DE102020108018A1 - Battery module for a vehicle battery, battery and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Fahrzeugbatterie, eine entsprechende Batterie und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Als Teil des Batteriemoduls ist dabei eine Schutzanordnung zum Reduzieren einer mechanischen Belastung von Batteriezellen in einer Belastungsrichtung bei einem Aufprall vorgesehen. Die Schutzanordnung kann wenigstens eine in der Belastungsrichtung verlaufende Versteifungsstrebe umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen angeordnete Rahmenteile miteinander verbindet. Ebenso kann die Schutzanordnung eine Vertiefung in einem Modulrahmen des Batteriemoduls umfassen. In diese Vertiefung ist dabei ein Zellverbinder eingelassen, der elektrische Pole von wenigstens zwei der Batteriezellen miteinander verbindet. Der Modulrahmen ragt dabei entgegen der Belastungsrichtung über den Zellverbinder hinaus.The invention relates to a battery module for a vehicle battery, a corresponding battery and a motor vehicle equipped therewith. As part of the battery module, a protective arrangement for reducing mechanical loading of battery cells in one loading direction in the event of an impact is provided. The protective arrangement can comprise at least one stiffening strut running in the loading direction, which connects frame parts arranged on opposite sides of the battery cells to one another. The protective arrangement can also comprise a recess in a module frame of the battery module. A cell connector, which connects the electrical poles of at least two of the battery cells to one another, is embedded in this recess. The module frame protrudes over the cell connector against the direction of load.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Fahrzeugbatterie, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs oder einen Hochvoltspeicher. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie oder einem entsprechenden Batteriemodul.The present invention relates to a battery module for a vehicle battery, in particular for a traction battery of a motor vehicle or a high-voltage storage device. The invention further relates to a corresponding battery for a motor vehicle and a motor vehicle with such a battery or a corresponding battery module.
Gerade im Fahrzeugbereich wird eine zunehmende Umstellung von herkömmlichen verbrennungsmotorischen Antrieben auf elektrische beziehungsweise batteriebasierte Antriebe angestrebt. Die dazu verwendeten Fahrzeugbatterien bergen jedoch ein nicht vernachlässigbares Risikopotenzial bei Unfällen. Dabei kann insbesondere eine Beschädigung einzelner Batteriezellen der jeweiligen Batterie problematisch sein. Beispielsweise können bei entsprechender mechanischer Belastung oder Beaufschlagung der Batteriezellen Kurzschlüsse ausgelöst werden und/oder reaktive Elektrolyte austreten.In the vehicle sector in particular, efforts are being made to increasingly switch from conventional internal combustion engine drives to electric or battery-based drives. The vehicle batteries used for this, however, harbor a non-negligible risk potential in the event of accidents. In particular, damage to individual battery cells of the respective battery can be problematic. For example, short circuits can be triggered and / or reactive electrolytes can escape when the battery cells are subjected to a corresponding mechanical load.
Vor diesem Hintergrund sind Maßnahmen wünschenswert, durch welche die Batteriezellen vor einer übermäßigen mechanischen Belastung in einem Unfallszenario, also bei einem Aufprall oder Crash, geschützt werden können. Dazu wird beispielsweise in der
Als ein weiterer Ansatz ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Aufpralltoleranz eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren angegeben.The object of the present invention is to achieve an improved impact tolerance of an electrical energy store for a motor vehicle. According to the invention, this object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous configurations and developments of the present invention are specified in the dependent claims, in the description and in the figures.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul für eine Fahrzeugbatterie umfasst mehrere Batteriezellen, einen Zell- oder Modulrahmen, an dem die Batteriezellen befestigt oder gehalten sind, und eine Schutzanordnung zum Reduzieren einer mechanischen Belastung der Batteriezellen zumindest in einer Belastungsrichtung bei einem Aufprall, also insbesondere bei einem Crash oder einem Unfall eines mit dem Batteriemodul beziehungsweise der Fahrzeugbatterie ausgestatteten Kraftfahrzeugs. Die Fahrzeugbatterie kann dabei mehrere derartige Batteriemodule aufweisen. Ebenso kann das Batteriemodul jedoch zumindest im Wesentlichen die Fahrzeugbatterie bilden oder als eigenständiger elektrischer Energiespeicher verwendet werden. In allen diesen Fällen kann das erfindungsgemäße Batteriemodul zu einer verbesserten Aufpralltoleranz, also zu einer verbesserten Sicherheit im Crashfall beitragen.The battery module according to the invention for a vehicle battery comprises several battery cells, a cell or module frame on which the battery cells are attached or held, and a protective arrangement for reducing mechanical loading of the battery cells at least in one loading direction in the event of an impact, i.e. in particular in the event of a crash or a crash Accident in a motor vehicle equipped with the battery module or the vehicle battery. The vehicle battery can have several such battery modules. Likewise, however, the battery module can at least essentially form the vehicle battery or can be used as an independent electrical energy store. In all of these cases, the battery module according to the invention can contribute to improved impact tolerance, that is to say to improved safety in the event of a crash.
Dazu umfasst die Schutzanordnung in einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Batteriemoduls wenigstens eine in der Belastungsrichtung verlaufende Versteifungsstrebe, die einen ersten Rahmenteil des Modulrahmens mit einem zweiten Rahmenteil des Modulrahmens verbindet. Die beiden Rahmenteile des Modulrahmens sind dabei an einander gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen angeordnet. Die wenigstens eine Versteifungsstrebe kann insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zu den Batteriezellen, also zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Seite oder Außenseite der Batteriezellen verlaufen. Bevorzugt kann also eine Haupt- oder Längserstreckungsrichtung der Versteifungsstrebe parallel zu einer Längserstreckungsrichtung oder einer Symmetrieachse der Batteriezellen angeordnet sein.For this purpose, in a first variant of the battery module according to the invention, the protective arrangement comprises at least one stiffening strut running in the loading direction, which connects a first frame part of the module frame to a second frame part of the module frame. The two frame parts of the module frame are arranged on opposite sides of the battery cells. The at least one stiffening strut can in particular run at least substantially parallel to the battery cells, that is to say at least substantially parallel to one side or outside of the battery cells. A main or longitudinal direction of extent of the stiffening strut can therefore preferably be arranged parallel to a longitudinal direction of extent or an axis of symmetry of the battery cells.
