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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, wobei mehrere Batteriezellen eines Zellstapels der Traktionsbatterie nebeneinander angeordnet und mit einem bestimmten Verpressdruck in einer Verpressrichtung verpresst werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Herstellungsvorrichtung zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2011 112 531 B3 bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren zum Fertigen einer Batterieanordnung aus einer Mehrzahl von prismatischen Batteriezellen mittels Verpressens, bei welchem bei anhaltender Verpressung überprüft wird, ob eine der prismatischen Batteriezellen hinter einer von der Richtung des Verpressdrucks verschiedenen Richtung gegenüber den anderen Batteriezellen hervorsteht. Ist dies der Fall, so wird der Verpressdruck aufgehoben, sodass die Batteriezellen entspannen können. Nachfolgend wird erneut verpresst und überprüft, bis letztlich keine Batterie in der genannten Richtung mehr hervorsteht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere zuverlässig und prozesssicher umsetzbar ist.
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Dies wird mit einem Verfahren zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass ein Istwert einer Erstreckung des Zellstapels gemessen und der Verpressdruck bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts der Erstreckung erhöht wird, bis der Istwert höchstens dem Maximalwert entspricht und/oder der Verpressdruck einen Maximaldruck erreicht, und/oder dass der Istwert der Erstreckung des Zellstapels gemessen und der Verpressdruck bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwerts der Erstreckung verringert wird, bis der Istwert mindestens dem Minimalwert entspricht und/oder der Verpressdruck einen Minimaldruck erreicht.
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Das beschriebene Verfahren dient zum Herstellen der Traktionsbatterie, welche bevorzugt als Bestandteil des Kraftfahrzeugs verbaut wird, jedoch auch separat von ihm vorliegen kann. Die Traktionsbatterie dient dem Zwischenspeichern von elektrischer Energie, die insbesondere zum Betreiben einer Antriebseinrichtung beziehungsweise eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs Verwendung findet. Die in der Traktionsbatterie gespeicherte elektrische Energie wird insoweit zum Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments mittels der Antriebseinrichtung beziehungsweise des Antriebsaggregats verwendet.
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Die Traktionsbatterie verfügt beispielsweise über ein Batteriegehäuse und wenigstens ein Zellmodul. In dem Batteriegehäuse kann ein Aufnahmefach vorliegen, welches zur Aufnahme des Zellmoduls vorgesehen und ausgebildet ist. Das Zellmodul dient der Zwischenspeicherung der elektrischen Energie. Bevorzugt sind mehrere derartiger Zellmodule in dem Batteriegehäuse, insbesondere in dem Aufnahmefach angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet. Sofern im Rahmen dieser Beschreibung von dem Zellmodul oder dem wenigstens einen Zellmodul die Rede ist, so sind die Ausführungen stets auf jedes der mehreren Zellmodule übertragbar, sofern diese vorliegen.
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Das Zellmodul weist zumindest den Zellstapel auf, welcher seinerseits über die mehreren Batteriezellen verfügt. Die Batteriezellen liegen vorzugsweise als prismatische Batteriezellen oder als Pouch-Batteriezelle vor. Im Falle der prismatischen Batteriezellen sind diese bevorzugt mit einem starren Zellengehäuse ausgebildet. Liegen die Batteriezellen hingegen als Pouch-Batteriezellen vor, so kann das jeweilige Zellengehäuse flexibel sein und in Form einer beutelförmigen Umhüllung vorliegen. Beispielsweise ist der Zellstapel in einem Modulgehäuse des Batteriemoduls angeordnet.
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Zum Herstellen der Traktionsbatterie und insbesondere des Zellstapels werden nun zunächst die Batteriezellen des Zellstapels nebeneinander angeordnet und mit dem Verpressdruck beaufschlagt. Hierbei werden die Batteriezellen in der Verpressrichtung nebeneinander angeordnet und anschließend in der Verpressrichtung miteinander verpresst, sodass sie aneinander gedrängt werden. Das Verpressen des Zellstapels dient insbesondere dem Erzielen bestimmter Abmessungen des Zellstapels, damit dieser nachfolgend in dem Modulgehäuse angeordnet werden kann.
