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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds, einen Zellverbinderverbund als solchen für ein Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket sowie ein Batteriepaket und eine Vorrichtung.
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Batterien für die elektrische Versorgung von Arbeitsvorrichtungen, insbesondere im Bereich von eBikes, Pedelecs und dergleichen, werden üblicherweise als Batteriepacks oder Batteriepakete bereitgestellt, bei welchen eine Mehrzahl von Batteriezellen in Form von Einzelzellen über mehrere Zellverbinder, die in einem Zellverbinderverbund organisiert werden, miteinander kontaktiert und gehaltert werden, wobei eine zu Grunde liegende Geometrie und ein erforderliches Kontaktierungsschema gewährleistet werden müssen.
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Üblicherweise wird ein herkömmlicher Zellverbinderverbund aus einzelnen und als Stanzteile gefertigten Zellverbindern gebildet, welche als vereinzelte Bauteile, zum Beispiel als Schüttgut angeliefert werden. Das Einhalten der erforderlichen geometrischen und Kontaktierungsstruktur erfordert einen erheblichen Montageaufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit dem Herstellen der einzelnen Zellverbinder als Stanzteile durch deren bei der Herstellung aufgeprägte Vorpositionierung die erforderliche Struktur hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung ohne weiteren größeren Aufwand gewährleistet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Herstellen eines Zellverbinderverbunds mit einer Mehrzahl von Zellverbindern in Form von Stanzteilen aus einem Bandmaterial und zum Kontaktieren von Batteriezellen in einem Batteriepaket geschaffen wird, welches die Schritte aufweist:
- (i) Ausbilden von über Materialstege des Bandmaterials im Bandmaterial verbundenen und dadurch relativ zueinander vorpositionierten Vorformlingen durch teilweises, nicht vollständiges Ausstanzen von die Vorformlinge bildenden Stanzteilen aus dem Bandmaterial,
- (ii) Verbinden der teilweise ausgestanzten, relativ zueinander vorpositionierten und im Bandmaterial noch verbundenen Vorformlinge miteinander mit einem Kunststoffmaterial zur Fixierung von Relativpositionen der über die Materialstege noch im Bandmaterial verbundenen und relativ zueinander vorpositionierten Vorformlinge und
- (iii) Trennen und/oder Entfernen der die Vorformlinge im Bandmaterial verbindenden Materialstege und dadurch Heraustrennen und Bereitstellen des Zellverbinderverbunds aus dem Bandmaterial als über das Kunststoffmaterial miteinander verbundene, relativ zueinander vorpositionierte und aus dem Bandmaterial herausgelöste und die einzelnen Zellverbinder bildende Stanzteile.
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Über die Verwendung von Kunststoffmaterial zur Fixierung der Relativpositionen wird erreicht, dass mit dem vollständigen Vereinzeln der einander für einen Zellverbinderverbund zugeordneten Stanzteile als Vorformlinge die erforderliche geometrische Konfiguration trotz des Herauslösens aus dem Bandmaterial erhalten bleibt, so dass die Montage an den Batteriezellen in vereinfachter Weise erfolgen kann, weil auf die gegenseitige Ausrichtung der Stanzteile oder Vorformlinge im bereitgestellten Zellverbinderverbund nunmehr nicht mehr gesondert berücksichtigt werden muss.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders einfache Produktionsverhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Bandmaterial ein Materialband verwendet wird, insbesondere mit einer Oberseite und einer Unterseite, welche einander gegenüberliegen.
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Dabei lässt sich die Handhabung auch im Hinblick auf eine besonders günstige Ausnutzung des verwendeten Materials weiter verbessern, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich oder alternativ die zu Grunde liegenden Materialstege mit oder aus Bandmaterial in einem Randbereich eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands gebildet sind oder werden.
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Das Kunststoffmaterial lässt sich auf sehr unterschiedliche Weisen an den Stanzteilen als Vorformlingen anbringen, solange nur gewährleistet ist, dass dadurch die für einen gewünschten Zellverbinderverbund vorgegebene und erforderliche Konfiguration einander zugeordneter Stanzteile oder Vorformlinge hinsichtlich relativer Positionierung und mithin zukünftiger Kontaktierung an den Batteriezellen erhalten bleibt.