In einer - zusätzlichen oder alternativen - zweiten Variante des erfindungsgemäßen Batteriemoduls umfasst die Schutzanordnung wenigstens eine Vertiefung oder Ausnehmung in dem Modulrahmen, in die ein Zellverbinder eingelassen ist, der wenigstens zwei der Batteriezellen an einer Polseite elektrisch miteinander verbindet. Der Modulrahmen ragt dabei neben der Vertiefung in oder entgegen der Belastungsrichtung zumindest bereichsweise oder abschnittsweise über den Zellverbinder hinaus. Der Zellverbinder bildet mit anderen Worten also insbesondere in der Belastungsrichtung nicht ein am weitesten von einem Mittelpunkt des Batteriemoduls entfernt liegendes Bauteil. Dadurch kann ein in der Belastungsrichtung auf das Batteriemodul auftreffender Impaktor zuerst mit dem Modulrahmen in Kontakt kommen, sodass eine direkte Beaufschlagung des Zellverbinders vermieden oder abgeschwächt werden kann. Da der Zellverbinder notwendigerweise in unmittelbarem Kontakt mit den Batteriezellen steht, kann dadurch vorteilhaft die mechanische Belastung der Batteriezellen bei einem Aufprall oder Unfall vermieden oder reduziert oder zumindest auf eine größere Fläche verteilt werden. Durch ein Vermeiden einer punktuellen Belastung der Batteriezellen kann vorteilhaft das Risiko einer Beschädigung der Batteriezellen reduziert werden. Dies kann vorliegend dadurch erreicht werden, dass eine Auflagefläche des Modulrahmens auf den Batteriezellen größer sein kann als eine Auflagefläche des Zellverbinders auf den Batteriezellen. Zudem kann durch die hier vorgeschlagene in dem Modulrahmen versenkte Anordnung des Zellverbinders ein Beschädigungsrisiko des Zellverbinders reduziert werden. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit dafür erhöht werden, dass das Batteriemodul auch während oder nach dem jeweiligen Aufprall funktionsfähig bleibt. Somit kann das Batteriemodul dann also vorteilhaft auch während des Aufpralls oder nach dem Aufprall mit höherer Wahrscheinlichkeit Energie bereitstellen, beispielsweise für weitere Sicherungs- oder Hilfsmaßnahmen.In an - additional or alternative - second variant of the battery module according to the invention, the protective arrangement comprises at least one depression or recess in the module frame, into which a cell connector is inserted, which electrically connects at least two of the battery cells to one another on one pole side. The module frame protrudes next to the recess in or against the loading direction, at least in some areas or in sections beyond the cell connector. In other words, the cell connector does not form a component located farthest from a center point of the battery module, in particular in the loading direction. As a result, an impactor hitting the battery module in the loading direction can first come into contact with the module frame, so that a direct Acting on the cell connector can be avoided or weakened. Since the cell connector is necessarily in direct contact with the battery cells, the mechanical load on the battery cells in the event of a collision or accident can thereby advantageously be avoided or reduced or at least distributed over a larger area. By avoiding punctual loading of the battery cells, the risk of damage to the battery cells can advantageously be reduced. In the present case, this can be achieved in that a contact surface of the module frame on the battery cells can be larger than a contact surface of the cell connector on the battery cells. In addition, the recessed arrangement of the cell connector in the module frame proposed here can reduce the risk of damage to the cell connector. This can increase the likelihood that the battery module will also remain functional during or after the respective impact. The battery module can thus advantageously also provide energy during the impact or after the impact with a higher probability, for example for further safety or auxiliary measures.
Durch die gemäß der ersten Variante des erfindungsgemäßen Batteriemoduls vorgesehene Versteifungsstrebe kann ebenso vorteilhaft bei dem Aufprall auf das Batteriemodul einwirkende Kraft oder Energie aufgenommen werden und abgeleitet werden. Diese Kraft oder Energie wirkt damit nicht auf die Batteriezellen ein, sodass das Risiko einer Beschädigung der Batteriezellen reduziert werden kann. Die Versteifungsstrebe kann dies vorteilhaft erreichen, ohne dass ein vollständig geschlossenes, entsprechend stabiles und damit schweres Gehäuse des Batteriemoduls vorgesehen werden müsste. Dadurch kann vorteilhaft eine verbesserte Aufpralltoleranz und somit eine verbesserte Sicherheit des Batteriemoduls beziehungsweise der entsprechenden Fahrzeugbatterie bei gleichzeitig gegenüber herkömmlichen Vollgehäusen reduziertem Gewicht und somit verbesserter Wirtschaftlichkeit des Batteriemoduls erreicht werden. Bevorzugt können mehrere Versteifungsstreben vorgesehen sein, die die Batteriezellen an einer oder mehreren Seiten käfigartig umgeben können. Dadurch können die Versteifungsstreben die Batteriezellen nicht nur in der Belastungsrichtung entlasten, sondern auch vor mechanischen Einwirkungen in einer senkrecht zu der Belastungsrichtung stehenden Richtung schützen.The stiffening strut provided according to the first variant of the battery module according to the invention can also advantageously absorb and dissipate force or energy acting upon the impact on the battery module. This force or energy therefore does not act on the battery cells, so that the risk of damage to the battery cells can be reduced. The stiffening strut can advantageously achieve this without a completely closed, correspondingly stable and therefore heavy housing of the battery module having to be provided. As a result, an improved impact tolerance and thus an improved safety of the battery module or the corresponding vehicle battery can advantageously be achieved with, at the same time, reduced weight compared to conventional full housings and thus improved economic efficiency of the battery module. A plurality of stiffening struts can preferably be provided, which can surround the battery cells in a cage-like manner on one or more sides. As a result, the stiffening struts can not only relieve the battery cells in the loading direction, but also protect them from mechanical effects in a direction perpendicular to the loading direction.
