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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das ein Gehäuse mit einem Gehäuseunterteil und einem auf dem Gehäuseunterteil aufgesetzten Gehäusedeckelteil, eine Mehrzahl von Batteriezellen, die mittels Zellverbinder miteinander verschaltet sind, eine Steuereinheit zur Steuerung und Überwachung der Batteriezellen und mindestens eine elektrische Komponente, die mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist, umfasst, wobei die Batteriezellen auf einem Boden des Gehäuseunterteils angeordnet sind, wobei die Steuereinheit auf den Batteriezellen angeordnet und mit den Zellverbindern elektrisch verbunden ist und wobei die Zellverbinder und die Steuereinheit an dem Gehäusedeckelteil angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Austauschen einer Steuereinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, das mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. Solche elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuge, wie z.B. Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, umfassen jeweils ein Batteriesystem zur Energieversorgung. Dabei umfasst das Batteriesystem mehrere Batteriezellen und eine Steuereinheit zur Steuerung und Überwachung der Batteriezellen sowie mindestens eine mit der Steuereinheit verbundene elektrische Komponente, wie beispielsweise einen Temperatursensor oder einen Stromsensor oder ein Relais oder dergleichen mehr.
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Das Batteriesystem umfasst ferner ein Gehäuse, in dem die Batteriezellen, die Steuereinheit sowie die mindestens eine elektrische Komponente angeordnet sind.
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Dokument
DE 11 2009 002 264 T5 beschreibt eine Batterie, die mehrere Zellen und ein Außengehäuse umfasst. Die mehreren Zellen sind in mehrere Module aufgeteilt, die jeweils ein Modulgehäuse aufweisen. Die mehreren Module sind nebeneinander angeordnet. Über die Modulgehäuse der jeweiligen Module sind die mehreren Zellen im Außengehäuse miteinander trennbar verbunden angeordnet.
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Dokument
JP 2014-011060 A offenbart ein Verfahren zum Austauschen von Batteriemodulen in einem Energieversorgungssystem.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriesystem vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst dabei ein Gehäuse, eine Mehrzahl von Batteriezellen, eine Steuereinheit zur Steuerung und Überwachung der Batteriezellen und mindestens eine elektrische Komponente. Das Gehäuse weist dabei ein Gehäuseunterteil und ein auf dem Gehäuseunterteil aufgesetztes Gehäusedeckelteil auf.
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Die Batteriezellen sind mittels einer Vielzahl von Zellverbindern miteinander verschaltet. Die Batteriezellen können dabei elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet werden.
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Die mindestens eine elektrische Komponente ist mit der Steuereinheit elektrisch verbunden. Die mindestens eine elektrische Komponente kann beispielsweise als ein Stromsensor, ein Temperatursensor oder ein Relais ausgebildet sein. Die mindestens eine elektrische Komponente kann aber auch als ein Steckverbinder ausgebildet sein, über den die Steuereinheit mit anderen elektrischen Komponenten elektrisch verbunden werden kann.
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Die Batteriezellen sind auf einem Boden des Gehäuseunterteils angeordnet. Die Batteriezellen können dabei kreiszylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein und sind bevorzugt mechanisch nebeneinander angeordnet. Auf den Batteriezellen ist die Steuereinheit angeordnet. Die Steuereinheit ist dabei mit den Zellverbindern elektrisch verbunden. Die Steuereinheit und die Zellverbinder sind an dem Gehäusedeckelteil angeordnet. Das Gehäusedeckelteil ist bevorzugt mit einer ersten Struktur zum Tragen der Zellverbinder und einer zweiten Struktur zum Tragen der Steuereinheit ausgestattet. Dabei können die Steuereinheit und die Vielzahl von Zellverbindern mit dem Gehäusedeckelteil formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäusedeckelteil mit mindestens einer vom Gehäusedeckelteil lösbaren Abdeckung zum Austauschen der Steuereinheit versehen.
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Die mindestens eine Abdeckung kann zum Abdichten, zur Abschirmung gegen Umgebungseinflüsse und als Berührungsschutz dienen.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Abdeckung mittels einer Sollbruchstelle oder einer Schnapp- oder Rastverbindung vom Gehäusedeckelteil lösbar. Unter einer Sollbruchstelle wird im vorliegenden Zusammenhang eine durch eine besondere Struktur, Gestalt oder Konstruktion bestimmte Stelle im Material verstanden, die bei Belastung oder Überlastung vorhersagbar mechanisch versagt. Das kann zum Beispiel eine Kerbe, eine Perforation oder eine Ritzspur sein. Durch Kerbwirkung ist das Bauteil an dieser Stelle im Material beispielsweise entscheidend geschwächt und versagt dort.
