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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs kann an der Fahrzeugunterseite verbaut sein und sich großflächig in der Fahrzeuglängsrichtung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse sowie in der Fahrzeugquerrichtung zwischen den beiden seitlichen Schwellern erstrecken. Sie weist ein in mehrere Fächer unterteiltes Traktionsbatterie-Gehäuse auf. In jedem dieser Fächer ist ein quaderförmiges Batteriemodul angeordnet, das aus mehreren in einer Stapelrichtung gestapelten Batteriezellen aufgebaut ist.
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In einem gattungsgemäßen Batteriemodul sind die einzelnen Batteriezellen mithilfe einer Spanneinheit in Stapelrichtung gegeneinander zu einem Batteriezellen-Stapel verspannt. Durch das Verspannen wird verhindert, dass sich die Batteriezellen-Gehäuse beim Aufladen der Batteriezellen aufblähen („Swelling“) und dadurch das Traktionsbatterie-Gehäuse beschädigen. Bekannte Spanneinheiten weisen zwei Druckplatten auf, die an jeweils einem Ende des Batteriezellen-Stapels angebracht sind und die über sich in Stapelrichtung erstreckende Zuganker und unter Zwischenlage der Batteriezellen gegeneinander verspannt sind. Derartige Spanneinheiten haben den Nachteil, dass sie gewichts- und bauraumintensiv sind.
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Aus der
EP 2 658 008 B1 ist ein Batteriemodul bekannt. Aus der
US 2013/0189559 A1 sind ein Rahmensystem für Batteriezellen sowie ein Batteriemodul bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Spanneinheit für ein Batteriemodul bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik gewichtsreduziert und bauraumgünstig ausgeführt ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Spanneinheit an jeder Batteriezelle zumindest ein Spannelement auf. Die Spanneinheit weist zumindest ein Hilfsfügeelement auf, mittels dem die zellenseitigen Spannelemente der beiden aneinandergrenzenden Batteriezellen unter Aufbau der Spannkraft gegeneinander verspannbar sind. Dies hat den Vorteil, dass das Batteriemodul in der Stapelrichtung bauraumgünstig ausführbar ist und dass zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls jeweils eine im Wesentlichen gleich große Spannkraft wirkt.
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Bevorzugt können die Spannelemente in der Stapelrichtung zwischen einer spannungsfreien, unverformten Ruheposition und einer spannungsbehafteten Spannposition elastisch verstellbar sein, und zwar unter Aufbau der Spannkraft. Dies hat den Vorteil, dass eine hohe Spannkraft aufbringbar ist, die das Aufblähen der Batteriezellen im Betrieb in optimierter Weise verhindert.
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In einer technischen Umsetzung können die Batteriezellen jeweils baugleiche prismatische Batteriezellen sein, die mit ihren einander zugewandten Flachseiten an einer Kontaktebene mittelbar oder unmittelbar aneinandergrenzen, wobei insbesondere die Spannelemente an den Schmalseiten der Batteriezellen ausgebildet sind und davon seitlich nach außen abragen. Alternativ oder zusätzlich sind die Batteriezellen an jeder Kontaktebene jeweils über deren Spannelemente miteinander verspannbar. Dies hat den Vorteil, dass die Spannkraft von den gegenüber den Flachseiten biegesteiferen Schmalseiten aufgenommen wird.
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In einer Ausführungsform kann die Spanneinheit Spannelemente aufweisen, die als von den Schmalseiten abragenden Laschen ausgebildet sind und die mithilfe einer Schraube gegeneinander verspannbar sind. Eine derartige Spanneinheit ist jedoch bauraumintensiv und in der Montage aufwändig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können die zellenseitigen Spannelemente daher jeweils als Spannleisten ausgebildet sein, wobei sich die Spannelemente alternativ oder zusätzlich dazu quer zur Stapelrichtung entlang einer Batteriezellen-Gehäusekante erstrecken können, an der eine Flachseite und eine Schmalseite der Batteriezelle zusammenlaufen. In vorteilhafter Weise kann dadurch die Herstellung der Spannelemente vereinfacht werden. Beispielsweise können die Spannleisten durch Umformen oder Stanzen hergestellt werden. Außerdem können die Spannleisten durch eine spanende Bearbeitung, zum Beispiel durch eine Fräsbearbeitung, direkt am Batteriezellen-Gehäuse erzeugt werden. Der Werkstoff des Batteriezellen-Gehäuses kann Metall, Kunststoff, ein Kunststoff-Hybrid oder ein Composite sein.