Besonders bevorzugt können die beiden beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beziehungsweise von dessen Schutzanordnung miteinander kombiniert werden. Dabei kann die Belastungsrichtung, die der Längserstreckung- oder Abstützrichtung der wenigstens einen Versteifungsstrebe entspricht, bevorzugt senkrecht zu der Polseite, also zu einer Seite oder Oberfläche der Batteriezellen, an der die mittels des Zellverbinders elektrisch verbundenen Pole der Batteriezellen angeordnet sind, stehen.The two described variants of the battery module according to the invention or of its protective arrangement can particularly preferably be combined with one another. The loading direction, which corresponds to the longitudinal extension or support direction of the at least one stiffening strut, can preferably be perpendicular to the pole side, i.e. to a side or surface of the battery cells on which the poles of the battery cells that are electrically connected by means of the cell connector are arranged.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet der Modulrahmen eine äußere Begrenzung des Batteriemoduls und ist nur durch die beiden Rahmenteile gebildet. Der Modulrahmen kann also insbesondere wenigstens eine Außenwand des Batteriemoduls bilden. Insbesondere können die beiden Rahmenteile nicht direkt, also beispielsweise nur durch die Batteriezellen oder gegebenenfalls zusätzlich durch die wenigstens eine Versteifungsstrebe miteinander verbunden sein. Die beiden Rahmenteile stehen dann also nicht in direktem oder unmittelbarem, sondern nur in indirektem oder mittelbarem, also durch wenigstens ein weiteres Bauteil vermitteltem mechanischen Kontakt miteinander. Der Modulrahmen kann das einzige die Batteriezellen umgebende Gehäuse bilden, sodass das Batteriemodul also kein zusätzliches oder weiteres Gehäuse aufweist, das die Batteriezellen und/oder den Modulrahmen umgibt. Der erste Rahmenteil kann beispielsweise an einer Unterseite der Batteriezellen anliegen, während der zweite Rahmenteil an einer gegenüberliegenden Oberseite der Batteriezellen anliegen kann. Die Batteriezellen können beispielsweise an die Rahmenteile angeklebt oder auf sonstige Weise mit den Rahmenteilen verbunden sein. Von der Oberseite und der Unterseite der Batteriezellen verschiedene Seiten der Batteriezellen können dann nicht oder nur bereichsweise an jeweiligen an die Ober- beziehungsweise Unterseite anschließenden Endbereichen durch den Modulrahmen beziehungsweise die Rahmenteile abgedeckt sein. Auf diese Weise kann der Modulrahmen und damit das Batteriemodul insgesamt vorteilhaft besonders kompakt und leicht aufgebaut werden, wobei die Sicherheit und Belastungstoleranz des Batteriemoduls gleichzeitig durch die Schutzanordnung sichergestellt wird.In an advantageous embodiment of the present invention, the module frame forms an outer boundary of the battery module and is formed only by the two frame parts. The module frame can therefore in particular form at least one outer wall of the battery module. In particular, the two frame parts cannot be connected to one another directly, that is to say, for example, only by the battery cells or possibly additionally by the at least one stiffening strut. The two frame parts are then not in direct or immediate, but only in indirect or indirect mechanical contact with one another, that is to say through at least one further component. The module frame can form the only housing surrounding the battery cells, so that the battery module does not have any additional or further housing that surrounds the battery cells and / or the module frame. The first frame part can, for example, rest against an underside of the battery cells, while the second frame part can rest against an opposite upper side of the battery cells. The battery cells can, for example, be glued to the frame parts or connected to the frame parts in some other way. Sides of the battery cells that differ from the top and bottom of the battery cells can then not be covered by the module frame or the frame parts, or only in areas at the respective end areas adjoining the top or bottom. In this way, the module frame and thus the battery module as a whole can advantageously be constructed particularly compactly and easily, the safety and load tolerance of the battery module being ensured at the same time by the protective arrangement.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Batteriemodul mehrere Versteifungsstreben auf, wobei wenigstens eine Versteifungsstrebe an einem Randbereich der Rahmenteile ansetzt und außenseitig der Batteriezellen verläuft. Diese außenseitig verlaufende Versteifungsstrebe ist also auf einer von einem Mittelpunkt des Batteriemoduls abgewandten Seite der Batteriezellen angeordnet. Wenigstens eine andere weitere Versteifungsstrebe setzt an einem Zentralbereich der Rahmenteile an und verläuft zwischen den Batteriezellen. Diese zwischen den Batteriezellen verlaufende Versteifungsstrebe ist also - anders als die außen- oder randseitige Versteifungsstrebe - in beiden senkrecht zu der Belastungsrichtung beziehungsweise der Längserstreckungsrichtung der Versteifungsstrebe stehenden Richtungen