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Da die Batteriezellen des Zellstapels üblicherweise vergleichsweise große Fertigungstoleranzen aufweisen, schwanken die Abmessungen der Batteriezellen, insbesondere in der Verpressrichtung. Das bedeutet, dass der Zellstapel nach dem nebeneinander Anordnen der Batteriezellen Abmessungen aufweist, welche nicht notwendigerweise den Sollabmessungen entsprechen. Da das Verpressen der Batteriezellen üblicherweise mit einem konstanten Verpressdruck erfolgt, können also nach dem Verpressen Abmessungen des Zellstapels vorliegen, welche außerhalb eines Toleranzfensters liegen.
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Aus diesem Grund ist es nun vorgesehen, den Verpressdruck variabel zu wählen. Hierzu wird zunächst während des Verpressens der Istwert der Erstreckung des Zellstapels gemessen. Überschreitet der Istwert der Erstreckung den Maximalwert der Erstreckung, ist also der Istwert größer als der Maximalwert, so wird der Verpressdruck erhöht. Dieses Erhöhen des Verpressdrucks wird so lange durchgeführt, bis entweder der Istwert höchstens dem Maximalwert entspricht oder der Verpressdruck den Maximaldruck erreicht. Das Verpressen wird insoweit beispielsweise durchgehend vorgenommen, bis entweder die gewünschten Abmessungen des Zellstapels vorliegen oder der Verpressdruck einen Wert übersteigt, welcher maximal zum Verpressen des Zellstapels herangezogen werden soll.
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Zusätzlich oder alternativ ist es vorgesehen, dass nach dem Messen des Istwerts der Erstreckung des Zellstapels der Verpressdruck verringert wird, sofern die Erstreckung des Zellstapels den Minimalwert der Erstreckung unterschreitet, also kleiner ist als diese. Das Verringern des Verpressdrucks erfolgt so lange, bis entweder der Istwert mindestens dem Minimalwert entspricht oder der Verpressdruck den Minimaldruck erreicht. In anderen Worten wird also der Verpressdruck verringert, bis der Zellstapel die gewünschten Abmessungen erreicht hat oder ein Wert erreicht hat, welcher mindestens zum Verpressen herangezogen werden soll.
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Allgemein ausgedrückt wird also der Istwert der Erstreckung des Zellstapels gemessen und der Verpressdruck angepasst, sofern der Istwert der Erstreckung außerhalb eines Bereichs liegt, welcher einerseits von dem Minimalwert und andererseits von dem Maximalwert begrenzt wird. Das Anpassen des Verpressdrucks wird so lange durchgeführt, bis entweder der Istwert der Erstreckung in den von dem Minimalwert und dem Maximalwert begrenzten Bereich liegt oder der Verpressdruck einen Bereich verlässt, der einerseits von dem Minimaldruck und andererseits von dem Maximaldruck begrenzt wird.
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Das Anpassen des Verpressdrucks wird insoweit durchgeführt, solange einerseits der Istwert außerhalb des von dem Minimalwert und dem Maximalwert definierten Bereich und andererseits der Verpressdruck innerhalb des von dem Minimaldruck und dem Maximaldruck begrenzten Bereichs liegen. Hierdurch werden die Fertigungstoleranzen der Batteriezellen bei dem Herstellen des Zellstapels egalisiert, sodass dieser die gewünschten Abmessungen aufweist. Gleichzeitig wird durch die Überwachung des Verpressdrucks vermieden, dass eine Beschädigung des Zellstapels erfolgt oder ein nicht hinreichendes Verpressen der Batteriezellen vorliegt. Hierdurch wird eine äußerst hohe Prozesssicherheit bei dem Herstellen der Traktionsbatterie erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen jeweils zwei der Batteriezellen ein Zelltrennelement angeordnet wird. Das Zelltrennelement stellt insbesondere einen Abstandshalter für die Batteriezellen dar, welche die Batteriezellen zuverlässig voneinander separiert, insbesondere mechanisch und/oder elektrisch. Im letzteren Fall besteht das Zelltrennelement aus einem elektrisch nicht leitendem Material. Bevorzugt ist in dem Zellstapel nicht lediglich ein einziges Zelltrennelement vorhanden, sondern es liegen mehrere Zelltrennelemente vor, nämlich zwischen jeweils zwei der Batteriezellen eines.