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Bevorzugt ist die mindestens eine elektrische Komponente, die mit der Steuereinheit elektrisch verbunden ist, ebenfalls am Gehäusedeckelteil angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit über Bonddrähte mit der Vielzahl von Zellverbindern elektrisch verbunden. Bevorzugt ist die Steuereinheit ebenfalls über Bonddrähte mit der mindestens einen elektrischen Komponente elektrisch verbunden. Denkbar ist aber auch, dass die Steuereinheit mittels eines Steckverbinders mit der mindestens einen elektrischen Komponente verbunden ist.
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Bevorzugt weist die Steuereinheit eine Leiterplatte auf, die beidseitig mit Anschlussflächen zur elektrischen Verbindung der Steuereinheit mit der Vielzahl von Zellverbindern und/oder der mindestens einen elektrischen Komponente versehen ist. Damit kann eine Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen der Steuereinheit und der Vielzahl von Zellverbindern und/oder der mindestens einen elektrischen Komponente vorteilhaft von einer den Batteriezellen abgewandten Seite der Leiterplatte erfolgen.
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Bevorzugt weist das Gehäuseunterteil eine Temperierungseinrichtung auf. Die Temperierungseinrichtung kann eine kanalförmige Struktur zur Durchleitung eines Temperierungsmediums aufweisen, die im Material des Gehäuseunterteils ausgeführt sein kann. Die Temperierungseinrichtung kann dabei auch als eine Peltier-Element-Einheit ausgebildet werden. Eine Peltier-Element-Einheit, die auch als thermoelektrischer Kühler bezeichnet wird, umfasst mehrere Peltier-Elemente und kann sowohl zur Kühlung als auch zum Beheizen verwendet werden. Die als eine Peltier-Element-Einheit ausgebildete erste Temperierungseinrichtung kann auf dem Boden des Gehäuseunterteils und zwischen dem Boden und den Batteriezellen angeordnet werden.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Austauschen einer Steuereinheit eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen.
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Zunächst wird die mindestens eine Abdeckung vom Gehäusedeckelteil gelöst. Dadurch wird die Steuereinheit freigelegt und ist damit zugänglich. Elektrische Verbindungen zwischen der Steuereinheit und der Vielzahl von Zellverbindern sowie der mindestens einen elektrischen Komponente werden ebenfalls freigelegt.
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Anschließend werden die elektrischen Verbindungen zwischen der Steuereinheit und den Zellverbindern sowie der mindestens einen elektrischen Komponente abgetrennt. Das Abtrennen kann dabei durch Schneiden von Bonddrähten und/oder Abziehen von Steckern erfolgen. Die Steuereinheit wird dabei vom Gehäusedeckelteil entfernt.
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Danach wird eine neue Steuereinheit an dem Gehäusedeckelteil angebracht. Die neue Steuereinheit kann dabei stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem Gehäusedeckelteil verbunden sein.
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Anschließend werden elektrische Verbindungen zwischen der neuen Steuereinheit und der Vielzahl von Zellverbindern sowie der mindestens einen elektrischen Komponente hergestellt. Bevorzugt ist hierbei eine Leiterplatte der neuen Steuereinheit beidseitig mit Anschlussflächen zur elektrischen Verbindung der Steuereinheit mit den Zellverbindern und/oder der mindestens einen elektrischen Komponente versehen. Damit kann eine Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen den Zellverbindern und/oder der mindestens einen elektrischen Komponente vorteilhaft von einer den Batteriezellen abgewandten Seite der Leiterplatte erfolgen.
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Wurde die mindestens eine Abdeckung mittels einer Schnappverbindung oder einer Rastverbindung vom Gehäusedeckelteil gelöst, so kann die mindestens eine gelöste Abdeckung nach der Herstellung der elektrischen Verbindungen zum Abdecken der Steuereinheit wiederverwendet werden. Wurde das mindestens eine Deckungsteil mittels einer Sollbruchstelle vom Gehäusedeckelteil gelöst, so kann nach der Herstellung der elektrischen Verbindungen eine neue Abdeckung mit einer Schnappfunktion oder einer Rastfunktion eingesetzt werden.
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Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Üblicherweise ist die Vielzahl von Zellverbindern nach dem Anordnen der Batteriezellen in einem Gehäuse eines Batteriesystems an den Batteriezellen verschweißt, damit die Batteriezellen elektrisch miteinander verschaltet sind. Da die Vielzahl von Zellverbindern sowie die Steuereinheit an dem Gehäusedeckelteil angeordnet sind, kann das Gehäusedeckelteil nicht als Ganzes abgenommen werden. Dies führt dazu, dass bei einem Defekt der Steuereinheit das gesamte Batteriesystem ausgetauscht werden muss.