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Dementsprechend kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf besonders einfache Weise das Kunststoffmaterial als mit einem oder als ein lokales Verbindungselement auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile und/oder Zellverbinder aufgebracht werden, insbesondere als lokale Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
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Neben diesem im Wesentlichen lokalen Verwenden des Kunststoffmaterials ist es alternativ oder zusätzlich gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, das Kunststoffmaterial als flächige und insbesondere vergleichsweise großflächige Einbettung oder als flächigen und insbesondere großflächigen Träger auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere als großflächige Anspritzung und/oder Umspritzung auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
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Ferner ist es mit einer vereinfachten und materialsparenden Handhabung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens alternativ oder zusätzlich möglich, das Kunststoffmaterial lokal oder im Wesentlichen lokal als Tape oder Vergussmasse - insbesondere streifenförmig - auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
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Schließlich kann weiter alternativ oder zusätzlich bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens daran gedacht werden, das Kunststoffmaterial als flächige und insbesondere großflächige und/oder maskierte Folie auf einander zugeordnete, direkt benachbarte und/oder zueinander vorpositionierte Stanzteile, Vorformlinge und/oder Zellverbinder aufzubringen, insbesondere als auf einer Oberseite und/oder Unterseite des Bandmaterials und insbesondere eines bzw. des zu Grunde liegenden Materialbands.
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Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergibt sich, wenn auf ein sogenanntes Reel-to-Reel-Konzept zurückgegriffen wird, bei welchem in vorteilhafterweise
- (a) das zu Grunde liegende Bandmaterial als Materialband auf einer Rolle (Reel) zugeführt und zur Verfügung gestellt wird und/oder
- (b) vor dem Trennen und/oder Entfernen der Materialstege die noch im Bandmaterial über die Materialstege und das Kunststoffmaterial verbundenen und in ihrer Relativposition zueinander fixierten Stanzteile oder Vorformlinge zwischenzeitlich im Verbund in Rollenform aufgewickelt und in Rollenform - gegebenenfalls zwischengelagert und/oder - einem Vorgang des Trennens und/oder Entfernens der Materialstege und/oder einer zugeführt werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Zellverbinderverbund für ein Kontaktieren von Batteriezellen in Batteriepacks als solchen, und zwar mit einer Mehrzahl von Zellverbindern in Form von Stanzteilen aus einem Bandmaterial, welcher mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren hergestellt oder herstellbar ist.
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Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Batteriepack oder ein Batteriepaket als solche, und zwar mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bei welchen Batteriezellen einzeln oder gruppenweise über mehrere Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden sind und die Zellverbinder als erfindungsgemäß ausgestalteter Zellverbinderverbund ausgebildet sind und bereitgestellt werden, insbesondere für eine gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen vereinfachter Montage.
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Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung, welche mit einem elektrisch antreibbaren Aggregat und mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriepack oder Batteriepaket zur Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb ausgebildet ist.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 und 2 zeigen schematisch anhand von Draufsichten in Kombination miteinander einen Zellverbinderverbund zur Erläuterung seiner Bestandteile und Konfiguration hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung.
- 3A bis 3D erläutern schematisch anhand von Draufsichten verschiedenen Zwischenzustände, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden können.
- 4 bis 6 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer großflächigen Verwendung von Kunststoffmaterial als Träger für die zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
- 7 und 8 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer lokalen Verwendung von Kunststoffmaterial zur Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
- 9 bis 11 zeigen schematische Ansichten von Ausführungsformen des erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds mit einer Verwendung von Kunststoffmaterial in Form eines Tapes bzw. in Form einer auflaminierten Folie für eine Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile als Vorformlinge.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Batterien für eBikes und Zweiräder bestehen in den meisten Fällen aus einem Verbund von zylindrischen Einzelzellen. Dieser Verbund von Einzelzellen wir als Batteriepack bezeichnet.