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Bevorzugt können bei noch demontiertem Hilfsfügeelement die einander an der Kontaktebene zugewandten Spannleisten der Batteriezellen über einen freien Leistenabstand in der Stapelrichtung voneinander beabstandet sein. Zusätzlich können bei in Eingriff befindlichem Hilfsfügeelement die beiden Spannleisten unter zumindest teilweisem Aufbrauch des Leistenabstands von ihrer Ruheposition in ihre Spannposition gebracht sein. Dadurch können sich die Spannleisten unter Einwirkung der Spannkraft verformen und ermöglichen ein bedarfsgerechtes Aufbringen der Spannkraft.
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Besonders bevorzugt kann das Hilfsfügeelement zumindest ein Profilbauteil, insbesondere ein Hohlprofilbauteil sein und das Profilbauteil in einer Fügerichtung quer zur Stapelrichtung auf die beiden Spannleisten aufschiebbar sein, wobei insbesondere die Fügerichtung in Flucht zur Längserstreckung der Spannleisten ausgerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Montage besonders einfach durchführbar ist. Das Hohlprofilbauteil kann über die ganze Länge oder nur in einem Abschnitt auf die Spannleisten aufgeschoben sein. Außerdem kann das Hohlprofilbauteil auch durch mehrere Hohlprofilbauteilsegmente gebildet sein, sodass einzelne Hohlprofilbauteile in unterschiedlichen Abschnitten auf die beiden Spannleisten aufgeschoben sind.
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In einer Ausführungsform können die zellenseitigen Spannelemente jeweils als bogenförmige Spannbügel ausgebildet sein, wobei der Spannbügel der einen Batteriezelle in der Stapelrichtung die Kontaktebene in Richtung auf die angrenzende Batteriezelle mit einem Überstand überragt, und wobei insbesondere die beiden Spannbügel entlang der Batteriezellen-Gehäusekante beabstandet und versetzt zueinander angeordnet sein können. Der Abstand der Spannbügel kann ebenso wie eine Höhe der Spannbügel in Fügerichtung unter Berücksichtigung der in einem konkreten Anwendungsfall vorliegenden Bauraumverhältnisse gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich können die beiden Spannbügel im Querschnitt einen Fügekanal begrenzen, in den das Hilfsfügeelement in einer Fügerichtung einsteckbar ist, wobei insbesondere die Fügerichtung quer zur Stapelrichtung und/oder in Flucht zur Batteriezellen-Gehäusekante ausgerichtet ist. Durch die Verwendung der Spannbügel ist es möglich, die Spanneinheit gewichtsreduziert zu gestalten.
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Bevorzugt kann der Einsteckvorgang des Hilfsfügeelements in den Fügekanal unter Aufweitung der Spannbügel erfolgen, bei der die Spannbügel von ihrer Ruheposition in ihre Spannposition verstellbar sind, in der die beiden Batteriezellen mit der Spannkraft gegeneinander verspannt sind. Dadurch können sich die Spannbügel unter Einwirkung der Spannkraft verformen und ermöglichen ein bedarfsgerechtes Aufbringen der Spannkraft.
