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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul sowie das entsprechende Batteriemodul, insbesondere in einem Batteriemodul für eine Traktionsbatterie.
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Eine der wichtigsten Charakterisierungsparameter für ein Elektrofahrzeug ist seine Reichweite, welche neben der Dimensionierung der elektrischen Maschine maßgeblich von seiner Energiequelle, der sogenannten Traktionsbatterie, mitbestimmt wird. Bei der Traktionsbatterie handelt es sich um eine wiederaufladbare Batterie mit einer großen Kapazität. Die Traktionsbatterie ist üblicherweise modular aufgebaut und besteht aus einer Vielzahl von Batteriemodulen. Jedes Batteriemodul weist seinerseits eine Anzahl von Batteriezellen auf. Heutzutage kommt in den Batteriezellen die Lithium-Ionen-Technologie zum Einsatz, welche sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Lebensdauer bietet.
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Bei der Herstellung der Batteriemodule werden derzeit die Batteriezellen in einteilige Batteriemodulgehäuse eingebracht. Um eine stabile Lagerung der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemodulgehäuses zu gewährleisten, werden die Batteriezellen zusammen mit Kompressionselementen (Kompressionspads) in einer gestapelten Anordnung im Batteriemodulgehäuse angeordnet. Die Kompressionselemente bestehen üblicherweise aus einem geschäumten Polymer, z.B. Polyurethanschaum. Die Abmessung des Stapels aus Batteriezellen und den noch nicht komprimierten Kompressionselementen, etwa dessen Breite, ist größer als der dafür im Batteriemodulgehäuse vorgesehene Bauraum. Deshalb wird der Stapel aus Batteriezellen und Kompressionselementen außerhalb des Modulgehäuses mit einem Werkzeug verpresst und an das Modulgehäuse positioniert. Daraufhin wird die Verpressung gelöst und die Komponenten werden unter hohen Reibungskräften in das Batteriemodulgehäuse eingeschoben. Ein solches Vorgehen hat aber den Nachteil, dass die Batteriezellen beim Einschieben des Komponentenstapels in das Batteriegehäuse durch die dabei auftretenden hohen Reibungskräfte beschädigt werden können.
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Um diesem Problem entgegenzuwirken wurden alternative Einschiebekonzepte entwickelt. So ist beispielsweise die Verwendung von zusätzlichen Elementen mit einer Antihaft-Beschichtung zur Reduzierung der Reibung bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass durch ihre Verwendung weniger Platz für die Anordnung von Batteriezellen im Batteriezellenmodul zur Verfügung steht und somit die Energiedichte im Batteriemodul verringert wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bereitstellen eines mit Batteriezellen besetzten Batteriemoduls bereitzustellen, mittels welchem ein Batteriemodul flexibel und einfach aufgebaut werden kann und bei dem das Risiko der Beschädigung der Batteriezellen minimiert wird.
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Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Fixieren von Batteriezellen in einem Batteriemodul bereitgestellt, welches insbesondere als ein Verfahren zum Verspannen von Batteriezellen in einem Batteriegehäuse aufgefasst werden kann.
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Das Verfahren weist Einbringen von Batteriezellen in ein Batteriemodulgehäuse auf, wobei zwischen mindestens zwei Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses ein Verspannungselement in einem ersten Zustand angeordnet ist (d.h. bereits beim Einsetzen der Batteriezellen ins Batteriemodulgehäuse) oder wird (d.h. separat nach Einsetzen der Batteriezellen).
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Das Verfahren weist ferner Überführen des Verspannungselements in einen zweiten Zustand auf, um die in dem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellen gegen die Innenwände des Batteriemodulgehäuses zu verspannen, wobei das Verspannungselement (mindestens) zwei Komponenten aufweist, deren Anordnung relativ zueinander beim Übergang vom ersten Zustand in den zweiten Zustand (und umgekehrt) derart verändert wird, dass das Verspannungselement im zweiten Zustand einen größeren Bauraum einnimmt als im ersten Zustand. Anders ausgedrückt definiert die Außenfläche bzw. eine gedachte, um das Verspannungselement gespannte Außenhaut einen Körper, welcher im zweiten Zustand ein größeres Volumen aufweist als im ersten Zustand.