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Die zylindrischen Einzelzellen werden elektrisch über Zellverbinder 21, 22 guten miteinander kontaktiert. Hierdurch werden die Einzelzellen in einer gewünschten und erforderlichen Weise in Serie und in Reihe geschalten. Durch ein gezieltes Anordnen dieser Zellen in erwünschtem Maße kann die Gesamtspannung sowie die Gesamtkapazität des Batteriepacks beeinflusst werden.
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Die 1 und 2 zeigen dazu schematisch anhand von Draufsichten in Kombination miteinander einen Zellverbinderverbund 20 zur Erläuterung seiner Bestandteile und Konfiguration hinsichtlich Geometrie und Kontaktierung der zu Grunde liegenden Stanzteile 21 und 22, die voneinander elektrisch isoliert sein müssen, aber eine vorgegebene relativ Positionierung zueinander aufweisen müssen, um der Geometrie des zu bildenden Batteriepacks zu entsprechen.
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Für die elektrische Kontaktierung kommen unter anderem metallische Stanzteile 21, 22 zum Einsatz. Diese können aus einem Bandmaterial 10, zum Beispiel einem Materialband 11 mit oder aus Nickel oder Kupfer als Grundmaterial 12, ausgestanzt und mittels eines Verbundverfahrens an die Einzelzellen kontaktiert werden. Oft kommt hier Widerstandsschweißen oder Laserschweißen zum Einsatz.
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Das Bandmaterial 10 für Stanzteile 21, 22 kann zum Beispiel auf einer Rolle (englisch: Reel) angeliefert und in eine zu Grunde liegende Stanzmaschine abgerollt werden.
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Herkömmlicherweise werden dabei die Stanzteile 21, 22 als Vorformlinge 27, 28 komplett ausgestanzt und fallen als Fallteile in einen Transportbehälter. Die Teile werden einzeln und bereits voneinander getrennt gelagert und gegebenenfalls zur weiteren Produktionsstätte transportiert.
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Für eine sichere und stabile Verbindung ist eine Positionierung der Stanzteile 21, 22 auf den Einzelzellen sehr wichtig. Die Stanzteile 21, 22 werden als Schüttware angeliefert und müssen daher mittels einem Roboter oder händisch positioniert werden.
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Diese Positionierung der Zellverbinder 21, 22 zur Ausbildung des Zellverbinderverbunds 20 ist sehr aufwendig, weil Abweichungen und Toleranzen einen direkten und gegebenenfalls starken Einfluss auf die Qualität der Verbindung zu den Einzelzellen und insbesondere auf die Schweißqualität haben.
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Zusätzlich muss ein elektrischer Kontakt der Zellverbinder 21 und 22 untereinander ausgeschlossen werden da dies zu einem sicherheitskritischen Kurzschluss führen kann.
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Die Forderung an eine exakte und präzise Positionierung der Zellverbinder 21, 22 im Auszubildenden Zellverbinderverbund 20 bringt beim herkömmlichen Vorgehen der Herstellung und Montage einen großen technischen und kommerziellen Aufwand mit sich.
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Dies wird erfindungsgemäß vermieden.
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Reel-to-Reel Verfahren
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Diese Erfindung beschreibt unter anderem ein Verfahren, in welchem Zellverbinder 21, 22 als metallischen Stanzteile 21', 22' als Halbzeuge oder Vorformlinge 27, 28 ausgebildet und angeliefert werden, nämlich mit einem noch bestehenden Kontakt und materiellen Zusammenhang über Materialstege 24 und 25.
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In diesem Zusammenhang zeigen die 3A bis 3D erläutern schematisch anhand von Draufsichten verschiedenen Zwischenzustände, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden können.
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In der 3A ist das Bandmaterial 10 in Form eines Materialbands 11 aus einem Material 12 mit einer Oberseite 11a und einer Unterseite 11b in einem von einer Rolle abgewickelten Zustand dargestellt. In dieser von der Rolle abgewickelten Form wird das Bandmaterial 10 einer entsprechenden Stanzvorrichtung zugeführt.