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Besonders bevorzugt kann der Einsteckvorgang des Hilfsfügeelements in den Fügekanal im Wesentlichen ohne Spannbügel-Aufweitung erfolgen, wobei erst durch eine Drehbewegung des in den Fügekanal eingesteckten Hilfsfügeelements eine Spannbügel-Aufweitung erfolgt, bei der die Spannbügel von ihrer Ruheposition in ihre Spannposition verstellbar sind, in der die beiden Batteriezellen mit der Spannkraft gegeneinander verspannt sind. Damit kann der Vorgang des Verbindens der Batteriezellen einerseits und dem Verspannen der Batteriezellen andererseits in günstiger Weise auf zwei separate Montageschritte aufgeteilt werden. Nach dem Verbinden können so beispielsweise noch Justieraufgaben erledigt werden, um die Batteriezellen richtig zueinander zu positionieren.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Batteriemodul mit einer Spanneinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 bis 4 in perspektivischen Ansichten eine Montageabfolge zum Zusammenbau des Batteriemoduls gemäß 1;
- 5 in einer perspektivischen Ansicht ein Batteriemodul gemäß 1 bei dem das Hilfsfügeelement als konisch zulaufender Stab ausgebildet ist;
- 6 in einer perspektivischen Ansicht ein Batteriemodul mit einer Spanneinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 7a bis 7d in einer Ansicht jeweils von oben verschiedene Ausführungen der Spanneinheit gemäß 6 mit verschiedenartigen Hilfsfügelementen;
- 8a bis 8c in einer Ansicht jeweils von oben verschiedene Ausführungen der Spanneinheit mit verschiedenartigen Hilfsfügeelementen in Rundprofilform;
- 9a bis 9d in einer Ansicht jeweils von oben verschiedene Ausführungen der Spanneinheit mit weiteren verschiedenartigen Hilfsfügeelementen;
- 10 in einer Ansicht von oben eine Spanneinheit gemäß 1 mit einem im Querschnitt rechteckförmigen Hilfsfügeelement; und
- 11 in einer perspektivischen Ansicht ein Batteriemodul gemäß 1 mit einer zusätzlichen Spanneinheit.
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In der 1 ist auszugsweise ein Batteriemodul 1 dargestellt, das aus in einer Stapelrichtung S hintereinander gestapelten, prismatischen und baugleichen Batteriezellen 3 zusammengesetzt ist. Die Batteriezellen 3 sind über Spanneinheiten 5 in der Stapelrichtung S mit einer Spannkraft Fs gegeneinander verspannt. An den Deckseiten 7 der Batteriezellen 3 sind Kontaktbolzen 9 angebracht, über die die Batteriezellen 3 elektrisch kontaktierbar sind.
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Die Spanneinheit 5 weist zellenseitige, bogenförmige Spannbügel 11 auf, von denen jeweils eine an einer Schmalseite 13 der zwei in der Stapelrichtung S aneinandergrenzenden Schmalseiten 13 einstückig und materialeinheitlich angebracht ist und seitlich nach außen abragt.
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Unter Ausbildung der Spanneinheit 5 sind die Spannbügel 11 über ein Hilfsfügeelement 15 miteinander verbunden und gegeneinander verspannt. Das Hilfsfügeelement 15 weist in Batteriezellen-Hochrichtung z oben einen gegenüber dem durchmesserkleineren Schaft 17 einen durchmessergrößeren Kopf 19 auf, der das Hilfsfügeelement 15 in seiner Lage sichert. Der durchmesserkleinere Schaft 17 ist als zylindrischer Stab ausgebildet, der in seiner Stablängsrichtung einen durchgehend konstanten Querschnitt aufweist.
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In der 2 ist ein Vorpositionierschritt (angedeutet durch Pfeil AB) dargestellt, in dem die zwei Batteriezellen 3 in Stapelrichtung S vorpositioniert werden, sodass die einander zugewandten Flachseiten 21 der Batteriezellen 3 an einer Kontaktebene E (siehe 3 und 4) unter Zwischenlage einer Isolationsschicht 23 (siehe 3 und 4) mittelbar aneinandergenzen. Die Spannbügel 11 der Batteriezellen 3 überragen die Kontaktebene E von einer Batteriezelle 3 zur angrenzenden Batteriezelle 3 um einen Überstand b (siehe 3). Außerdem sind die Spannbügel 11 entlang einer Batteriezellen-Gehäusekante BG, bei der eine Schmalseite 13 und eine Flachseite 21 der Batteriezelle 3 zusammenlaufen, in Batteriezellen-Hochrichtung z mit einem Abstand a zueinander versetzt angeordnet.
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In der 3 sind die vorpositionierten Batteriezellen 3 dargestellt. Die Spannbügel 11 bilden, in Batteriezellen-Hochrichtung z gesehen, einen Fügekanal 25 aus, in den das Hilfsfügeelement 15 in einer Fügerichtung FR, die parallel zur Batteriezellen-Gehäusekante BG verläuft, einsteckbar ist. Wie in Ausschnitt A dargestellt, ist das Hilfsfügeelement 15 zunächst in einer Einsteck-Orientierung EO derart in den Fügekanal 25 eingesetzt, dass beim Einstecken des Hilfsfügeelementes 15 in den Fügekanal 25 keine Spannbügel-Aufweitung erfolgt, und sich die Spannbügel 11 auch nach dem Einstecken des Hilfsfügeelementes 15 in einer spannungsfreien, unverformten Ruheposition RP befinden. Zu diesem Zweck ist das Hilfsfügeelement 15 im Querschnitt elliptisch ausgebildet.