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Da auch das Zelltrennelement analog zu den Batteriezellen eine hohe Fertigungstoleranz aufweist, vergrößert sich die potenzielle Abweichung der Abmessungen des Zellstapels von den gewünschten Abmessungen weiter. Dem wird durch die vorstehend beschriebene Vorgehensweise Rechnung getragen. Mithilfe des Zelltrennelements kann die elektrische und/oder mechanische Zuverlässigkeit der Traktionsbatterie weiter verbessert werden. Durch die Verwendung des beschriebenen Verfahrens treten zudem keine Nachteile bei dem Herstellen der Traktionsbatterie auf.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Istwert der Erstreckung bei entspanntem Zellstapel gemessen wird. Es ist insoweit nicht vorgesehen, den Verpressen durchgehend aufrecht zu erhalten, bis der Istwert der Erstreckung höchstens dem Maximalwert und/oder mindestens dem Minimalwert entspricht. Vielmehr wird der Verpressdruck periodisch reduziert, insbesondere bis auf null, sodass sich der Zellstapel entspannt. Durch das Messen des Istwerts der Erstreckung bei entspanntem Zellstapel und dem darauf folgenden Anpassen des Verpressdrucks wird eine unzulässig starke mechanische Beanspruchung des Zellstapels im Rahmen der Traktionsbatterie vermieden, insbesondere nach einem Einsetzen des Zellstapels in das Modulgehäuse.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass Abmessungen einer Vielzahl von Batteriezellen in Verpressrichtung vor dem Anordnen ermittelt werden und die Batteriezellen für den Zellstapel aus der Vielzahl von Batteriezellen derart ausgewählt werden, dass die Summe ihrer Abmessungen zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert der Erstreckung liegt. Zunächst liegen also mehr Batteriezellen vor als zum Herstellen des Zellstapels notwendig. Die Vielzahl von Batteriezellen umfasst somit eine Anzahl von Batteriezellen, welche größer ist als die Anzahl der mehreren Batteriezellen, die Bestandteil des Zellstapels sind. Beispielsweise ist die Anzahl der Batteriezellen, für welche die Abmessungen vor dem Verpressen ermittelt werden, mindestens doppelt so hoch wie die Anzahl der Batteriezellen, welche nachfolgend Bestandteil des Zellstapels sind.
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Anhand der Abmessungen der Batteriezellen werden die Batteriezellen für den Zellstapel aus der Vielzahl von Batteriezellen derart ausgewählt, dass die Summe ihrer Abmessungen in der Verpressrichtung mindestens dem Minimalwert und höchstens dem Maximalwert entsprechen. In anderen Worten werden die Batteriezellen zum Ausbilden des Zellstapels derart ausgewählt, dass sich ihre toleranzbehafteten Abmessungen zu Gesamtabmessungen des Zellstapels addieren, welche den gewünschten Abmessungen entsprechen, also insbesondere zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert liegen.
