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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, aufweisend eine Anode, eine Kathode, ein Gehäuse, in welchem die Anode und die Kathode angeordnet sind, ein Anschlussterminal zum elektrischen Verbinden der Batteriezelle mit einer weiteren Batteriezelle, und eine Füllöffnung zum Einfüllen eines Elektrolytmaterials in das Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul mit mehreren solcher Batteriezellen, die über das jeweilige Anschlussterminal elektrisch miteinander verbunden sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls.
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Stand der Technik
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Bekannte Batteriezellen weisen ein Zellengehäuse auf, in welchem sich eine Anode, eine Kathode sowie ein Elektrolyt befinden. Zum Einbringen des Elektrolytmaterials in das Zellengehäuse zwischen Anode und Kathode befindet sich an einer Seite oder einem Deckel des Zellengehäuses eine Füllöffnung. Durch die Füllöffnung kann der Elektrolyt in ein dafür vorgesehenes Volumen im Zellengehäuse eingebracht werden. Nachdem der Elektrolyt in das Zellengehäuse eingebracht wurde, kann die Füllöffnung verschlossen werden. Dies wird in der Regel durch einen Niet- oder Schweißprozess realisiert. Des Weiteren weist eine gattungsgemäße Batteriezelle ein Anschlussterminal auf, über welches mehrere Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden werden können.
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Aus der
US 2003/059676 A1 geht ein Batteriemodul hervor, das unabhängige Batteriezellen aufweist, von denen jede eine Aufnahme mit einem Deckel umfasst. An dem Deckel sind Anschlussterminals zum elektrischen Verbinden der Batteriezelle mit anderen Batteriezellen ausgestaltet. Außerdem weist der Deckel Füllöffnungen auf, über welche ein Elektrolyt in die jeweilige Aufnahme gefüllt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1, ein Batteriemodul gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls gemäß Anspruch 10 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Figuren. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul, dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, aufweisend eine Anode, eine Kathode, ein Gehäuse, in welchem die Anode und die Kathode angeordnet sind, ein Anschlussterminal zum elektrischen Verbinden der Batteriezelle mit einer weiteren Batteriezelle, und eine Füllöffnung zum Einfüllen eines Elektrolytmaterials in das Gehäuse, wobei die Füllöffnung zumindest tlw. innerhalb des Anschlussterminals ausgestaltet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass es möglich ist, die Füllöffnung in das bzw. ein Anschlussterminal zu integrieren. Füllöffnung und Anschlussterminal waren in gattungsgemäßen Batteriezellen bisher stets separat voneinander am Gehäuse ausgestaltet. Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung dieser Bauteilabschnitte kann der Komplexitätsgrad der Batteriezelle verringert werden. Ferner sind für eine solche Batteriezelle weniger Bauteile erforderlich, als für eine Batteriezelle, bei welcher Füllöffnung und Anschlussterminal getrennt voneinander ausgestaltet sind. So kann bei der vorliegenden Batteriezelle bspw. auf Verschlusspins verzichtet werden, wenn die Füllöffnung durch Zellverbinder verschlossen wird, die beim elektrischen Verbinden der Batteriezelle mit dem Anschlussterminal stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, werden. Durch die integrierte Ausgestaltung der Füllöffnung im Anschlussterminal kann die Batteriezelle zudem besonders platzsparend bereitgestellt werden.
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Weiterhin kann auch die benötigte Anzahl der Prozesse zur Herstellung der Batteriezelle reduziert werden. Bisher mussten das Verschließen der Füllöffnung und das elektrische Kontaktieren der Anschlussterminals mit zwei separaten Prozessschritten realisiert werden. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle ist dies mit einem einzigen Prozessschritt möglich.
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Unter der Batteriezelle ist insbesondere eine Batteriezelle zur Verwendung in einem Hochvolt-Batteriemodul zu verstehen, das als Fahrzeugbatterie bzw. Traktionsbatterie zur Stromversorgung eines Elektromotors zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann.