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Bei den mindestens zwei Komponenten des Verspannungselements handelt es sich um starre bzw. mechanisch stabile Komponenten, welche bei Übergang zwischen den beiden Zuständen selbst keine Formveränderung erfahren. Insbesondere sind damit keine elastischen Oberflächen von aufblasbaren oder befüllbaren Elementen gemeint, wie z.B. von Beuteln, die beim Befüllen als Ganzes eine Formveränderung erfahren. Unter den mindestens zwei Komponenten des Verspannungselements sind Komponenten gemeint, die relativ zueinander bewegt werden, also beispielsweise versetzt, verschoben oder rotiert werden können, um das Verspannungselement aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand (oder umgekehrt) zu überführen. Dabei kann der Zustandswechsel reversibel erfolgen, so dass bei Bedarf der Übergang des Verspannungselement zwischen dem ersten und zweiten Zustand (oder umgekehrt) mehrfach durchgeführt werden kann. Ferner kann das Verspannungselement so ausgestaltet sein, dass der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand (oder umgekehrt) reversibel und mit der gleichen Kinematik erfolgt. Im Unterschied dazu ist dies beispielsweise beim Aufblasen eines elastischen Objekts, etwa eines Beutels, nicht der Fall, da der Entfaltungsvorgang jedes Mal einer anderen Kinematik folgen kann.
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Obgleich im überwiegenden Teil der Beschreibung von einem Verspannungselement gesprochen wird, können und werden zweckmäßigerweise auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens selbstverständlich mehrere Verspannungselemente zur Anordnung im Batteriemodulgehäuse verwendet werden, wobei die Verspannungselemente zwar bevorzugt, jedoch nicht zwingend in der gleichen Ausrichtung/Orientierung entlang einer Dimension angeordnet sein können, etwa entlang der Breite des Batteriemodulgehäuses.
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Beispielsweise kann zwischen jeweils zwei Batteriezellen innerhalb des in einem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellenstapels ein Verspannungselement angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann an einem oder an beiden Enden des Batteriezellenstapels (mit oder ohne dazwischen angeordnete Verspannungselemente) ein Verspannungselement zwischen einer äußeren Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses angeordnet sein. In weiteren Ausgestaltungen kann jeweils ein Verspannungselement alle zwei, drei, vier usw. Batteriezellen angeordnet sein, beispielsweise insbesondere dann, wenn mehrere Batteriezellen (z.B. zwei oder drei) in zusammenhängenden Baugruppen bereitgestellt werden. Grundsätzlich kann insgesamt eine beliebige Anzahl von Verspannungselementen in dem Batteriezellenstapel zwischen den Batteriezellen und/oder zwischen (mindestens einer äußeren) Batteriezelle des Batteriezellenstapels und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses angeordnet werden. In der Regel, jedoch nicht einschränkend, können bis zu n+1 Verspannungselemente verwendet werden, wobei n die Anzahl der Batteriezellen im Batteriegehäuse angibt. Dabei kann zweckmäßigerweise zwischen zwei Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses jeweils nur ein Verspannungselement angeordnet sein.
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Im Allgemeinen kann eine geeignete Anzahl von Verspannungselementen bereits vor Einbringen des Batteriezellenstapels zwischen den Batteriezellen angeordnet sein. In diesem Fall werden die Verspannungselemente zusammen mit den Batteriezellen ins Batteriemodulgehäuse eingebracht. Alternativ können die Verspannungselemente aber in einem separaten Schritt, welcher nach dem Einsetzen der Batteriezellen in das Batteriemodulgehäuse erfolgt, eingebracht werden.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann dieses zu Beginn das Bereitstellen eines Batteriemodulgehäuses zur Aufnahme von Batteriezellen aufweisen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann es sich bei dem Batteriemodulgehäuse um ein einteiliges Batteriemodulgehäuse („Monoframe“) handeln, also anders ausgedrückt um ein einstückig ausgebildetes Gehäuse, welches zum Einsetzen der Batteriezellen nicht auseinandergebaut bzw. entsprechend geöffnet werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann das Verspannungselement derart ausgebildet sein, dass nur die laterale/seitliche Abmessung des Verspannungselements im zweiten Zustand größer ist als dessen laterale Abmessung im ersten Zustand. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Komponente des Verspannungselements aus einer anderen Komponente des Verspannungselements geradlinig herausgeschoben bzw. herausgefahren wird und sich nur die Abmessung des Verspannungselements nur entlang der entsprechenden Dimension ändert. Unter der lateralen Abmessung des Verspannungselements kann seine Abmessung entlang der Richtung des Abstandes der Batteriezellen im Batteriezellenstapel verstanden werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können zum Einstellen des zweiten Zustands des Verspannungselements die zwei Komponenten pneumatisch relativ zueinander bewegt werden, insbesondere auseinandergeschoben werden. Dazu kann in der Verspannungsvorrichtung eine mit einem Fluid, beispielsweise Druckluft, befüllbare und expandierbare Kammer angeordnet sein, wobei eine Expansion der Kammer ein auseinanderbewegen der mindestens zwei Komponenten des Verspannungselements zur Folge hat. Anders ausgedrückt kann das Verfahren ferner Beaufschlagung des Verspannungselements mit einem Fluid aufweisen, bevorzugt mit Druckluft. Die Kammer kann einer an einer Verbindungsstelle der Komponenten des Verspannungselements angeordnet sein. Beispielsweise kann die Kammer von zwei aufeinander geschobenen Zylindern gebildet sein, wobei jeder Zylinder zu einer Komponente des Verspannungselements gehört und einer der Zylinder als Hohlzylinder ausgebildet ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können zum Einstellen des zweiten Zustands des Verspannungselements die mindestens zwei Komponenten derart relativ zueinander versetzt werden, dass eine Abmessung des Verspannungselements kleiner wird. Anders ausgedrückt kann das Verspannungselement derart ausgebildet sein, dass seine Vergrößerung entlang einer Dimension zu einer Verkleinerung entlang einer anderen Dimension führt. Unter einer Dimension des Verspannungselements kann eine seiner charakteristischen Abmessungen, also Länge, Breite, Höhe verstanden werden. Das Verspannungselement kann derart ausgebildet sein, dass im ersten Zustand die mindestens zwei Komponenten ineinander verschachtelt sind und aus jeder Komponente hervorstehende Teile in der anderen Komponente untergebracht/angeordnet sind. Beim Übergang in den zweiten Zustand wird der verschachtelte Zustand gelöst und die jeweils aus einer Komponente hervorstehenden Teile dienen als Auflager für die aus der anderen Komponente hervorstehenden Teile.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann in dem Verspannungselement mindestens eine Durchgangsöffnung oder ein Durchgangshohlraum vorgesehen sein, wenn sich dieses im zweiten Zustand befindet. Die Durchgangsöffnung kann, muss aber nicht bereits im ersten Zustand des Verspannungselements in diesem vorliegen. Anders ausgedrückt können durch das Überführen des Verspannungselements in den zweiten Zustand darin Freiräume gebildet oder bereits bestehenden Freiräume verändert werden. Falls die Durchgangsöffnung bereits auch im ersten Zustand des Verspannungselements in diesem vorliegt, so kann sich ihre Form und Größe beim Übergang des Verspannungselements in den zweiten Zustand ändern.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Verwenden der Durchgangsöffnung des Verspannungselements als Teil einer Kühlmittelleitung aufweisen. Hierbei kann entweder eine Kühlleitung durch die Durchgangsöffnung gelegt werden, um im Betrieb des Batteriemoduls Wärme abtragen zu können. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Durchgangsöffnung hinsichtlich Dichtigkeit und Materialwahl kann im Betrieb des Batteriemoduls ein Kühlfluid auch direkt durch die Durchgangsöffnung geleitet werden. Die Durchgangsöffnung kann also als Schacht zum Durchführen einer Kühlmittelleitung fungieren oder selbst einen Teil einer Kühlmittelleitung sein.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Einfüllen eines aufgeschäumten Kunststoffes in die Durchgangsöffnung des Verspannungselementes aufweisen. Bei dem aufgeschäumten Kunststoff kann es sich um ein beliebiges aufgeschäumtes Polymer handeln, beispielsweise um Polyurethanschaum. Ferner kann es sich bei dem aufgeschäumten Kunststoff um einen aushärtenden Kunststoff handeln, beispielsweise um aushärtenden Polyurethanschaum. Durch das Auffüllen der Freiräume in dem Verspannungselement kann der zweite Zustand stabilisiert/fixiert werden für die Dauer der Nutzung des Batteriemoduls.