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Nach dem Auswählen der Batteriezellen auf die beschriebene Art und Weise werden diese zum Ausbilden des Zellstapels nebeneinander angeordnet und anschließend mit dem Verpressdruck in der Verpressrichtung miteinander verpresst. Mit der beschriebenen Vorgehensweise kann das Herstellen der Traktionsbatterie besonders prozesssicher umgesetzt werden, insbesondere wird sichergestellt, dass der Zellstapel nach dem Verpressen die gewünschten Abmessungen aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zu den Abmessungen der Vielzahl von Batteriezellen vor dem Anordnen Abmessungen einer Vielzahl von Zelltrennelementen ermittelt werden und die Batteriezellen aus der Vielzahl von Batteriezellen und die Zelltrennelemente aus der Vielzahl von Zelltrennelementen derart ausgewählt werden, dass die Summe ihrer Abmessungen zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert der Erstreckung liegt. Zusätzlich zu den Batteriezellen bildet also wenigstens ein Zelltrennelement den Zellstapel der Traktionsbatterie mit aus. Besonders bevorzugt ist auch hier zwischen jeweils zwei der Batteriezellen ein solches Zelltrennelement angeordnet. Durch das Auswählen sowohl der Batteriezellen aus der Vielzahl von Batteriezellen als auch der Auswahl der Zelltrennelemente aus der Vielzahl von Zelltrennelementen wird die vorstehend beschriebene hohe Prozesssicherheit erzielt, indem sichergestellt ist, dass der Zellstapel zumindest nach dem Verpressen die gewünschten Abmessungen aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vielzahl von Batteriezellen mehr Batteriezellen beinhaltet als der Zellstapel, insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4 oder mindestens 5. Hierauf wurde vorstehend bereits hingewiesen. Je mehr Batteriezellen die Vielzahl von Batteriezellen aufweist, umso genauer kann die Erstreckung des Zellstapels auf die gewünschte Erstreckung eingestellt werden. Beispielsweise werden mit dem beschriebenen Verfahren mehrere Traktionsbatterien beziehungsweise mehrere Zellstapel ausgebildet, wobei die Zellstapel aus der Vielzahl von Batteriezellen derart zusammengestellt werden, dass die Abmessungen der Zellstapel identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch sind.
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Beispielsweise werden die Zellstapel aus der Vielzahl von Batteriezellen derart zusammengestellt, dass ihre Abmessungen in der Verpressrichtung um höchstens 5 %, höchstens 7,5 % oder höchstens 10 % voneinander abweichen. Entsprechend liegen nach dem nebeneinander Anordnen der Batteriezellen zur Ausbildung der Zellstapel die Zellstapel bereits mit den gewünschten Abmessungen oder zumindest nahezu den gewünschten Abmessungen vor, sodass wiederum eine hohe Prozesssicherheit sichergestellt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Verpressdruck auf den Zellstapel durch Aufbringen von Verpresskräften auf gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels bewirkt wird. Insoweit sind auf beiden Seiten des Zellstapels verlagerbare Stempel angeordnet, mittels welchen das Verpressen der Batteriezellen erfolgt. Die Stempel werden zum Verpressen aufeinanderzuverlagert, sodass mit jedem der Stempel entsprechende Verpresskräfte auf den Zellstapel ausgeübt werden, sodass der Verpressdruck vorliegt. Eine derartige Vorgehensweise stellt ein gleichmäßiges Verpressen des Zellstapels sicher.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum Ausbilden des Zellstapels mindestens 12, mindestens 14 oder mindestens 16 Batteriezellen nebeneinander angeordnet werden. Aufgrund der großen Anzahl an Batteriezellen summieren sich die einzelnen Toleranzen der Batteriezellen zu einer hohen Gesamttoleranz des Zellstapels auf. Aus diesem Grund kann das beschriebene Verfahren zum Herstellen der Traktionsbatterie besonders vorteilhaft für Zellstapel verwendet werden, welche mindestens die genannte Anzahl an Batteriezellen aufweisen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zellstapel nach dem Verpressen in ein Modulgehäuse eingesetzt wird. Auch auf das Modulgehäuse wurde bereits hingewiesen. Das Modulgehäuse ist bevorzugt im Wesentlichen starr und weist eine rechteckige Grundstruktur auf, ist also insbesondere quaderförmig. Nach dem Verpressen wird der Zellstapel in das Modulgehäuse eingesetzt und dieses verschlossen. Anschließend kann das Modulgehäuse in das Batteriegehäuse zum Herstellen der Traktionsbatterie eingesetzt werden. Die Verwendung des Modulgehäuses hat den Vorteil einer zuverlässigen Separierung der einzelnen Zellstapel innerhalb des Batteriegehäuses.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Herstellungsvorrichtung zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Herstellungsvorrichtung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, mehrere Batteriezellen eines Zellstapels der Traktionsbatterie nebeneinander anzuordnen und mit einem bestimmten Verpressdruck in einer Verpressrichtung zu verpressen.