jeweils beidseitig von Batteriezellen umgeben. Durch diese Anordnung der Versteifungsstreben kann vorteilhaft eine verbesserte Abstützung, also eine verbesserte Entlastung der Batteriezellen im Crashfall und somit eine verbesserte Sicherheit des Batteriemoduls erreicht werden, da die Batteriezellen auch dann nicht mechanisch belastet oder beaufschlagt werden, wenn sich eines der Rahmenteile in der Belastungsrichtung in seinem Zentralbereich durch die Aufprallbelastung durchbiegt beziehungsweise ohne die zentrale oder mittlere Versteifungsstrebe durchbiegen würde. Dadurch kann das Batteriemodul vorteilhaft ohne eingeschränkte Sicherheit besonders groß ausgebildet werden, also eine besonders große Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere ohne dass die Rahmenteile dabei eine entsprechend vergrößerte Biegesteifigkeit aufweisen müssten. Insbesondere bei der Verwendung von zylindrischen Rundzellen bestehen zwischen den Batteriezellen ohnehin Leer- oder Zwischenräume, in denen die wenigstens eine mittlere oder zentrale Versteifungsstrebe dann angeordnet sein kann. Durch die mittlere oder zentrale Versteifungsstrebe wird dann also eine Größe des Batteriemoduls insgesamt nicht erhöht, sodass vorteilhaft eine - relativ zu seiner Sicherheit oder Aufpralltoleranz - besonders kompakte Bauweise des Batteriemoduls realisiert werden kann.In a further advantageous embodiment of the present invention, the battery module has a plurality of stiffening struts, at least one stiffening strut attaching to an edge region of the frame parts and extending on the outside of the battery cells. This stiffening strut running on the outside is therefore arranged on a side of the battery cells facing away from a center point of the battery module. At least one other additional stiffening strut is attached to a central area of the frame parts and runs between the battery cells. This stiffening strut running between the battery cells is therefore - unlike the outer or edge-side stiffening strut - surrounded on both sides by battery cells in both directions perpendicular to the loading direction or the longitudinal direction of extension of the stiffening strut. This arrangement of the stiffening struts can be advantageous Improved support, i.e. improved relief of the battery cells in the event of a crash, and thus improved safety of the battery module can be achieved, since the battery cells are not mechanically loaded or acted upon even if one of the frame parts in the load direction in its central area bends due to the impact load or without the central or middle stiffening strut would deflect. As a result, the battery module can advantageously be made particularly large without restricted safety, that is to say have a particularly large cross-sectional area, in particular without the frame parts having to have a correspondingly increased flexural rigidity. Particularly when cylindrical round cells are used, there are empty spaces or spaces between the battery cells, in which the at least one middle or central stiffening strut can then be arranged. The middle or central stiffening strut then does not increase the size of the battery module overall, so that a particularly compact design of the battery module can advantageously be implemented relative to its safety or impact tolerance.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Modulrahmen aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Weiter ist dann die wenigstens eine Versteifungsstrebe, soweit oder sofern sie als Teil der Schutzanordnung vorgesehen ist, zumindest teilweise aus einem unidirektional faserverstärkten Kunststoffmaterial gefertigt und/oder durch einen kunststoffummantelten Metallkern gebildet. Durch die Verwendung entsprechender Kunststoffmaterialien kann vorteilhaft zum einen Gewicht eingespart werden. Zum anderen kann das Kunststoffmaterial vorteilhaft eine elektrisch isolierende Wirkung haben, also zur elektrischen Sicherheit des Batteriemoduls aufweisen. Dadurch können auch dann, wenn es durch den Aufprall zu Verschiebungen oder Relativbewegungen von Bauteilen des Batteriemoduls kommt, vorteilhaft Kurzschlüsse oder elektrische Überschläge zwischen Bauteilen des Batteriemoduls oder zwischen dem Batteriemodul und umgebenden Bauteilen vermieden werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the module frame is made of a plastic material. Furthermore, the at least one stiffening strut, insofar as or insofar as it is provided as part of the protective arrangement, is at least partially manufactured from a unidirectional fiber-reinforced plastic material and / or formed by a plastic-coated metal core. By using appropriate plastic materials, on the one hand, weight can advantageously be saved. On the other hand, the plastic material can advantageously have an electrically insulating effect, that is to say for the electrical safety of the battery module. As a result, even if the impact leads to displacements or relative movements of components of the battery module, short circuits or electrical flashovers between components of the battery module or between the battery module and surrounding components can advantageously be avoided.