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Die Batteriezelle ist vorzugsweise in Form einer prismatischen Batteriezelle bereitgestellt. Bei einer solchen Batteriezelle ist das Gehäuse quaderförmig oder im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet. Das Gehäuse kann einen wannenförmigen Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen der Anode und der Kathode und einen Deckel zum Verschließen des Aufnahmeabschnitts aufweisen. Das Anschlussterminal mit der darin integrierten Füllöffnung ist bevorzugt am Deckel des Gehäuses bzw. als Teil des Deckels ausgestaltet. Die Füllöffnung erstreckt sich in diesem Fall vorzugsweise durch das Anschlussterminal und somit auch durch den Deckel hindurch.
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Unter der Anode ist insbesondere ein Anodenbereich bzw. ein Anodenabschnitt zu verstehen, welcher auch mehrere Anodenbauteile aufweisen kann. Unter der Kathode ist insbesondere ein Kathodenbereich bzw. ein Kathodenabschnitt zu verstehen, welcher auch mehrere Kathodenbauteile aufweisen kann.
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Die Batteriezelle kann ein Anschlussterminal oder mehrere Anschlussterminals, also wenigstens ein Anschlussterminal, aufweisen. Die Füllöffnung kann mithin zumindest tlw. innerhalb des wenigstens einen Anschlussterminals ausgestaltet sein.
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Das Anschlussterminal besteht insbesondere aus elektrisch leitfähigem Material oder weist zumindest abschnittsweise an einer Oberseite des Anschlussterminals elektrisch leitfähiges Material auf. Die Füllöffnung erstreckt sich vorzugsweise zumindest tlw. durch einen elektrisch leitfähigen Materialabschnitt des Anschlussterminals. D. h., unter der Füllöffnung ist vorzugsweise eine Durchgangsöffnung oder eine Durchgangsbohrung durch das Anschlussterminal bzw. das Gehäuse im Bereich des Anschlussterminals zu verstehen, durch welche der Elektrolyt in das Gehäuse der Batteriezelle eingebracht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Batteriezelle das Gehäuse einen Deckel zum Verschließen des Gehäuses aufweist und das Anschlussterminal integral und/oder stoffschlüssig am Deckel montiert ist, wobei sich die Füllöffnung durch das Anschlussterminal und den Deckel hindurch erstreckt. Dadurch kann eine einfache Fertigung der Batteriezelle begünstigt werden. Der Deckel mit integriertem Anschlussterminal und der darin integrierten Füllöffnung kann als monolithisches oder im Wesentlichen monolithisches Bauteil bereitgestellt sein bzw. werden, welches bei der Herstellung der Batteriezelle einfach auf den wannenförmigen Aufnahmeabschnitt gesetzt und dort befestigt wird.
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Weiterhin ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in der Füllöffnung ein Gewindeabschnitt, zum Einschrauben einer Verschlussschraube in die Füllöffnung, ausgestaltet ist. Durch den Gewindeabschnitt kann die Füllöffnung durch eine Verschlussschraube auf einfache und kostengünstige Weise verschlossen werden. Insbesondere kann die Füllöffnung durch Herausschrauben der Verschlussschraube auch wieder geöffnet werden. