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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriezellpaket und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Bei der Herstellung von Batterien, insbesondere zur Verwendung bei Elektrofahrzeugen, werden einzelne (insbesondere wiederladbare) Batteriezellen zu Batteriezellpaketen kombiniert. Dabei stellt sich die Aufgabe einer möglichst einfachen und dabei dauerhaft sicheren Kontaktierung der Batteriezellen zueinander. Eine Kontaktierung wird in Rahmen dieser Schrift als zumindest zwei elektrische Leiter verstanden, die in einem elektrischen Kontakt zueinander sind. Eine bekannte Ausführungsform von Batteriezellen ist die sogenannte „Pouch-Zelle“. Bei diesem Zelltyp ist die eigentliche Batterie in einer Art Tasche und an einer oder an zwei Seiten werden elektrische Leiter herausgeführt. Diese Seiten können gegenüberliegend sein. Die Leiter sind häufig flache Leiterbahnen, die zur Kontaktierung und somit zur Bildung eines Batteriezellpakets bspw. verlötet, verschweißt oder verschraubt werden können.
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Neben der Verwendung in einem (Elektro-)Automobil betrifft die Erfindung insbesondere auch Anwendungen für Fahrräder, stationäre Energiespeicher oder Power Tools oder ähnliche mobile oder stationäre Anwendungen, bei denen elektrische Energie gespeichert werden soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Verbindung von einzelnen Batteriezellen zu ermöglichen, die dauerhaft sicher einen elektrischen Kontakt sicherstellt. Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
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Bei einem Batteriezellpaket mit zumindest einer Kontaktierung zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriezellpakets und/oder zu Anschlussleitern werden über eine zumindest teilweise umhüllende Hülle Andruckkräfte auf die Kontaktierung ausübt. Dabei stellen die Andruckkräfte ein mechanisches Berühren von Kontakten der Kontaktierung sicher. Die Kontaktierung dient bevorzugt der Ermöglichung eines möglichst widerstandsfreien Kontakts von zwei Leitern. Herkömmlich wurden konstruktive Maßnahmen ergriffen, um die Kontaktierung sicherzustellen, die gesonderte, ausschließlich dafür verwendete Komponenten verwenden. Es wurde aber erkannt, dass eine Hülle, die sowieso üblicherweise notwendig ist, Kräfte erzeugen kann, die dauerhaft den mechanischen und somit auch elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten sicherstellen können. Die Hülle kann bspw. eine Kunststofffolie sein, die aus Gründen der Sicherheit gegen Kurzschlüsse um das Batteriezellpaket gespannt sein muss. Dabei muss sie eine gewisse minimale Dicke von bspw. größer 0,5 mm oder größer 1,0 mm aufweisen. Über diese Materialdicke können ausreichend hohe Kräfte auf die Kontaktierung bewirkt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können bei einem Batteriezellpaket mit zumindest einer Kontaktierung zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriezellpakets und/oder zu Anschlussleitern über eine das Batteriezellenpaket zumindest teilweise umhüllende Hülle Andruckkräfte auf die Kontaktierung ausübt werden. Dabei sind in der Kontaktierung über die durch die Hülle bewirkten Andruckkräfte hinaus weder formschlüssige, kraftschlüssige noch stoffschlüssige Fügemittel zur Sicherstellung des mechanischen Kontakts von bevorzugt mindestens zwei Kontakten der Kontaktierung vorgesehen. Als formschlüssige Fügemittel werden insbesondere mechanische Rasthaken, Krimpungen, Bördelungen, Verschraubungen oder Hinterschnitte verstanden. Als kraftschlüssige Fügemittel werden insbesondere federelastische Mittel wie Federkontakte oder eine elastische Verspannung eines Halters bzw. Trägers der Kontakte verstanden. Als stoffschlüssige Fügemittel werden insbesondere Verlötungen, Klebungen oder Schweißungen verstanden. Die vorstehend genannten Mittel sind lediglich beispielhaft und es sind konstruktiv vorgesehene Mittel. Sie unterscheiden sich dadurch von der vorliegenden erfinderischen Ausführungsform, bei der bei der Montage die einzelnen Batteriezellen lediglich in Bezug auf ihre Lage ausgerichtet werden, bzw. neben- oder übereinander angeordnet werden und bei diesem Anordnen keine weiteren Maßnahmen der Ermöglichung eines Stromflusses getroffen werden. Allgemein gesprochen, kommt kein Verbindungsmittel zum Einsatz, das ausschließlich dem Zweck der Kontaktierung dient. Somit ist die erfindungsgemäße Bauweise kostengünstig und schnell zu realisieren. Die üblicherweise sowieso notwendige Hülle bewirkt unmittelbar (z.B. durch Federkräfte) oder bewirkt mittelbar (z.B. über einen Unterdruck) Kräfte auf die Kontakte zur Bewirkung der Kontaktierung.