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Mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Steuereinheit einfach ausgetauscht werden, ohne das gesamte Batteriesystem austauschen zu müssen. Damit werden die Reparaturkosten bzw. die Wartungskosten des Batteriesystems in erheblichem Maße reduziert.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich teure und werthaltige Komponenten, die beispielsweise Materialien wie Lithium oder Kobalt oder dergleichen enthalten, weiter verwenden. Dies stellt sowohl einen ökonomischen als auch einen ökologischen Vorteil dar, der auf nachhaltige Weise Ressourcen schont, da sie wiederverwendet werden können. Mithin kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass eine Vielzahl von Komponenten eines Batteriesystems weiter verwendet werden kann, indem auf einfache Weise lediglich eine Steuereinheit ausgetauscht werden muss, die über eine Schnapp- oder Rastverbindung an einer Leiterplatte aufgenommen ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung bietet die Möglichkeit einer einfachen Zugänglichkeit zum Batteriesystem, so dass einzelne Komponenten problemlos ausgetauscht werden können und danach ein Weiterbetrieb ein und derselben Komponenten des Batteriesystems, durch Ersatzteile ergänzt oder mit Zusatznutzen ausgestattet, möglich ist.
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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 schematisch Schnittdarstellung eines Batteriesystems,
- 2 eine schematische Ansicht eines Gehäusedeckelteils aus 1 von unten,
- 3 eine schematische Draufsicht des Gehäusedeckelteils aus 1 und
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer Leiterplatte mit Anbindungspunkten für elektrische Verbindungen (Bonds).
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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 schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 100.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 umfasst ein Gehäuse 102 mit einem Gehäuseunterteil 110 und einem auf dem Gehäuseunterteil 110 aufgesetzten Gehäusedeckelteil 120. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 umfasst ferner eine Mehrzahl von Batteriezellen 10, die vorliegend prismatisch ausgebildet und nebeneinander angeordnet sind. Die Batteriezellen 10 sind dabei auf einem Boden 112 des Gehäuseunterteils 110 angeordnet. Die Batteriezellen 10 sind mittels einer Vielzahl von Zellverbindern 20 miteinander verschaltet. Dabei können die Batteriezellen 10 elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 umfasst darüber hinaus eine Steuereinheit 30 (siehe 2), die auf einer Leiterplatte 32 (siehe 2) angeordnet ist. Die Steuereinheit 30 ist auf den Batteriezellen 10 angeordnet und über Bonddrähte 34 (siehe 2) mit der Vielzahl von Zellverbindern 20 elektrisch verbunden.
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Die Zellverbinder 20 und die Steuereinheit 30 sind am Gehäusedeckelteil 120 angeordnet. Das Gehäusedeckelteil 120 weist eine erste Tragstruktur 124 für die Vielzahl von Zellverbindern 20 und eine zweite Tragstruktur 125 (siehe 2 und 3) für die Steuereinheit 30 auf. Die Vielzahl von Zellverbindern 20 und die Steuereinheit 30 können entweder formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Gehäusedeckelteil 120 verbunden werden.
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Das Gehäusedeckelteil 120 ist mit einer ersten Abdeckung 121 zum Austauschen der Steuereinheit 30 versehen. Die erste Abdeckung 121 ist über Sollbruchstellen 60 (siehe 3) mit dem Gehäusedeckelteil 120 verbunden und kann an den Sollbruchstellen 60 erforderlichenfalls abgetrennt werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Gehäusedeckelteils 120 gemäß 1 von unten. Die in 2 dargestellte Seite des Gehäusedeckelteils 120 ist demnach den Batteriezellen 10 (vgl. 1) zugewandt. Das Gehäusedeckelteil 120 weist eine erste Tragstruktur 124 für die Vielzahl von Zellverbindern 20 und eine zweite Tragstruktur 125 für die Steuereinheit 30 auf. Die Vielzahl von Zellverbindern 20 kann dabei mittels eines formschlüssigen oder eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens mit dem Gehäusedeckelteil 120 verbunden werden. Die Steuereinheit 30 kann ebenfalls mittels eines formschlüssigen oder eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens mit dem Gehäusedeckelteil 120 verbunden. Wie in 2 dargestellt, ist eine Leiterplatte 32, auf der die Steuereinheit 30 aufgenommen ist, an mehreren Verbindungsstellen 38 mittels Heißverstemmungen mit dem Gehäusedeckelteil 120 verbunden.
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Am Gehäusedeckelteil 120 sind eine erste elektrische Komponente 40, eine zweite elektrische Komponente 42 und eine dritte elektrische Komponente 44 angeordnet. Die erste elektrische Komponente 40 ist beispielsweise ein Relais, ein Halbleiterbauteil oder ein ähnliches elektrisches oder elektronisches Bauelement, bei der zweiten elektrischen Komponente 42 handelt es sich beispielsweise um einen Stromsensor; die dritte elektrische Komponente 44 ist zum Beispiel ein Temperatursensor.