Zur unidirektionalen Verstärkung des Kunststoffmaterials der Versteifungsstrebe in der Belastungsrichtung kann die Belastungsrichtung als Vorzugsrichtung zur Ausrichtung der eingebetteten Fasern dienen. Anstelle einer homogenen oder zufälligen Ausrichtung der Fasern können diese also bevorzugt oder zumindest im Wesentlichen in der Belastungsrichtung erstreckt sein. Zudem können im Vergleich zu herkömmlichen homogenen oder isotropen Fasergeflechten relativ lange Fasern verwendet werden. Dadurch kann ohne zusätzlichen Gewichtsaufwand die Belastbarkeit oder Stabilität der Versteifungsstrebe in der Belastungsrichtung vergrößert werden. Auch durch den Metallkern kann gegebenenfalls eine Belastbarkeit oder Stabilität der Versteifungsstrebe in der Belastungsrichtung vorteilhaft vergrößert werden, sodass die Batteriezellen besonders zuverlässig vor einer mechanischen Beaufschlagung geschützt werden können.For unidirectional reinforcement of the plastic material of the stiffening strut in the loading direction, the loading direction can serve as the preferred direction for aligning the embedded fibers. Instead of a homogeneous or random alignment of the fibers, they can therefore preferably or at least essentially extend in the direction of loading. In addition, relatively long fibers can be used compared to conventional homogeneous or isotropic fiber braids. As a result, the load-bearing capacity or stability of the stiffening strut in the loading direction can be increased without additional weight expenditure. The metal core can also advantageously increase the load-bearing capacity or stability of the stiffening strut in the loading direction, so that the battery cells can be protected particularly reliably against mechanical loading.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Batteriezellen zylindrische Rundzellen, wobei eine Längserstreckungsrichtung der Versteifungsstrebe, in der diese die beiden Rahmenteile des Modulrahmens miteinander verbindet, parallel zu einer Zylindermittellängsachse der Rundzylinder ausgerichtet ist. Die wenigstens eine Versteifungsstrebe weist dabei einen zumindest im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Auf diese Weise kann ein zwischen den Rundzellen freibleibender Bauraum durch die Versteifungsstrebe besonders effizient ausgefüllt werden. Dadurch kann also ohne zusätzlichen Bauraumbedarf des Batteriemoduls insgesamt vorteilhaft eine besonders große Querschnittsfläche der Versteifungsstrebe erreicht werden, was vorteilhaft wiederum zu einer verbesserten Stabilität oder Steifigkeit der Versteifungsstrebe und somit einer verbesserten Aufpralltoleranz und Sicherheit des Batteriemoduls führen oder beitragen kann. Für eine weiter verbesserte Bauraumausnutzung können jeweils einer der Rundzellen zugewandte Seitenflächen der Versteifungsstrebe gemäß einer Krümmung oder Wölbung der Rundzellen nach innen gewölbt sein, sodass die Versteifungsstrebe die jeweilige Rundzelle bereichsweise umgreifen, also der Außenwölbung der Rundzelle zumindest bereichsweise folgen kann.In a further advantageous embodiment of the present invention, the battery cells are cylindrical round cells, a longitudinal direction of extent of the stiffening strut, in which it connects the two frame parts of the module frame, is aligned parallel to a cylinder center longitudinal axis of the round cylinder. The at least one stiffening strut has an at least substantially triangular cross section. In this way, an installation space that remains free between the round cells can be filled particularly efficiently by the stiffening strut. As a result, a particularly large cross-sectional area of the stiffening strut can advantageously be achieved overall without additional installation space requirement of the battery module, which in turn advantageously leads or can contribute to improved stability or rigidity of the stiffening strut and thus improved impact tolerance and safety of the battery module. For a further improved utilization of the installation space, in each case one of the side surfaces of the stiffening strut facing the round cells can be curved inwards according to a curvature or arching of the round cells, so that the stiffening strut encompasses the respective round cell in areas, i.e. can follow the outer arching of the round cell at least in some areas.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schutzanordnung ein plattenförmiges Abdeckelement, das die Batteriezellen in einem Bereich zwischen den Rahmenteilen nach außen hin abdeckt. Die Versteifungsstrebe verläuft dabei entlang dieses Abdeckelements, ist also an diesem angeordnet, insbesondere auf einer den Batteriezellen zugewandten Innenseite. Das Abdeckelement und die wenigstens eine Versteifungsstrebe können dabei einteilig oder einstückig ausgebildet sein. Dadurch kann vorteilhaft besonders zuverlässig vermieden werden, dass sich die Versteifungsstrebe, beispielsweise als Folge einer durch den Aufprall verursachten Verformung oder Belastung, von dem Abdeckelement löst. Ebenso können das Abdeckelement und die wenigstens eine Versteifungsstrebe aber separate Bauteile sein, wodurch vorteilhaft gegebenenfalls ein Herstellungs- oder Fertigungsaufwand reduziert werden kann. Die Versteifungsstrebe kann dann beispielsweise mit dem Abdeckelement verklebt oder verschraubt sein. Durch das Abdeckelement kann vorteilhaft zum einen die Stabilität oder Steifigkeit des Batteriemoduls in der Belastungsrichtung, die hier in einer Haupterstreckungsebene des Abdeckelements verlaufen kann, vergrößert werden. Zum anderen werden die Batteriezellen durch das Abdeckelement vorteilhaft besonders zuverlässig auch vor mechanischen Beaufschlagungen senkrecht zu der Belastungsrichtung geschützt. Das Abdeckelement kann dabei zumindest bereichsweise eine Außenwand des Batteriemoduls bilden, sodass vorteilhaft also kein zusätzliches Gehäuse vorgesehen werden muss. Da erfahrungsgemäß bei einem Aufprall auf das Batteriemodul beziehungsweise die Fahrzeugbatterie auftreffende Impaktoren flächig erstreckt sind, also nicht nadelartig sind und nicht nur eine punktuelle Belastung hervorrufen, muss das Abdeckelement die Batteriezellen vorteilhaft nicht vollflächig abdecken. Beispielsweise kann also eine Ausdehnung des Abdeckelements geringer als eine Ausdehnung des Batteriemoduls sein und/oder das Abdeckelement kann eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen, deren Größe oder Durchmesser kleiner als eine - beispielsweise experimentell bestimmte - Aufprall- oder Kontaktfläche eines typischen Impaktors auf der Fahrzeugbatterie oder dem Batteriemodul sein kann. Dadurch kann bei zumindest im Wesentlichen gleicher Sicherheits- oder Schutzwirkung vorteilhaft Gewicht und Material eingespart werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the protective arrangement comprises a plate-shaped cover element which covers the battery cells towards the outside in an area between the frame parts. The stiffening strut runs along this cover element, that is to say is arranged on it, in particular on an inside facing the battery cells. The cover element and the at least one stiffening strut can be designed in one piece or in one piece. As a result, it can advantageously be avoided in a particularly reliable manner that the stiffening strut becomes detached from the cover element, for example as a result of a deformation or load caused by the impact. Likewise, the cover element and the at least one stiffening strut can also be separate components, whereby manufacturing or manufacturing costs can advantageously be reduced if necessary. The stiffening strut can then, for example, be glued or screwed to the cover element. On the one hand, the cover element can advantageously increase the stability or rigidity of the battery module in the loading direction, which here can run in a main plane of extent of the cover element, be enlarged. On the other hand, the battery cells are advantageously protected particularly reliably against mechanical impacts perpendicular to the loading direction by the cover element. The cover element can form an outer wall of the battery module, at least in some areas, so that advantageously no additional housing has to be provided. Since experience has shown that impactors that strike the battery module or the vehicle battery are flat, that is, they are not needle-like and not only cause punctual loading, the cover element advantageously does not have to cover the entire surface of the battery cells. For example, an expansion of the cover element can be less than an expansion of the battery module and / or the cover element can have one or more recesses whose size or diameter is smaller than a - for example, experimentally determined - impact or contact surface of a typical impactor on the vehicle battery or the Battery module can be. As a result, weight and material can advantageously be saved with at least essentially the same safety or protective effect.