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn der Elektrolyt ausgetauscht werden soll oder muss, oder wenn die Füllöffnung für Wartungszwecke geöffnet werden muss. Der Gewindeabschnitt ist vorzugsweise in Form eines Normgewindes ausgestaltet oder weist zumindest ein solches Normgewinde auf. Dadurch kann eine kostengünstige Verschlussschraube mit einem korrespondierenden Normgewindegang verwendet werden. Der Gewindeabschnitt ist zumindest tlw. in der Füllöffnung ausgestaltet. D. h., der Gewindeabschnitt muss nicht, kann aber, über die gesamte Länge bzw. Tiefe der Füllöffnung bzw. der entsprechenden Durchgangsöffnung ausgestaltet sein. Ist der Gewindeabschnitt bspw. nur in einem oberen, der Umgebung der Batteriezelle zugewandten Teil der Füllöffnung, ausgestaltet, können in einem unteren Teil der Füllöffnung noch weitere Funktionsbauteile der Batteriezelle positioniert werden. Die Batteriezelle kann ohne Verschlussschraube zur Verfügung gestellt werden, bspw. für den Transport, bei welchem sich noch kein Elektrolyt im Gehäuse und/oder zwischen Anode und Kathode befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Batteriezelle die Füllöffnung mit einer Verschlussschraube verschlossen ist. Eine Verschlussschraube ist ein besonders einfaches, kostengünstiges und trotzdem effektives Mittel zum Verschließen der Durchgangsöffnung. Außerdem kann die Verschlussschraube auf einfache Weise wieder aus der Durchgangsöffnung herausgedreht werden, wenn bspw. der Elektrolyt ausgetauscht werden soll oder muss, oder wenn die Füllöffnung für Wartungszwecke geöffnet werden muss. In einer Batteriezelle mit eingedrehter Verschlussschraube befindet sich in der Regel auch Elektrolyt. Gleichwohl kann die Batteriezelle mit eingedrehter Verschlussschraube auch ohne Elektrolyt bereitgestellt sein, bspw. für den Transport der Batteriezelle. Die Verschlussschraube ist vorzugsweise in Form einer Normschraube mit Normgewindegang ausgestaltet. Damit kann die Verschlussschraube und somit auch die Batteriezelle entsprechend kostengünstig zur Verfügung gestellt werden.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Verschlussschraube zum fluiddichten Verschließen der Füllöffnung an ein Dichtelement, das sich in der Füllöffnung befindet, gepresst ist. Durch das Dichtelement kann ein besonders sicherer Verschluss der Füllöffnung erzielt werden. Bei einer Verschlussschraube, die in ein Gewinde eingedreht ist, kann durch den Gewindegang unter Umständen ein Fluidaustritt aus der Füllöffnung nicht zuverlässig verhindert werden. Durch Anordnung des Dichtelements kann dieser Problematik Rechnung getragen werden. Das Dichtelement befindet sich vorzugsweise an einem Endabschnitt der Verschlussschraube innerhalb der Füllöffnung, also an einem Ende der Verschlussschraube, das in die Batteriezelle hineinragt und/oder zeigt. Das Dichtelement kann in Form eines Dichtrings, bspw. in Form eines Gummirings, ausgestaltet sein, der bei entfernter Verschlussschraube und eingesetztem Dichtelement weiterhin eine Durchgangsöffnung bzw. eine offene Füllöffnung gewährleistet. Das Dichtelement kann einen Gewindeabschnitt aufweisen, der komplementär zum Gewindeabschnitt der Füllöffnung ausgestaltet ist. Dadurch kann sich das Dichtelement in den Gewindeabschnitt der Füllöffnung drehen und dort positionieren lassen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle ist es ferner möglich, dass in der Füllöffnung wenigstens ein Sensor, zum Erkennen eines Betriebszustandes innerhalb des Gehäuses, ausgestaltet ist. Durch die Integration des wenigstens einen Sensors in die Durchgangsöffnung können am Anschlussterminal weitere Funktionen realisiert werden. So können über einen Temperatursensor die Temperatur und/oder über einen Drucksensor der Druck im Gehäuse der Batteriezelle überwacht werden. Wie vorstehend erwähnt, kann der wenigstens eine Sensor innerhalb der Füllöffnung und/oder an einem Randabschnitt der Füllöffnung innerhalb des Gehäuses positioniert sein. Der Sensor kann mit einem Sender zum Senden von erfassten Sensorinformationen an einen externen Empfänger in Signalverbindung stehen. Sobald funktionskritische Sensorwerte erfasst werden, können die Verschlussschraube aus der Füllöffnung gedreht und der Fehler behoben oder zumindest gesucht werden.