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Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die umhüllende Hülle eine Folie umfasst oder daraus besteht. Bevorzugt wird dadurch eine luftdichte oder zumindest eine flüssigkeitsdichte Abdichtung um die Batteriezellen des Batteriezellpakets bewirkt. Eine flüssigkeitsdichte Ausführung ist dann vorteilhaft, wenn um das Batteriezellpaket herum eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll. Eine luftdichte Abdichtung ist insbesondere bei der nachfolgend genannten Verwendung eines Unterdrucks zur Erzeugung der Kontaktierung notwendig.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn in der Kontaktierung Kontakte der Batteriezellen und/oder der Anschlussleiter in einem flächigen Kontakt zueinander stehen. Die Kontaktfläche sollte mindestens 1 cm2 betragen, um einen sicheren Kontakt auch bei schlechter Positionierung sicherzustellen. Alternativ kann gefordert sein, dass die Kontaktfläche mindestens 10% der Fläche der zugeordneten Oberfläche der Batteriezelle beträgt.
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Insbesondere kann die Hülle als eine Schrumpffolie ausgeführt sein. Es kann alternativ eine (oder mehrere) Wickelung(en) mit einer elastischen Folie (insbesondere Stretchfolie) unter Längsverspannungskräften aufgebracht werden. Auf diese Arten können dauerhaft elastische Verspannungskräfte bewirkt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Hülle eine Vakuumsaugstelle umfassen. Auch kann die Hülle eine luftdichte Hülle sein und innerhalb der Hülle ein Unterdruck gegenüber der Umgebung bestehen. In diesen Fällen kann ein Unterdruck innerhalb des Batteriezellpakets dauerhafte Kräfte zur Sicherstellung der Kontaktierungen bewirken.
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Alternativ oder zusätzlich kann zudem innerhalb der Hülle ein federelastisches Element wie insbesondere ein Schaumstoff oder eine Feder vorgesehen sein, um unter Bewirkung von Kräften auf die Hülle die Andruckkräfte der Kontaktierung zu bewirken. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Elastizität der Hülle als nicht ausreichend hoch für die dauerhafte Aufrechterhaltung der Andruckkräfte angesehen wird. So werden die Andruckkräfte zumindest ergänzend über das zusätzliche federelastische Element erzeugt.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn einzelne Batteriezellen des Batteriezellpakets flächig aneinander anliegen und dadurch eine Anlagefläche definieren. Zumindest ein Teil der Kontaktierung ist mit einem Abstand von mindestens 35% vom Rand der Anlagefläche beabstandet bevorzugt mindestens 20%, in Bezug auf die Gesamtlänge und/oder -breite der Anlagefläche. Da Batteriezellen, insbesondere beim Pouch-Typ, bei ihrer Alterung zu einer Bauchigkeit neigen, kann so sichergestellt werden, dass die Kontaktierung dort stattfindet, wo die Bauchigkeit auftritt. So unterstützt die bauchbildende Verformung der Batteriezellen die Bildung von Kräften, die die Kontaktierung(en) unterstützen.
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In bevorzugten Ausführungsformen werden Kontakte jeweils an Stirnseiten aus der Batteriezelle herausgeführt und sind U-förmig gebogen. Derartige Batteriezellen werden üblicherweise in großen Stückzahlen gefertigt, sind folglich leicht erhältlich, so dass diese Standardbauteile vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen.