Durch die Anordnung der wenigstens einen Versteifungsstrebe auf der den Batteriezellen zugewandten Innenseite des Abdeckelements kann das Batteriemodul vorteilhaft besonders einfach mit einer ebenen oder glatten Außenseite ausgebildet werden, wodurch es vorteilhaft besonders bauraumsparend verbaut werden kann, beispielsweise in der Fahrzeugbatterie oder dem Kraftfahrzeug. Die Versteifungsstrebe kann dabei auch hier besonders vorteilhaft zwischen den Batteriezellen gegebenen Bauraum ausnutzen beziehungsweise ausfüllen.By arranging the at least one stiffening strut on the inside of the cover element facing the battery cells, the battery module can advantageously be designed in a particularly simple manner with a flat or smooth outside, whereby it can advantageously be installed in a particularly space-saving manner, for example in the vehicle battery or the motor vehicle. Here too, the stiffening strut can particularly advantageously utilize or fill the installation space provided between the battery cells.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Zellverbinder nach außen hin zumindest größtenteils durch eine Abdeckung überdeckt, die Teil des Modulrahmens oder an dem Modulrahmen abgestützt ist. Dadurch kann vorteilhaft eine mechanische Beaufschlagung des Zellverbinders und damit indirekt der Batteriezellen auch dann besonders zuverlässig vermieden werden, wenn ein auf das Batteriemodul auftretender Impaktor kleiner ist als die in dem Modulrahmen vorgesehene Vertiefung oder Ausnehmung, in die der Zellverbinder eingelassen ist. Zudem kann durch die Abdeckung vorteilhaft die elektrische Isolierung des Batteriemoduls beziehungsweise der Batteriezellen und des Zellverbinders verbessert werden. Dazu kann das Abdeckelement insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial gefertigt sein. Die Abdeckung kann bei der Fertigung des Batteriemoduls beispielsweise in oder auf die Vertiefung gesetzt werden, nachdem der Zellverbinder mit den Polen der Batteriezellen verbunden, beispielsweise verschweißt worden ist. Da die Vertiefung dann relativ groß sein kann, wird auf diese Weise eine besonders einfache Fertigung, insbesondere eine besonders einfache Befestigung des Zellverbinders ermöglicht. Ebenso kann die Abdeckung, insbesondere wenn sie als Teil des Modulrahmens ausgebildet ist, eine oder mehrere Ausnehmungen oder Fenster aufweisen. durch diese Ausnehmungen oder Fenster kann dann ein Zugang zu dem Zellverbinder beziehungsweise zu den Polen der Batteriezellen oder einem entsprechenden Befestigungspunkt geschaffen oder gebildet werden, beispielsweise für einen Schweißroboter oder dergleichen. Dadurch kann auch bei einstückiger Ausbildung der Abdeckung und des an der Polseite der Batteriezellen angeordneten Rahmenteils eine einfache Fertigung des Batteriemoduls ermöglicht werden. Um einen ausreichenden Zugang für einen Schweißroboter zu bieten, können die Ausnehmungen oder Fenster beispielsweise eine Größe oder einen Durchmesser im Bereich von 10 mm aufweisen. Dies kann jedoch abhängig von den jeweiligen individuellen Anforderungen entsprechend bedarfsgerecht variiert werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the cell connector is at least largely covered on the outside by a cover that is part of the module frame or is supported on the module frame. As a result, mechanical loading of the cell connector and thus indirectly of the battery cells can also be avoided particularly reliably if an impactor on the battery module is smaller than the recess or recess provided in the module frame into which the cell connector is embedded. In addition, the cover can advantageously improve the electrical insulation of the battery module or the battery cells and the cell connector. For this purpose, the cover element can in particular be made of an electrically insulating plastic material. During the manufacture of the battery module, the cover can for example be placed in or on the recess after the cell connector has been connected, for example welded, to the poles of the battery cells. Since the recess can then be relatively large, a particularly simple production, in particular a particularly simple fastening of the cell connector, is made possible in this way. Likewise, the cover, in particular if it is designed as part of the module frame, can have one or more recesses or windows. Access to the cell connector or to the poles of the battery cells or a corresponding fastening point can then be created or formed through these recesses or windows, for example for a welding robot or the like. This enables simple manufacture of the battery module even with a one-piece design of the cover and the frame part arranged on the pole side of the battery cells. In order to provide sufficient access for a welding robot, the recesses or windows can, for example, have a size or a diameter in the range of 10 mm. However, this can be varied as required depending on the respective individual requirements.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, die ein Batteriegehäuse aufweist, in dem wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriemodul angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Batterie kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul genannte Fahrzeugbatterie sein. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Batterie einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul genannten Eigenschaften oder Merkmale aufweisen.Another aspect of the present invention is a battery for a motor vehicle which has a battery housing in which at least one battery module according to the invention is arranged. The battery according to the invention can in particular be the vehicle battery mentioned in connection with the battery module according to the invention. Accordingly, the battery according to the invention can have some or all of the properties or features mentioned in connection with the battery module according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Batterie und/oder wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriemodul aufweist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie genannte Kraftfahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und/oder der erfindungsgemäßen Batterie genannten Merkmale und/oder Eigenschaften aufweisen.Another aspect of the present invention is a motor vehicle that has a battery according to the invention and / or at least one battery module according to the invention. The motor vehicle according to the invention can in particular be the motor vehicle mentioned in connection with the battery module according to the invention and / or in connection with the battery according to the invention. Accordingly, the motor vehicle according to the invention can have some or all of the features and / or properties mentioned in connection with the battery module according to the invention and / or the battery according to the invention.