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Die erste elektrische Komponente 40 ist dabei mittels einer Steckverbindung 50 mit der Steuereinheit 30 elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 30 kann über Bonddrähte 34 mit der Vielzahl von Zellverbindern 20 sowie den zweiten und dritten elektrischen Komponenten 42, 44 elektrisch verbunden sein. Die Steuereinheit 30 weist Anschlussflächen 36 zum Löten der jeweiligen Bonddrähte 34 auf der Leiterplatte 32, die die Steuereinheit 30 aufnimmt, auf.
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Die Leiterplatte 32 kann beidseitig mit Anschlussflächen 36 (vgl. 4) versehen sein. Dadurch können die elektrischen Verbindungen zwischen der Vielzahl von Zellverbindern 20 sowie der zweiten und der dritten elektrischen Komponente 42, 44 auf einer den Batteriezellen 10 abgewandten Seite der Leiterplatte 32 mit Steuereinheit 30 erfolgen.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht des Gehäusedeckelteils 120 aus 1.
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Das Gehäusedeckelteil 120 weist dabei ein erstes Terminal 104 und ein zweites Terminal 106 auf. Über das erste und das zweite Terminals 104, 106 kann das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 (vgl. 1) geladen oder entladen werden. Das Gehäusedeckelteil 120 ist mit der ersten Abdeckung 121 versehen, die an einer Sollbruchstelle 60 vom Gehäusedeckelteil 120 abtrennbar oder von diesem lösbar ist. Unter der ersten Abdeckung 121 ist die Steuereinheit 30 (vgl. 2) am Gehäusedeckelteil 120 angeordnet. Das Gehäusedeckelteil 120 ist ferner mit einer zweiten Abdeckung 122 versehen, die mittels einer Schnappverbindung 70 oder einer Rastverbindung vom Gehäusedeckelteil 120 lösbar oder entfernbar ist. Das Gehäusedeckelteil 120 ist weiterhin mit einer vom Gehäusedeckelteil 120 mittels einer Schnappverbindung 70 oder einer Rastverbindung lösbaren, dritten Abdeckung versehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel bereits vom Gehäusedeckelteil 120 entfernt ist. Nach dem Lösen der dritten Abdeckung ist die erste Tragstruktur 124 für die Vielzahl von Zellverbindern 20 dargestellt.
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Zum Austausch der Steuereinheit 30 wird die erste Abdeckung 121 an der Sollbruchstelle 60 vom Gehäusedeckelteil 120 gelöst und die Steuereinheit 30 freigelegt. Dabei wird die zweite Abdeckung 122 ebenfalls vom Gehäusedeckelteil 120 gelöst. Durch das Lösen der ersten Abdeckung 121, der zweiten Abdeckung 122 und der dritten Abdeckung werden die Bonddrähte 34 (vgl. 2) ebenfalls freigelegt. Danach werden die Bonddrähte 34 beispielsweise durchtrennt, sodass die Steuereinheit 30 entfernt werden kann.
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Anschließend wird eine neue Steuereinheit 30 an dem Gehäusedeckelteil 120 befestigt. Die Leiterplatte 32, die die Steuereinheit 30 aufweist, ist beidseitig mit Anschlussflächen 36 versehen. In vorteilhafter Weise können die Bonddrähte 34 beim Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen der Steuereinheit 30 und der Vielzahl von Zellverbindern 20 sowie der ersten, der zweiten und der dritten elektrischen Komponente 40, 42, 44 an die auf einer den Batteriezellen 10 abgewandten Seite der Leiterplatte 32 vorgesehenen Anschlussflächen 36 zum Beispiel verlötet werden.
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Nach dem Herstellen der elektrischen Verbindungen wird eine neue erste Abdeckung 121 mit Schnappfunktion oder Rastfunktion zum Abdecken der Steuereinheit 30 eingesetzt. Dabei können die zweite Abdeckung 122 und die dritte Abdeckung wiederverwendet werden.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Leiterplatte 32 mit einer Steuereinheit 30. Wie in 4 dargestellt, ist die Leiterplatte 32, auf der die Steuereinheit 30 angeordnet ist, an entsprechenden Stellen beidseitig mit Anschlussflächen 36 zur elektrischen Verbindung zwischen der Steuereinheit 30 und der Vielzahl von Zellverbindern 20 (vgl. 2) sowie der ersten, der zweiten und der dritten elektrischen Komponente 40, 42, 44 versehen.
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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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- DE 112009002264 T5 [0004]
- JP 2014011060 A [0005]