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In der 4 ist das Hilfsfügelement 15 im Vergleich zu 3 durch eine Drehbewegung DB um 90° um seine Längsachse verdreht und dadurch von der Einsteck-Orientierung EO in eine Spann-Orientierung SO übergeführt. Durch das Überführen des Hilfsfügeelementes 15 in die Spann-Orientierung SO, erfolgt eine Spannbügel-Aufweitung, bei der die Spannbügel 11 von ihrer Ruheposition RP unter Aufbau der Spannkraft Fs elastisch in eine spannungsbehaftete Spannposition SP verstellt werden. In der Spannposition SP sind die Batteriezellen 3 mit der Spannkraft Fs gegeneinander verspannt.
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In der 5 ist die Spanneinheit 5 in einer alternativen Ausführung dargestellt. Das Hilfsfügeelement 15 so ausgebildet ist, dass bereits der Einsteckvorgang des Hilfsfügeelementes 15 in den Fügekanal 25 unter Aufweitung der Spannbügel 11 erfolgt. Zu diesem Zweck ist der Schaft 17 des Hilfsfügeelements 15 als konisch zulaufender Stab ausgeführt, sodass beim Einstecken des Hilfsfügeelementes 15 in den Fügekanal 25 zumindest ein Abschnitt Z des Hilfsfügeelementes 15 die Spannbügel 11 in ihre Spannposition SP verstellt und somit die Batteriezellen 3 gegeneinander verspannt. Die Drehbewegung DB, wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben, ist bei dieser Ausführung nicht notwendig, um eine Spannbügel-Aufweitung zu erreichen.
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In der 6 ist in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform der Spanneinheit 5 dargestellt. Hierbei sind die zellenseitigen Spannelemente als Spannleisten 27 ausgebildet, die sich quer zu der Stapelrichtung S entlang der Batteriezellen-Gehäusekante BG erstrecken. Bei noch demontiertem Hilfsfügeelement 16 für die Spannleisten und in spannungsfreier, unverformter Ruheposition der Spannleisten 27 sind die einander an der Kontaktebene E zugewandten Spannleisten 27 über einen freien Leistenabstand c in Stapelrichtung voneinander beabstandet (siehe Ansicht C0 in 6).
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Als Hilfsfügelement 16 ist ein Profilbauteil, insbesondere ein Hohlprofilbauteil vorgesehen, dass in der Fügerichtung FR auf die beiden Spannleisten 27 unter Ausbildung der Spanneinheit 5 aufschiebbar ist. Die Fügerichtung FR verläuft quer zur Stapelrichtung S und parallel zur Längserstreckung der Spannleisten 27. Beim Aufschieben des Hohlprofilbauteils (angedeutet durch die Fügerichtung FR) auf die beiden Spannleisten 27 werden die Spannleisten 27 unter zumindest teilweisem Aufbrauch des Leistenabstandes c von ihrer Ruheposition RP in ihre spannungsbehaftete Spannposition SP überführt (siehe Detail C) und die Batteriezellen 3 dadurch mit der Spannkraft Fs gegeneinander verspannt.
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Nachfolgend sind in den 7a bis 9d weitere Ausführungsformen der Spanneinheit 5 lediglich schematisch dargestellt, wobei die Spanneinheiten 5 jeweils in der Spannposition SP der Spannbügel 11 gezeigt sind. Bei den dargestellten Spanneinheiten 5 werden die Spannbügel 11 bereits beim Einstecken des Hilfsfügeelementes 16 in den Fügekanal 25 gegeneinander verspannt. Ein Verdrehen des Hilfsfügeelementes 16 ist hierzu entsprechend dem als konisch zulaufendem Stab ausgeführten Hilfsfügeelements 15 nicht notwendig.