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In weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Batteriemodul bereitgestellt, welches ein Batteriemodulgehäuse und eine darin in einer Reihe angeordnete Anzahl von Batteriezellen aufweist, wobei zwischen mindestens zwei Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Innenwand des Batteriemodulgehäuses ein Verspannungselement angeordnet ist, welches in einem ersten und einem zweiten Zustand vorliegen kann. Das Verspannungselement weist dabei mindestens zwei Komponenten auf, die im ersten Zustand ineinander eingreifen und im zweiten Zustand im Vergleich zum ersten Zustand relativ zueinander so versetzt angeordnet sind, dass das Verspannungselement im zweiten Zustand einen größeren Bauraum einnimmt. Im zweiten Zustand greifen die mindestens zwei Komponenten nicht mehr zwingenderweise ineinander.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Batteriemoduls kann jede der Komponenten des Verspannungselements mindestens einen Zylinder aufweisen, wobei die beiden Zylinder derart zusammenwirken, dass sie einen die beiden Komponenten verbindenden Kolben ausbilden. Der Kolbenraum kann ferner einen Zugang aufweisen, über welchen er mit einem Fluid, beispielsweise Druckluft, befüllt werden kann. Dadurch wirkt der Kolben als Aktuator, welcher das Verspannungselement vergrößert und somit in den zweiten Zustand überführt.
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Die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein Batteriemodulgehäuse und eine darin einzusetzende Anordnung aus Batteriezellen, zwischen welchen Beutel angeordnet sind.
- 2A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verspannungselements.
- 2B zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Verspannungselements.
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In 1 ist ein mögliches Ausgangsszenario für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Es ist eine Seite eines Batteriemodulgehäuses 1 gezeigt, welche eine Öffnung 2 aufweist, durch die hindurch die Batteriezellen 4, im gezeigten Beispiel insgesamt sechs Batteriezellen 4, in das Batteriegehäusemodul 1 eingeschoben/eingesetzt werden sollen. Je nach Abmessung des Batteriemodulgehäuses 1 kann selbstverständlich eine andere Anzahl von Batteriezellen 4 zu dessen Bestückung verwendet werden. Das Batteriegehäuse 1 weist üblicherweise eine quaderförmige Form auf, was jedoch nicht zwingend vorausgesetzt ist. Die relevante Abmessung des Batteriemodulgehäuses 1, welche hier der Breite 3 der Öffnung 2 entspricht, ist größer als die entsprechende Breite 6 des Komponentenstapels, welcher die einzusetzenden Batteriezellen 4 und die dazwischen angeordneten Verspannungsmittel 5 umfasst. Die Verspannungsmittel 5 befinden sich hierbei im ersten Zustand und nehmen daher relativ wenig Platz ein. Der Komponentenstapel kann problemlos, insbesondere ohne übermäßigem Kraftaufwand und damit ohne nennenswerte Reibungskräfte durch die Öffnung 2 in das Batteriegehäuse 1 eingeschoben werden. Obgleich bei dem gezeigten Beispiel nur am rechten Rand des Komponentenstapels ein Verspannungsmittel 5 angeordnet ist, kann in weiteren Ausführungsbeispielen ein Verspannungsmittel 5 auch am linken Rand des Komponentenstapels angeordnet sein.
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Nach dem Einbringen des Komponentenstapels in das Batteriemodulgehäuse 1, werden die Verspannungsmittel 5 anschließend in den zweiten Zustand überführt, so dass sie einen größeren Bauraum einnehmen. Dadurch üben sie Druck auf die jeweils benachbarten Batteriezellen 5 und ggfs. die entsprechende Innenwand des Batteriemodulgehäuses 1 aus. Dadurch nimmt die Breite 6 des Komponentenstapels zu und die Batteriezellen 4 werden gegen die Innenwände des Batteriemodulgehäuses 1 gedrückt bzw. verspannt. Es sei drauf hingewiesen, dass die Verspannungsmittel 5 nicht schon, wie in 1 veranschaulicht, vor dem Einschieben der Batteriezellen 4 in das Batteriemodulgehäuse 1 an ihren angedachten Positionen angeordnet sein müssen. Es können genau so gut in einem Schritt zunächst die Batteriezellen 4 in das Batteriemodulgehäuse 1 eingeschoben werden und in einem nachfolgenden Schritt die Verspannungsmittel 5 an ihre angedachten Positionen angeordnet werden. Generell können die Verspannungsmittel 5 derart ausgebildet sein, dass beim Überführen in den zweiten Zustand im Wesentlichen nur die laterale/seitliche Abmessung zunimmt, also die Abmessung parallel zur Richtung der Anordnung der Batteriezellen 4.