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Im Übergang zu dem in 3B gezeigten Zwischenzustand erfolgt ein teilweises jedoch nicht vollständiges Stanzen, wobei unter Ausbildung von Ausnehmungen oder Lücken 13 im Materialband 11 des Bandmaterials 10 Vorformlinge 27 und 8 und 20 der später Auszubildenden Stanzteile 21', 22' für die Zellverbinder 21 und 22 ausgebildet werden. Die Vorformlinge 27 und 28 sind noch über Materialstege 24 und 25 im Bereich der Ränder 14 und 15 des Materialbands 11 miteinander materiell und elektrisch verbunden.
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Diese Vorformlinge 27, 28 und mithin die Stanzteile 21', 22' sind über die Materialstege 24 und 25 in ihrer geometrischen Vorpositionierung relativ zueinander fixiert und können grundsätzlich in dieser Form und ohne großen Aufwand im Zusammenhang mit zu kontaktierenden und zu verbindenden Batteriezellen vollautomatisch positioniert und verbunden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese geometrische Vorpositionierung der Vorformlinge 27, 28 der Stanzteile 21', 22' für die einzelnen Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20 relativ zueinander durch das Aufbringen eines die Vorformlinge 27, 28 verbindenden und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterials 30 zusätzlich fixiert und damit gesichert, wobei erst anschließend zur besseren Handhabung eines einzelnen Zellverbinderverbunds eine Trennung der Vorformlinge 27, 28 der Stanzteile 21', 22' von den Materialstegen 24, 25 und damit ein vollständiges Herauslösen aus dem Materialband 11 und dessen Rändern 14, 15 erfolgt.
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Das Anbringen des Kunststoffmaterials 30 ist im Übergang zum Zwischenzustand der 3C mit der Anbringung lokaler Verbindungselemente 31 aus Kunststoffmaterial 30 zur materiellen Verbindung aber elektrischen Isolation einander zugeordneter Vorformlinge 27 und 28 für die Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20 dargestellt.
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Anspritzen von Hart- oder Weichkunststoff
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Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist also die zusätzliche materielle Verbindung einander zugeordneter Vorformlinge 27, 28 für die Stanzteile 21', 22' für die Zellverbinder 21, 22 des auszubildenden Zellverbinderverbunds 20 mit einem Kunststoffmaterial 30 vor der Trennung der Materialstege 24, 25 des Materialbands 14 und seiner Ränder 14, 15, um dadurch die Einzelteile in der erforderlichen geometrischen Anordnung zueinander zu halten und gleichzeitig einen elektrischen Kurzschluss zwischen den einzelnen Vorformlingen 27, 28 der Zellverbinder 21, 22 durch eine mögliche ungenaue Positionierung zu vermeiden. Der Verbund 20 aus Zellverbindern 21, 22 in Form von als Vorformlinge 27, 28 fungierenden Stanzteilen 21', 22' und Kunststoff 30 kann als Ganzes, also in materieller Verbindung miteinander, vollautomatisch an einer Anordnung von Einzelzellen positioniert und dort kontaktiert werden.
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Anstelle von Stanzteilen 21', 22' als Einzelteile werden erforderliche Zellverbinder 21, 22 erfindungsgemäß also nicht komplett aus dem Bandmaterial 10 gestanzt, sondern verbleiben als Vorformlinge 27, 28 über Stege 24, 25 miteinander im Stanzgitter des Materialbands 11 des Bandmaterials 10 zunächst verbunden.
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Bevor die Stege 24, 25 gemäß dem Übergang zu dem in 3D gezeigten Zwischenzustand über einen weiteren Stanzschritt entfernt werden, wird dieses Stanzgitter erfindungsgemäß vollständig oder partiell mit Kunststoff 30 versehen, wodurch einander zugeordnete Vorformlinge 27, 28 Material miteinander verbunden werden.
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Dieser Vorgang erfolgt durch umspritzen oder Anspritzen mit dem Kunststoffmaterial 30 auf einer oder beiden Seiten der Oberseite 1 1a und 11b des Bandmaterials 10 bzw. des Materialbands 11.