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In den 7a bis 7d sind in einer Ansicht von oben verschiedene Ausführungen der Spanneinheit 5 mit den Spannleisten 27 als Spannelemente in ihrer Spannposition SP dargestellt. In den 7a bis 7c sind die Spannleisten 27 jeweils als Spannleisten mit einem gebördeltem Rand 31 ausgebildet. Als Hohlprofilbauteil ist in der 7a ein in Längsrichtung geschlitztes Rundrohr eingesetzt. In der 7b ist als Hohlprofilbauteil ein in Längsrichtung geschlitztes Vierkantrohr eingesetzt. In der 7c ist das geschlitzte Vierkantrohr im Vergleich zu dem der 7c als spannbares Hohlprofilbauteil ausgebildet. Dementsprechend weist das auf die Spannleisten 27 aufgeschobene Hohlprofilbauteil einen Federabschnitt 34 auf. In der 7d ist das eingesetzte Hohlprofilbauteil ein in Längsrichtung geschlitztes Rundrohr und die Spannleisten 27 sind als flache Flanschleisten ausgebildet. Im Inneren des Rundrohres sind Stifte 30 eingesetzt, die sich von einem Innenprofil des Rundrohres nach radial innen erstrecken und die beiden Spannleisten 27 flächig gegeneinander drücken.
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In den 8a bis 8c sind in einer Ansicht von oben Spanneinheiten 5 mit unterschiedlichen Hilfselementen 15 dargestellt. In der 8a weist das Hilfsfügeelemente 15 im Querschnitt die Form einer Kreisscheibe auf. In der 8b ist das Hilfselemente 15 als ein in Längsrichtung geschlitztes Rundrohr ausgebildet. In der 8c ist das Hilfsfügeelement 15 als ein Rundrohr ausgebildet.
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In den 9a bis 9d sind in einer Ansicht von oben weitere Ausführungsformen des Hilfsfügeelementes 15 dargestellt, wobei die Spannbügel 11 jeweils an die Kontur des jeweils eingesetzten Hilfsfügeelementes 15 konturangepasst sind. In der 9a weist das Hilfselement 15 im Querschnitt die Form eines Sechsecks auf. In der 9b ist das Hilfselement 15 im Querschnitt im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet. In der 9c ist das Hilfselement 15 im Querschnitt quadratisch ausgebildet. In der 9d ist das Hilfsfügeelement 15 im Querschnitt ellipsenförmig ausgebildet.
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In der 10 ist in einer Ansicht von oben die Spanneinheit 5 gemäß den 1 bis 4 dargestellt, wobei das Hilfsfügeelement 15 im Vergleich zu den 1 bis 4 im Querschnitt nicht ellipsenförmig, sondern quadratisch ausgeführt ist.
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In der 11 ist ein Ausschnitt eines Batteriemoduls 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, bei dem im Vergleich zum Batteriemodul 1 der 1 nicht nur jeweils eine Spanneinheit 5 an den Schmalseiten 13, sondern zusätzlich auch eine Spanneinheit 5 an den Deckseiten 7 (siehe 1) angebracht ist. Zur Sicherung der Hilfsfügeelemente 15 sind Spannstifte 39 vorgesehen, die sich durch die Spannbügel 11 nach radial innen hindurch erstrecken und in das Hilfsfügeelement 15 hineinragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 3
- Batteriezelle
- 5
- Spanneinheit
- 7
- Deckseite
- 9
- Kontaktbolzen
- 11
- Spannbügel
- 13
- Schmalseite
- 15
- Hilfsfügeelement
- 16
- Hilfsfügeelement für Spannleisten
- 17
- Schaft
- 19
- Kopf
- 21
- Flachseite
- 23
- Isolationsschicht
- 25
- Fügekanal
- 27
- Spannleiste
- 30
- Stifte
- 31
- Rand
- 33
- Spannstift
- 34
- Federabschnitt
- A, B, C
- Detail
- C0
- Detail C vor dem Aufschieben des Hilfsfügeelementes
- E
- Kontaktebene
- Fs
- Spannkraft
- S
- Stapelrichtung
- AB
- Aufschiebebewegung
- BG
- Batteriezellen-Gehäusekante
- DB
- Drehbewegung
- EO
- Einsteck-Orientierung des Hilfsfügeelementes
- RP
- Ruheposition
- SO
- Spann-Orientierung des Hilfsfügeelementes
- SP
- Spannposition
- Z
- Abschnitt
- a
- Abstand der Spannbügel
- b
- Überstand der Spannbügel
- c
- Leistenabstand
- z
- Batteriezellen-Hochrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2658008 B1 [0004]
- US 2013/0189559 A1 [0004]