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In einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellpakets wird eine Mehrzahl von Batteriezellen relativ zueinander positioniert, so dass elektrische Kontakte der Batteriezellen benachbart zueinander liegen. Dabei werden aber keine konstruktiven Maßnahmen getroffen, um einen dauerhaften elektrischen Kontakt der Kontakte sicherzustellen und nachfolgend wird eine Hülle um die zueinander ausgerichteten Batteriezellen aufgebracht, so dass über die Hülle Andruckkräfte auf die Batteriezellen bewirkt werden und dadurch werden die Kontakte in einem mechanischen und elektrischen Kontakt zueinander gehalten.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle,
- 2 eine Seitenansicht eines Batteriezellpakets als einem Stapel entsprechender Batteriezellen,
- 3 eine Batteriezelle gemäß einer alternativen Ausführungsform,
- 4 eine Seitenansicht einer veränderten Art der Bildung eines Batteriezellpakets,
- 5 eine alternative Ausführungsform des Batteriezellpakets mit einem elastischen Element,
- 6 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle und
- 7 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Effekts der Dickenänderung einer Batteriezelle in Abhängigkeit des Ladezustands und der Alterung.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Batteriezelle 10, die als eine Pouchzelle ausgeführt ist. Pouchzellen sind taschenförmige Batterieelemente, bei der die einzelnen Schichten der Batterie in einer „Tasche“ parallel zueinander ausgerichtet sind. Für die Kontaktierung führen zwei Kontakte 16 und 17 aus der Batteriezelle 10 heraus. In der Seitenansicht der 1 sind sie nur als Linie gezeigt. Jedoch zeigt 6, die eine gedrehte Ansicht der 1 ist, von oben, dass die Kontakte flächig ausgeführt sind. Diese können beispielsweise metallbeschichtete flexible Leiterbahnen sein. Die Kontakte 16 und 17 verlassen den Körper der Batteriezelle 10 an gegenüberliegenden Seiten, jedoch sind beliebige andere Ausführungsformen der Anordnung der Kontakte 16 und 17 möglich. Die Kontakte 16, 17 weisen jeweils U-förmige Biegungen auf, so dass die freien Enden parallel und bspw. oberhalb bzw. unterhalb des Körpers der Batteriezelle 10 liegen. Zur besseren Erkennbarkeit ist ein Abstand von den Kontakten 16 und 17 zum Körper der Batteriezelle 10 gezeigt, wobei bei der konkreten Ausführungsformen aufgrund der Kräfte, die nachfolgend noch erläutert werden, kein entsprechender Abstand besteht. Das Gleiche gilt für die gezeigten Abstände von Kontakten unterschiedlicher Batteriezellen in den nachfolgenden Figuren.
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2 zeigt ein Batteriezellpaket 20 aus acht einzelnen Batteriezellen 10, die direkt aufeinander gestapelt sind. Durch eine entsprechende Ausrichtung der Batteriezellen 10 wird sichergestellt, dass die Kontakte 16, 17 von benachbarten Batteriezellen 10 zueinander in einem elektrisch leitenden Kontakt stehen. Die außen liegenden Batteriezellen 10 stehen in einem leitenden Kontakt zu Anschlussleitern 18, die das Batteriezellpaket 20, das aus den gezeigten Batteriezellen 10 gebildet wird, elektrisch kontaktieren. Folglich ist hier eine Reihenschaltung der Batteriezellen 10 gezeigt, wobei aber auch eine Parallelschaltung oder eine kombinierte Parallel- und Reihenschaltung möglich ist, um so ein gewünschtes Leistungs- bzw. Spannungsprofil zu erhalten. Um die einzelnen Batteriezellen 10 herum ist eine Hülle 30 gezeigt. Durch diese Hülle 30 definiert sich das Batteriezellpaket 20.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann die Hülle 30 als eine Schrumpffolie ausgeführt sein. In einer ersten Variante dieser Ausführungsform kann ein Schrumpfschlauch der Länge I (siehe 6) um das Batteriezellpaket 20 gelegt werden und durch Wärmeeinwirkung so geschrumpft werden, dass er dicht anliegt. So werden die in 1 gezeigten Abstände zwischen der Hülle 30 und den Batteriezellen 10 verschwinden. Zudem liegen die Kontakte 16, 17 unterschiedlicher Batteriezellen 10 (anders als gezeigt) unmittelbar aneinander, so dass ein elektrischer Stromfluss ermöglicht wird. Bei herkömmlich bekannten Batteriezellpaketen wurden die einzelnen Batteriezellen mit Verbindungsmittel, wie z.B. Schweißen, oder Verschraubungen aneinander sicher befestigt. Um die Produktionskosten zu senken wird hier auf eine konstruktive Verbindung, die über eine kraftgestützte Verbindung, die über die Hülle 30 bewirkt wird, hinaus geht, verzichtet. Es wurde nämlich erkannt, dass insbesondere großflächige Kontakte, die lediglich durch die Hülle 30 zusammengedrückt werden, für eine sichere Stromübertragung ausreichend sind. Da das Batteriezellpaket 20 sowieso üblicherweise durch eine (folienartige) Hülle gegen die Umgebung geschützt werden muss, kann die Hülle 30 die Kontaktierungsaufgabe unmittelbar mit übernehmen.