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Dadurch wird eine mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Vorformlingen 27, 28 der Zellverbinder 21, 22 erreicht.
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Eine flächige oder großflächige Umspritzung mit dem Kunststoffmaterial 30 kann dabei als Trägermaterial oder Träger 32 dienen, in welchem das Stanzgitter mit den einander zugeordneten miteinander verbundenen Vorformlingen 27, 28 eingebettet ist.
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Die 4 bis 6 zeigen dazu schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds 20 mit einer großflächigen Verwendung von Kunststoffmaterial 30 als Träger 32 für die zu Grunde liegenden Stanzteile 21', 22' als Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20.
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Gemäß der Darstellung der 3C kann das Kunststoffmaterial 30, wenn es lokal appliziert wird, auch lediglich als Ersatz für die entfernten Verbindungsstege fielen 20, 24 dienen.
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Dazu zeigen die 7 und 8 noch schematische Ansichten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zellverbinderverbunds 20 mit einer lokalen Verwendung von Kunststoffmaterial 30 nach Art eines lokalen Verbindungselements 31 zur Relativpositionierung der zu Grunde liegenden Stanzteile 21', 22' als Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20.
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Tape oder niederviskose Vergussmasse als Träger
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Weiter alternativ kann die materielle Verbindung der Vorformlinge 27, 28 mit dem Kunststoffmaterial 30 mit einem sogenannten Tape 33 oder Band oder mittels einer niederviskoser Vergussmasse erfolgen, wie dies im Zusammenhang mit der 9 schematisch dargestellt ist.
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Auch durch diese Maßnahmen werden ein materieller Zusammenhang einander zugeordneter Vorformlinge 27, 28 sowie eine elektrische Trennung zwischen den entsprechenden Zellverbindern 41, 22 des Zellverbinderverbunds 20 durch Realisieren einer genauen Positionierung gewährleistet. Der Verbund 20 aus Zellverbindern 21 und Tape 33 und/oder Vergussmasse kann vollautomatisch positioniert werden.
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Das Tapematerial 33 sowie die Vergussmasse können eine dauerhafte Verbindung mit den Zellverbindern einen 20, 22 des Zellverbinderverbunds 20 eingehen und dauerhaft am Produkt verbleiben.
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Alternativ dazu kann das Fixierungstape 33 auch nur temporär vorhanden sein und lediglich als temporäreres Trägermaterial zur Fixierung während der Montage dienen. Nach erfolgreichem Verbinden der Zellverbinder einen 20, 22 im Zellverbinderverbund 20 zum Produkt kann das Tapematerial 33 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch wieder entfernt werden.
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Partielles Laminieren (zweiseitig) oder kleben (einseitig) mit maskierter Kunststofffolie
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Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit den 10 und 11 dargestellt ist, können die Vorformlinge 27, 28 und also die Stanzteile 21', 22' für die Zellverbinder 21, 22 des Zellverbinderverbunds 20 auch mittels einer Folie 34 als Kunststoffmaterial 30 und insbesondere mittels einer laminierten Folie oder Klebefolie verbunden sein oder werden. Dadurch wird ein Kurzschluss zwischen den Zellverbindern 41, 22 des Zellverbinderverbunds durch eine ungenaue Positionierung vermieden. Der Verbund 20 aus Zellverbindern ein 20 mal 22 und Kunststoff 30 in Form der Folie 34 kann vollautomatisch positioniert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch einer zweiseitige Laminierfolie zur Fixierung und elektrischen Isolation verwendet werden. Hierzu werden die Vorformlinge 27, 28 für die Zellverbinder ein 20, 22 im noch nicht aus dem Bandmaterial 10 herausgelösten Zustand von beiden Seiten 11a und 11b mit einer Folie 34 als Kunststoffmaterial 30 umhüllt und unter Einfluss von Temperatur dauerhaft verbunden.
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Zur Kontaktierung der Zellen kann eine maskierte Folie mit vordefinierten Öffnungen verwendet werden, welche entsprechende Ausnehmungen 35 für die Zellkontakte aufweist.