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In 2A ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verspannungselements 5 gezeigt, wobei jede der drei Ansichten einen anderen Zustand des Verspannungselements 5 zeigt: die linke Ansicht entspricht dem ersten Zustand, die mittlere Ansicht entspricht einem Übergangszustand und die rechte Ansicht entspricht dem zweiten Zustand. Das Verspannungselement 5 weist eine erste Komponente 51 und eine zweite Komponente 52 auf. Jede der beiden Komponenten 51, 52 weist eine Basis auf, auf welcher in diesem Beispiel drei hervorstehende/herausragende Elemente 53 angeordnet sind. Im ersten Zustand sind die beiden Komponenten 51, 52 derart angeordnet, dass die hervorstehenden Elemente 53 der ersten Komponente 51 in Freiräume zwischen den hervorstehenden Elementen 53 der anderen Komponente 52 hineinragen und umgekehrt. Zudem sind die beiden Komponenten 51, 52 nicht exakt aufeinander angeordnet, sondern entlang einer ersten Richtung H gegeneinander verschoben.
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Um das Verspannungselement 5 aus dem ersten Zustand in den in der rechten Ansicht gezeigten zweiten Zustand zu überführen, werden die beiden Komponenten 51, 52 auseinandergeschoben und spiegelverkehrt aneinandergelegt. Im zweiten Zustand sind die Stirnflächen der hervorstehenden Elemente 53 in Kontakt miteinander bzw. die beiden Komponenten 51, 52 sind mit ihren hervorstehenden Elementen 53 aneinander angeordnet. Im zweiten Zustand sind zwei Durchgangsöffnungen 54 im Verspannungselement 5 ausgebildet, welche zwischen den zusammengeführten hervorstehenden Elementen 53 und jeweils einem Abschnitt der Basis jeder der Komponenten 51, 52 gebildet werden. Aus dem Vergleich der Ansichten sieht man, dass die Abmessung des Verspannungselements 5 entlang der ersten Richtung H, welche der Höhe des Bauteils entspricht, im zweiten Zustand kleiner ist als im ersten Zustand, während die Abmessung des Verspannungselements 5 entlang der zweiten Richtung B, welche die Breite des Bauteils angibt, im zweiten Zustand größer ist als im ersten Zustand. Die zweite Richtung B gibt die Verspannungsrichtung der Batteriezellen im Batteriemodulgehäuse 1 an.
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Die beiden Komponenten 51, 52 des in 5 gezeigten Elements können in einer gewünschten Form vorliegen, beispielsweise stabförmig, oval oder quaderförmig, wobei sich das gezeigte „gezahnte“ Profil über die ganze Oberfläche der Komponenten 51, 52 erstrecken kann.
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In 2B ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Verspannungselements 5 gezeigt, wobei die linke Ansicht dem ersten Zustand entspricht und die rechte Ansicht dem zweiten Zustand entspricht. Das Verspannungselement 5 weist eine erste Komponente 51 und eine zweite Komponente 52 auf. Jede der beiden Komponenten 51, 52 weist eine Basis 55 auf, auf welcher in diesem Beispiel zwei Zylinder angeordnet sind. Die ersten Zylinder 56 der ersten Komponente 51 ragen dabei in die zweiten Zylinder 57 der zweiten Komponente 52 hinein. Jedes so gebildete Zylinderpaar 56, 57 stellt somit einen Kolben bereit. Durch Beaufschlagen des Kolbenvolumens mit einem Fluid, beispielsweise Druckluft, kann jeder Kolben expandiert werden, wodurch die Abmessung des Verspannungselements 5 in der zweiten Richtung B (Breite des Verspannungselements 5) verändert werden kann. Die beiden Doppelpfeile 58 deuten die Bewegungsrichtung während der Überführung des Verspannungselements 5 vom ersten in den zweiten Zustand (und umgekehrt) an. Die Abmessung des Verspannungselements entlang der ersten Richtung H (Höhe des Verspannungselements 5) bleibt im ersten und im zweiten Zustand im Wesentlichen gleich.
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Die Elemente 56, 57, 58 können sowohl zylindrisch als auch rechteckig ausgeführt sein.