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Es ist eine Eigenschaft von Batteriezellen, dass sie sich über die Lebensdauer in ihrem Volumen vergrößern und zum anderen nimmt bei jedem Ladevorgang das Volumen etwas zu und nimmt bei der Entladung wieder ab. Dieser Zusammenhang ist in 7 gezeigt. Von einem geringen Volumen zu Beginn der Lebensdauer, das in der 7 als Zelldicke bezeichnet wird, ist ein Band der Dickenänderungen gezeigt, dass über die Lebensdauer linear ansteigend ist und dabei, wie bereits beschrieben, bei jedem Ladezyklus eine gewisse Dickenschwankung der Batteriezelle aufweist. Die Hülle 30 ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gefertigt und hat eine gewisse Elastizität, die ausreichend groß ist, dass auch bei den ladezyklusabhängigen unterschiedlichen Dicken der Batteriezellen 10 stets eine ausreichende Andruckkraft besteht, so dass ein sicherer Stromfluss gewährleistet ist. Es existiert zudem der physikalische Effekt der Alterung, dass die Elastizität der Hülle 30 über ihre Lebensdauer etwas abnehmen kann. Dies kann sich als eine plastische, also dauerhafte Dehnung der Hülle ausdrücken. Dieser Effekt, der prinzipiell negativ ist, wird dadurch kompensiert, dass die Dicke der Batteriezellen 10 über die Lebensdauer zunimmt (siehe dazu 7). So wird bis zum Ende der Lebensdauer eine ausreichende Andruckkraft für die Kontaktierung 15 ermöglicht.
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In einer zweiten Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 kann die Umhüllung 30 als eine Folie hermetisch bzw. luftdicht um das Batteriezellpaket 20 gelegt sein und über eine Vakuumsaugstelle 35 kann bei der Herstellung des Batteriezellpakets 20 die dort enthaltene Luft abgesaugt werden. So sorgt der in dem Batteriezellpaket 20 erzeugte Unterdruck dafür, dass die Umhüllung sich unmittelbar an die Batteriezellen 10 legt und diese zueinander komprimiert und dadurch einen Druck auf die Kontaktierung 15 erzeugt. In der zweiten Variante kann eine beliebige luftundurchlässige Folie zum Einsatz kommen. Auch sind die beiden genannten Varianten miteinander verbindbar, so dass in einer Schrumpffolie ein Vakuum/Unterdruck erzeugt, bzw. dauerhaft sichergestellt wird.
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In einer dritten Variante (nicht dargestellt) kann die Hülle 30 durch eine Umwicklung mit einer Stretchfolie erzeugt werden. Dies heißt, eine Folie mit einer hohen Elastizität wird unter Aufbringung von Axialkräften um das Paket der Batteriezellen 10 gewickelt und hierüber werden dauerhafte hohe Kräfte auf die Kontaktierungen bewirkt. Die Stretchfolie kann zudem ergänzend mit einer zusätzlichen Schrumpffolie zum Einsatz kommen.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Batteriezelle 10, bei der die Kontakte 16 und 17 an den großflächigen Außenseiten der Batteriezelle 10 integriert sind. Diese können (anders als schematisch gezeigt) auch ein unmittelbarer oder einstückiger Teil der Oberfläche der Batteriezelle sein. Die Batteriezelle 10 kann entsprechend an diesen Stellen leitend ausgestaltet sein. Dies erleichtert das Stapeln, da dabei nicht auf die Orientierung der freien Enden von Kontakten 16, 17 (gemäß 1) geachtet werden muss.
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4 zeigt eine Alternative der Bildung eines Batteriezellpakets, bei dem die Batteriezellen 10 hintereinander angeordnet sind. Auch sind kombinierte Anordnungen einer Parallel- und Hintereinander-Anordnung möglich. Auch können zusätzliche Messleiter 19 an einer oder mehreren Kontaktierungen verwendet werden, um sicherzustellen, dass innerhalb des Batteriezellpakets 20 die Spannungspotentiale korrekt sind. Diese Messleiter 19 können ebenfalls ausschließlich durch Andruckkräfte an ihrem Ort gehalten werden. Alternativ können diese Messleiter gesondert befestigt werden, z.B. verschweißt, damit sie sich beim nachfolgenden Aufbringen der Umhüllung 30 nicht verschieben.