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Außerdem ist es bei einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass in der Füllöffnung zumindest tlw. ein Ventil für einen Druckausgleich zwischen einem Innenvolumen des Gehäuses und einer Umgebung des Gehäuses ausgestaltet ist. Mithilfe des Ventils kann eine automatisch funktionierende Sicherheitsfunktion in die Batteriezelle integriert werden. Das Ventil kann anstelle oder als Bestandteil der Verschlussschraube in die Füllöffnung eingebracht, insbesondere geschraubt, werden. Hierfür kann das Ventil ein entsprechendes Außengewinde aufweisen. Alternativ kann das Ventil auch mittels zusätzlicher Befestigungsmittel in der Füllöffnung positioniert sein bzw. werden. Bei Verwendung des Ventils kann auf zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie der Positionierung eines Drucksensors in und/oder an der Füllöffnung verzichtet werden. Das Ventil ist vorzugsweise in Form eines Überdruckventils ausgestaltet, das im Falle eines Drucks im Gehäuse, der einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet, einen Fluidaustritt aus dem Gehäuse durch das Ventil in die Umgebung der Batteriezelle ermöglicht. Dadurch kann eine unkontrollierte Explosion der Batteriezelle verhindert werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Batteriezelle das Anschlussterminal zylinderförmig oder im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet ist. Dies führt zu fertigungstechnischen Vorteilen, insbesondere wenn auch die Füllöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul mit einer ersten Batteriezelle und wenigstens einer zweiten Batteriezelle bereitgestellt, wobei die erste Batteriezelle und die wenigstens eine zweite Batteriezelle jeweils wie vorstehend im Detail beschrieben ausgestaltet sind. Die erste Batteriezelle und die wenigstens eine zweite Batteriezelle sind mit einem Zellverbinder, der jeweils am Anschlussterminal befestigt ist und die jeweilige Füllöffnung bedeckt, elektrisch miteinander verbunden. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriemodul die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batteriezelle beschrieben worden sind. Wie vorstehend beschrieben, entfaltet das Batteriemodul insbesondere hinsichtlich der Integration der Füllöffnung in das jeweilige Anschlussterminal einen doppelten Vorteil. Durch die Zusammenlegung dieser beiden Funktionsabschnitte kann der entsprechende Gehäuseabschnitt übersichtlich und mit einem geringen Komplexitätsgrad ausgestaltet sein bzw. werden, und über die elektrische Verbindung durch den Zellverbinder ohne zusätzliche Komponenten geschlossen sein bzw. werden. Der Zellverbinder ist insbesondere stoffschlüssig mit dem jeweiligen Anschlussterminal verbunden, vorzugsweise mit dem jeweiligen Anschlussterminal verschweißt. Das Batteriemodul ist bevorzugt als Hochvolt-Batteriemodul ausgestaltet, das als Fahrzeugbatterie bzw. Traktionsbatterie zur Stromversorgung eines Elektromotors zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann.
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Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschriebenen Batteriemoduls zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen der ersten Batteriezelle,
- - Bereitstellen der wenigstens einen zweiten Batteriezelle,
- - Positionieren des Zellverbinders zwischen der ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Anschlussterminal der ersten Batteriezelle und dem Anschlussterminal der zweiten Batteriezelle, und
- - stoffschlüssiges Verbinden des Zellverbinders mit dem Anschlussterminal der ersten Batteriezelle und dem Anschlussterminal der zweiten Batteriezelle und hierbei Bedecken der Füllöffnung der ersten Batteriezelle und der Füllöffnung der zweiten Batteriezelle mittels des Zellverbinders.
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Damit bringt auch das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Darunter, dass der Zellverbinder mit dem Anschlussterminal der ersten Batteriezelle und dem Anschlussterminal der zweiten Batteriezelle stoffschlüssig verbunden wird und hierbei die Füllöffnung der ersten Batteriezelle und die Füllöffnung der zweiten Batteriezelle mittels des Zellverbinders bedeckt werden, ist zu verstehen, dass die jeweilige Füllöffnung ausschließlich durch das Material des Zellverbinders, oder durch das Material des Zellverbinders sowie Material, das für die stoffschlüssige Verbindung verwendet wird, also bspw. Schweißmaterial von anderen Bauteilen, bedeckt bzw. geschlossen wird. Die wenigstens eine zweite Batteriezelle kann dahingehend verstanden werden, dass zwei oder mehrere Batteriezellen mit dem Zellverbinder verbunden werden können. So kann die erste Batteriezelle mit einer zweiten, einer dritten oder noch einer weiteren Batteriezelle verbunden werden. Die Anzahl der erfindungsgemäßen Batteriezellen, die mit einem oder mehreren Zellverbinder miteinander verbunden werden können, ist grundsätzlich beliebig.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Batteriemodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
- 3 - 5 Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Batteriemoduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Batteriezelle 100 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Batteriezelle 100 weist eine Anode 1, eine Kathode 2 sowie ein Gehäuse 3, in welchem die Anode 1 und die Kathode 2 angeordnet sind, auf. Die Batteriezelle 100 weist ferner ein zylinderförmiges Anschlussterminal 4 zum elektrischen Verbinden der Batteriezelle 100 mit einer weiteren Batteriezelle 200 sowie eine Füllöffnung 5 zum Einfüllen eines Elektrolytmaterials in das Gehäuse 3, auf.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Füllöffnung 5 zumindest tlw. innerhalb des Anschlussterminals 4 ausgestaltet. Das in 1 dargestellte Gehäuse 3 weist einen Deckel 6 zum Verschließen des Gehäuses 3 auf. Das Anschlussterminal 4 ist integral am Deckel 6 montiert, wobei sich die Füllöffnung 5 durch das Anschlussterminal 4 und den Deckel 6 hindurch erstreckt. Ein zweites Anschlussterminal bzw. ein entsprechendes Potential kann an einer beliebigen anderen Stelle am Gehäuse 3, flach oder in Form eines Vorsprungs, ausgestaltet sein.