Bevorzugt kann das Batteriemodul in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug in bestimmungsgemäßer Einbaulage derart angeordnet sein, dass die Belastungsrichtung einer Fahrzeugquerrichtung des Kraftfahrzeugs entspricht. Dies ist besonders vorteilhaft und kann besonders effektiv zur Verbesserung der Sicherheit des Kraftfahrzeugs beitragen, da in der Fahrzeugquerrichtung typischerweise weniger Abstand zwischen dem Batteriemodul und einer Außenwand des Kraftfahrzeugs gegeben ist, sodass entsprechend weniger Bauraum oder Bauteile zwischen dem Batteriemodul und der Außenwand des Kraftfahrzeugs zum Aufnehmen oder Ableiten von Aufprallenergie vorhanden sind. Es muss dementsprechend bei einem Aufprall in Fahrzeugquerrichtung prinzipiell mit einer höheren Belastung oder mit einer größeren Wahrscheinlichkeit eines Auftreffens eines Impaktors auf die Batterie beziehungsweise das Batteriemodul gerechnet werden. Durch eine derartige Anordnung des Batteriemoduls in dem Kraftfahrzeug können die beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriemoduls also besonders effektiv zur Geltung gebracht werden.The battery module can preferably be arranged in the motor vehicle according to the invention in the intended installation position in such a way that the loading direction corresponds to a transverse direction of the motor vehicle. This is particularly advantageous and can contribute particularly effectively to improving the safety of the motor vehicle, since in the transverse direction of the vehicle there is typically less distance between the battery module and an outer wall of the motor vehicle, so that correspondingly less installation space or components between the battery module and the outer wall of the motor vehicle for absorbing or dissipating impact energy are available. Accordingly, in the event of an impact in the transverse direction of the vehicle, a higher load or a greater probability of an impactor hitting the battery or the battery module must be expected. With such an arrangement of the battery module in the motor vehicle, the described advantages of the battery module according to the invention can thus be brought to bear particularly effectively.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Batteriemodul über Halteelemente mechanisch mit einem weiteren Fahrzeugteil des Kraftfahrzeugs verbunden, also an diesem Fahrzeugteil festgelegt. Dieses Fahrzeugteil kann bevorzugt eine Innenwand eines das Batteriemodul umgebenden Batteriegehäuses sein. Ebenso kann das Fahrzeugteil aber beispielsweise ein Rahmen oder ein sonstiges tragendes Teil des Kraftfahrzeugs sein. Die Halteelemente können beispielsweise Metall- oder Kunststoffteile sein, die beispielsweise an dem Fahrzeugteil festgeklebt oder mit diesem verschraubt sein können. Eine entsprechende Klebestelle oder Schraube kann dabei ebenso Teil des jeweiligen Halteelements sein. Die mechanische Verbindung zwischen dem Batteriemodul und dem Fahrzeugteil weist dabei eine Sollbruchstelle auf, an der die mechanische Verbindung deterministisch abbricht, wenn bei dem Aufprall eine vorgegebene mechanische Belastung des jeweiligen Halteelements überschritten wird. Die vorgegebene mechanische Belastung kann, beispielsweise in Form eines Kraft- oder Beschleunigungsschwellenwerts, vorgegeben oder festgelegt sein, der abhängig von jeweiligen Anforderungen oder Einsatzszenarien in einem konkreten Anwendungsfall oder Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung gewählt werden kann. Bevorzugt können die Halteelemente in bestimmungsgemäßer Einbaulage des Batteriemoduls in dem Kraftfahrzeug bezogen auf eine Fahrzeughochrichtung des Kraftfahrzeugs an einer Unterseite des Batteriemoduls befestigt sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung kann erreicht werden, dass bei einem entsprechend starken Aufprall, also bei einer entsprechend starken mechanischen Belastung oder Beaufschlagung des Batteriemoduls und damit der Halteelemente, die derart belasteten Halteelemente brechen oder abreißen. Dadurch kann vorteilhaft eine Blockbildung mit dem Batteriemodul beziehungsweise den Batteriezellen vermieden werden. Es kann auf diese Weise also besonders zuverlässig vermieden werden, dass die Halteelemente in das Batteriemodul gedrückt werden und zu einer Beschädigung oder einer unerwünschten punktuellen Belastung der Batteriezellen führen.In a further advantageous embodiment of the present invention, the battery module is mechanically connected to a further vehicle part of the motor vehicle via holding elements, that is to say fixed to this vehicle part. This vehicle part can preferably be an inner wall of a battery housing surrounding the battery module. The vehicle part can also be, for example, a frame or some other supporting part of the motor vehicle. The holding elements can be metal or plastic parts, for example, which can be glued or screwed to the vehicle part, for example. A corresponding glue point or screw can also be part of the respective holding element. The mechanical connection between the battery module and the vehicle part has a predetermined breaking point at which the mechanical connection breaks off deterministically if a predetermined mechanical load on the respective holding element is exceeded during the impact. The specified mechanical load can be specified or specified, for example in the form of a force or acceleration threshold value, which can be selected depending on the respective requirements or application scenarios in a specific application or area of application of the present invention. In the intended installation position of the battery module in the motor vehicle, the holding elements can preferably be fastened to an underside of the battery module in relation to a vertical direction of the motor vehicle. The embodiment proposed here can achieve that in the event of a correspondingly strong impact, that is to say in the event of a correspondingly strong mechanical load or impact on the battery module and thus the holding elements, the holding elements that are loaded in this way break or tear off. As a result, a block formation with the battery module or the battery cells can advantageously be avoided. In this way, it can be avoided in a particularly reliable manner that the holding elements are pressed into the battery module and lead to damage or an undesired point loading of the battery cells.