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5 zeigt eine weitere Alternative des Batteriezellpakets 20, die auch mit den vorstehend beschriebenen Varianten kombinierbar ist. Dabei ist im Batteriezellpaket 20 ein federelastisches Element 40 integriert. Dies kann bspw. ein Schaumstoff sein. Bei der Herstellung des Batteriezellpakets wird der Schaumstoff durch externe Kräfte, wie z.B. eine Einspannung, komprimiert und behält über seine Lebensdauer seine Elastizität, so dass stets eine innere Verspannung im Batteriezellpaket 20 besteht, die die Batteriezellen 10 gegen die Hülle 30 drückt. Das federelastische Element 40 stellt so die Kontaktierung(en) 15 sicher. In einer bevorzugten Variante ist das federelastische Element in einer innenliegenden Schicht des Batteriezellpakets 20 angeordnet, damit die geringe Wärmeleitfähigkeit eines Schaums die Ableitung von Verlustwärme aus den Batteriezellen 10 nicht behindert. Alternativ können als federelastisches Element 40 beliebige Elemente verwendet werden, die zumindest lokal, bevorzugt aber flächig, dauerhaft mechanische Verformungsenergie speichern können, wie z.B. ein welliges metallisches (oder sonstiges nicht-metallisches) Blech oder ein entsprechendes Formteil.
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6 erläutert eine bevorzugte Lage der Kontaktierung. Bei der alterungs- oder ladezustandsabhängigen Volumenvergrößerung der Pouch der Batteriezelle 10 wird an der großflächigen Oberfläche, die in 6 gezeigt ist, eine Aufwölbung entstehen. Diese ist bevorzugt mittig. D.h., dass nur dort, wo die rechteckig schraffierte Fläche gezeigt ist, bei einer gewissen Alterung der Batteriezellen 10 ein mechanischer Kontakt (also Aufeinanderliegen) der Batteriezellen zueinander besteht. An den Bereichen, die in 6 links und rechts der schraffierten Fläche liegen, kann u.U. ein gewisses Abheben auftreten. Das heißt, dass die Kontakte 16 und 17 so lang sein sollen, dass sie in den schraffierten Bereich kommen. Es wurde erkannt, dass für einen sicheren dauerhaften Kontakt die Kontaktierungen (auch) in einem Bereich liegen sollen, der zumindest 35% der Länge I der Batteriezelle vom jeweiligen Ende der Batteriezelle 10 entfernt liegt. Anders gesagt: In einem mittleren Bereich von ca. 40% der Länge der Batteriezelle 10 müssen die Kontakte 16, 17 benachbarter Batteriezellen liegen. Bei anderen Ausführungsformen kann gefordert sein, dass der genannte Abstand statt 20% mindestens 30% beträgt, um so eine höhere Sicherheit der Kontaktierung zu gewährleisten.
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Bei dem Verfahren der Herstellung des Batteriezellpakets 20 wird zunächst eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 relativ zueinander so ausgerichtet, dass Kontakte 16, 17 zueinander für die Übertragung eines Stroms ausgerichtet sind. Dabei kann ggf. ein Biegen der Kontakte 16, 17 erforderlich sein. Es werden aber keine Maßnahmen ergriffen, dass dabei die Kontakte 16, 17 dauerhaft zueinander befestigt oder dauerhaft positioniert werden. Nachfolgend wird eine Hülle 30 aufgebracht, die eine Folie sein kann. Im Fall einer Schrumpffolie kann über eine thermische Erwärmung die Folie erweicht werden, so dass mechanische Verspannungen der Folie gelöst werden, die Folie sich zusammenziehen kann und die Folie zudem mit Spannkräften um das Paket der Batteriezellen 10 anliegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Hülle 30 luftdicht sein und in ihr kann ein Unterdruck/Vakuum erzeugt und über die Lebensdauer dauerhaft gehalten werden, so dass über den Unterdruck Kräfte zur Sicherstellung der Kontaktierung 15 gewährleistet sind. Alternativ oder zusätzlich kann im Paket der Batteriezellen 10 ein federelastisches Element 40 integriert sein, das bei der Herstellung des Batteriezellpakets 20 komprimiert wird, so dass es innerhalb der Umhüllung 30 dauerhaft eine mechanische Verspannung bewirkt.
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Während die Erfindung vorstehend für Pouch-förmige Zellen erläutert wurde, so ist sie ebenfalls für andere Zellformen, wie zylindrische oder prismatische Zellen verwendbar. Wie vorstehend bereits erwähnt, so werden Merkmale, die bei nur einer Ausführungsform (oder Variante) erläutert wurden, auch für andere Ausführungsformen als verwendbar angesehen, sofern keine konstruktiven Hindernisse dies verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezelle
- 15
- Kontaktierung
- 16, 17
- Kontakt
- 18
- Anschlussleiter
- 19
- Messleiter
- 20
- Batteriezellpaket
- 30
- Hülle
- 35
- Vakuumsaugstelle
- 40
- federelastisches Element