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1 kann ferner entnommen werden, dass in der Füllöffnung 5 ein Gewindeabschnitt 7 ausgestaltet ist, in welchen eine Verschlussschraube 8 eingedreht ist. D. h., die Füllöffnung 5 ist durch die Verschlussschraube 8 verschlossen.
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In der dargestellten Ausführungsform befindet sich ein Dichtelement 9 in der Füllöffnung 5, wobei die Verschlussschraube 8 zum fluiddichten Verschließen der Füllöffnung 5 an das Dichtelement 9 gepresst ist. Darüber hinaus befindet sich in der Füllöffnung 5 wenigstens ein Sensor 10 zum Erkennen eines Betriebszustandes innerhalb des Gehäuses 3.
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In 2 ist ein Batteriemodul 1000 mit einer ersten Batteriezelle 100 und einer zweiten Batteriezelle 200 dargestellt. Die erste Batteriezelle 100 und die zweite Batteriezelle 200 sind jeweils gemäß der in 1 dargestellten Batteriezelle 100 ausgestaltet. Wie in 2 dargestellt, sind die erste Batteriezelle 100 und die zweite Batteriezelle 200 mit einem Zellverbinder 11, der am jeweiligen Anschlussterminal 4 der ersten Batteriezelle 100 und der zweiten Batteriezelle 200 befestigt ist und die jeweilige Füllöffnung 5 bedeckt, elektrisch miteinander verbunden.
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Mit Bezug auf die 2 bis 5 wird ein Verfahren zum Herstellen eines wie in 2 dargestellten Batteriemoduls 1000 erläutert. Hierbei werden in einem ersten Schritt die erste Batteriezelle 100 und die zweite Batteriezelle 200 bereitgestellt. Anschließend wird der Zellverbinder 11 zwischen der ersten Batteriezelle 100 und einer zweiten Batteriezelle 200 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Anschlussterminal 4 der ersten Batteriezelle 100 und dem Anschlussterminal 4 der zweiten Batteriezelle 200 positioniert. Dieser Schritt ist insbesondere mit Blick auf 3 und 4 zu erkennen. Sobald der Zellverbinder 11 auf dem Anschlussterminal 4 aufliegt, wird dieser mittels Laser 12 stoffschlüssig mit dem Anschlussterminal 4 der ersten Batteriezelle 100 und dem Anschlussterminal 4 der zweiten Batteriezelle 200 verbunden. Hierbei werden die Füllöffnung 5 der ersten Batteriezelle 100 und die Füllöffnung 5 der zweiten Batteriezelle 200 mittels des Zellverbinders 11 bedeckt. Dieser Schritt wird insbesondere in 4 und 5 dargestellt.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h., die Erfindung soll nicht auf die zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So ist es möglich, dass in der Füllöffnung 5 neben Sensorik 10 und/oder Verschlussschraube 8 zumindest tlw. ein Ventil für einen Druckausgleich zwischen einem Innenvolumen des Gehäuses 3 und einer Umgebung des Gehäuses 3 ausgestaltet ist. Außerdem kann ein Batteriemodul 1000 selbstverständlich auch mehr als die in 2 dargestellten zwei Batteriezellen 100, 200 aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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