Kontaktfläche 56 des Terminals 11, 12 der benachbarten Batteriezelle 2 derart in Kontakt miteinander gebracht, dass der Verbindungsmittelpunkt 57 der Verbindungsfläche 55 den Kontaktmittelpunkt 58 der Kontaktfläche 56 berührt. Dann werden der Verbindungsbereich 45 des negativen Terminals 11 und der Kontaktbereich 43 des Terminals 11, 12 der benachbarten Batteriezelle 2 stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt.
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Die Verbindungsfläche 55 des Verbindungsbereichs 45 ist in einem ersten Abstand D1 in Vertikalrichtung z von dem Grundkörper 30 der Batteriezelle 2 entfernt angeordnet. Der erste Abstand D1 entspricht dabei einem Lot von dem Verbindungsmittelpunkt 57 in Vertikalrichtung z auf eine Gerade in Längsrichtung x, welche einen Punkt schneidet, an welchem der erste Abschnitt 41 die Deckseite 32 des Grundkörpers 30 durchragt.
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Die Kontaktfläche 56 des Kontaktbereichs 43 ist in einem zweiten Abstand D2 in Vertikalrichtung z von dem Grundkörper 30 der Batteriezelle 2 entfernt angeordnet. Der zweite Abstand D2 entspricht dabei einem Lot von dem Kontaktmittelpunkt 58 in Vertikalrichtung z auf die besagte Gerade in Längsrichtung x, welche den Punkt schneidet, an welchem der erste Abschnitt 41 die Deckseite 32 des Grundkörpers 30 durchragt.
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Die Verbindungsfläche 55 des Verbindungsbereichs 45 und die Kontaktfläche 56 des Kontaktbereichs 43 sind derart angeordnet, dass der erste Abstand D1 zumindest annähernd dem zweiten Abstand D2 entspricht.
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Der Grundkörper 30 der Batteriezelle 2 weist eine erste Ausdehnung D4 in Längsrichtung x auf, welche einer Entfernung der ersten Frontseite 33 zu der zweiten Frontseite 34 entspricht. Die Verbindungsfläche 55 des Verbindungsbereichs 45 und die Kontaktfläche 56 des Kontaktbereichs 43 sind derart angeordnet, dass ein dritter Abstand D3 des Verbindungsmittelpunkts 57 der Verbindungsfläche 55 zu dem Kontaktmittelpunkt 58 der Kontaktfläche 56 in Längsrichtung x zumindest annähernd der ersten Ausdehnung D4 entspricht.
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Der zweite Abschnitt 42 des negativen Terminals 11 weist in Längsrichtung x eine zweite Ausdehnung D5 auf. Die zweite Ausdehnung D5 des zweiten Abschnitts 42 in Längsrichtung x ist dabei größer als die erste Ausdehnung D4 des Grundkörpers 30 in Längsrichtung x.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 5 mit mehreren Batteriezellen 2 aus 1. In der hier gezeigten Darstellung sind die positiven Terminals 12 von den negativen Terminals 11 der Batteriezellen 2 verdeckt und deshalb nicht sichtbar.
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Die negativen Terminals 11 der Batteriezellen 2 sind miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt. Dabei ist jeweils der Verbindungsmittelpunkt 57 eines negativen Terminals 11 einer Batteriezelle 2 mit dem Kontaktmittelpunkt 58 eines negativen Terminals 11 einer benachbarten Batteriezelle 2 stoffschlüssig verbunden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Batteriemoduls 5 aus 2. In der hier gezeigten Darstellung sind die positiven Terminals 12 ebenso wie die negativen Terminals 11 der Batteriezellen 2 sichtbar. Die positiven Terminals 12 sind geometrisch gleichartig mit den negativen Terminals 11 ausgestaltet und umfassen jeweils einen ersten Abschnitt 41, der im Wesentlichen in der Vertikalrichtung z verläuft, und einen zweiten Abschnitt 42, der im Wesentlichen in der Längsrichtung x verläuft.
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Bei jeder der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 ragen der erste Abschnitt 41 des positiven Terminals 12 und der erste Abschnitt 41 des negativen Terminals 11 an der gleichen Deckseite 32 des Grundkörpers 30 im Wesentlichen in die Vertikalrichtung z aus dem Grundkörper 30 heraus. Die Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 sind somit parallel verschaltet.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016025013 A [0005]
- US 2015/0056495 A1 [0007]