Die Sollbruchstelle kann beispielsweise innerhalb der Halteelemente, an einem Befestigungspunkt der Halteelemente an dem Batteriemodul oder an einem Befestigungspunkt der Halteelemente an dem Fahrzeugteil liegen.The predetermined breaking point can for example lie within the holding elements, at a fastening point of the holding elements on the battery module or at a fastening point of the holding elements on the vehicle part.
Die Halteelemente können die Schutzanordnung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls bilden oder Teil dieser Schutzanordnung sein, insbesondere unabhängig von den eingangs beschriebenen Varianten der Schutzanordnung. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Schutzanordnung des Batteriemoduls also allein durch die Halteelemente oder durch eine Kombination der Halteelemente und der wenigstens einen Versteifungsstrebe und/oder der Vertiefung zum Aufnehmen des Zellverbinders gebildet sein.The holding elements can form the protective arrangement of the battery module according to the invention or be part of this protective arrangement, in particular independently of the variants of the protective arrangement described above. In one embodiment of the present invention, the protective arrangement of the battery module can thus be formed solely by the holding elements or by a combination of the holding elements and the at least one stiffening strut and / or the recess for receiving the cell connector.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations shown below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the invention to leave.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines Batteriemoduls in einer erste Variante; -
2 eine schematische Seitenansicht des Batteriemoduls in einer zweiten Variante; -
3 eine schematische Queransicht des Batteriemoduls; -
4 eine schematische aufgeteilte Perspektivansicht einiger Komponenten des Batteriemoduls; -
5 eine schematische Queransicht des Batteriemoduls mit Halteelementen in einer erster Variante; -
6 eine schematische Queransicht des Batteriemoduls mit Halteelementen in einer zweiten Variante; -
7 eine schematische Queransicht des Batteriemoduls mit Halteelementen in einer dritten Variante; -
8 eine schematische Queransicht des Batteriemoduls in einer weiteren Variante; und -
9 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer Traktionsbatterie, die mehrere Batteriemodule umfasst.
-
1 a schematic side view of a battery module in a first variant; -
2 a schematic side view of the battery module in a second variant; -
3 a schematic transverse view of the battery module; -
4th a schematic split perspective view of some components of the battery module; -
5 a schematic transverse view of the battery module with holding elements in a first variant; -
6th a schematic transverse view of the battery module with holding elements in a second variant; -
7th a schematic transverse view of the battery module with holding elements in a third variant; -
8th a schematic transverse view of the battery module in a further variant; and -
9 a schematic view of a motor vehicle with a traction battery that comprises several battery modules.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
Die Versteifungsstreben
Anders als hier dargestellt können je nach Anforderung weitere Versteifungsstreben
Jeweils ein Abdeckelement
Wie bereits für die Versteifungsstreben
Durch einen Pfeil ist hier schematisch eine Belastungsrichtung
Die in der Belastungsrichtung
Der Modulrahmen
Insbesondere dann, wenn die Versteifungsstreben
In der mechanischen Verbindung des Batteriemoduls
Vorliegend weisen die Halteelemente
Dadurch dass die Halteelemente
Die verschiedenen Varianten der Halteelemente
Als Teil der Schutzanordnung
Um einen weiter verbesserten Schutz des Zellverbinders
Die Batteriemodule
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele, durch welche Maßnahmen elektrische Energiespeicher, insbesondere im Fahrzeugbereich, toleranter gegenüber einer mechanischen Beaufschlagung im Crashfall gestaltet werden können. Durch diese Maßnahmen kann insbesondere eine verbesserte Aufpralltoleranz des jeweiligen elektrischen Energiespeichers erreicht werden, ohne dass besonders teure und aufwendige Maßnahmen oder Veränderungen an dem jeweiligen Fahrzeug notwendig wären.Overall, the examples described show the measures by means of which electrical energy storage devices, in particular in the vehicle sector, can be designed to be more tolerant of mechanical loading in the event of a crash. By means of these measures, in particular an improved impact tolerance of the respective electrical energy store can be achieved without the need for particularly expensive and complex measures or changes to the respective vehicle.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BatteriemodulBattery module
- 1212th
- ModulrahmenModule frame
- 1414th
- BatteriezellenBattery cells
- 1616
- SchutzanordnungProtection order
- 1818th
- VersteifungsstrebenStiffening struts
- 2020th
- AbdeckelementCover element
- 2222nd
- erstes Rahmenteilfirst frame part
- 2424
- zweites Rahmenteilsecond frame part
- 2626th
- BelastungsrichtungLoad direction
- 2828
- AufnahmenRecordings
- 3030th
- Unterseitebottom
- 3232
- HalteelementeHolding elements
- 3434
- SchraubenScrews
- 3636
- SollbruchstellePredetermined breaking point
- 3838
- PolePole
- 4040
- ZellverbinderCell connector
- 4242
- Vertiefungdeepening
- 4444
- Abdeckungcover
- 4646
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 4848
- TraktionsbatterieTraction battery
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102015120294 A1 [0004]DE 102015120294 A1 [0004]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0002100000 Ipc: H01M0050200000 |
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R016 | Response to examination communication |