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Dabei ist die Herstellungsvorrichtung weiter dazu vorgesehen und ausgebildet, einen Istwert einer Erstreckung des Zellstapels zu messen und den Verpressdruck bei Überschreiten eines vorgegebene Maximalwerts der Erstreckung zu erhöhen, bis der Istwert höchstens dem Maximalwert entspricht und/oder der Verpressdruck einen Maximaldruck erreicht.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Herstellungsvorrichtung weiter dazu vorgesehen und ausgebildet, den Istwert der Herstellung des Zellstapels zu messen und den Verpressdruck bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwerts der Erstreckung zu verringern, bis der Istwert mindestens dem Minimalwert entspricht und/oder der Verpressdruck einen Minimaldruck erreicht.
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Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Herstellungsvorrichtung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Darstellung einer Herstellungsvorrichtung zum Herstellen einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Herstellungsvorrichtung 1, die zum Herstellen einer Traktionsbatterie 2 vorgesehen und ausgebildet ist. Von der Traktionsbatterie ist hier lediglich ein Zellstapel 3 zu erkennen, welcher sich aus mehreren Batteriezellen 4 und mehreren Zelltrennelementen 5 zusammensetzt. Insbesondere ist zwischen jeweils zwei der Batteriezellen 4 eines der Zelltrennelemente 5 angeordnet. Die Herstellungsvorrichtung 1 verfügt über Stempel 6, mittels welchen ein Verpressen des Zellstapels 3 vorgenommen werden kann.
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Zum Herstellen der Traktionsbatterie 2 werden zunächst die Batteriezellen 4 der Traktionsbatterie 2 nebeneinander angeordnet und die Zelltrennelemente 5 zwischen ihnen eingebracht. Anschließend wird der sich aus den Batteriezellen 4 und den Zelltrennelementen 5 zusammensetzende Zellstapel 3 mithilfe der Stempel 6 verpresst, nämlich in einer Verpressrichtung. Bei dem Verpressen wird ein bestimmter Verpressdruck eingestellt.
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Um reproduzierbare Abmessungen des Zellstapels 3 sicherzustellen, ist es nun vorgesehen, bei dem Verpressen einen Istwert einer Erstreckung des Zellstapels 3 in der Verpressrichtung zu messen. Ist der Istwert größer als ein Maximalwert der Erstreckung, so wird der Verpressdruck erhöht. Dies erfolgt insbesondere, bis der Istwert höchstens dem Maximalwert entspricht oder alternativ der Verpressdruck einen Maximaldruck erreicht. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, den Istwert der Erstreckung des Zellstapels 3 zu messen und mit einem Minimalwert der Erstreckung zu vergleichen.
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Ist der Istwert kleiner als der Minimalwert, so wird der Verpressdruck verringert, vorzugsweise bis der Istwert den Minimalwert erreicht oder überschreitet oder alternativ der Verpressdruck einen Minimaldruck erreicht. Beispielsweise ist es hierbei vorgesehen, zum Beginn des Verpressens einen Verpressdruck zu verwenden, welcher zwischen dem Minimaldruck und dem Maximaldruck liegt. Beispielsweise entspricht der Verpressdruck zu Beginn des Verpressens dem Minimaldruck oder einem Mittelwert zwischen dem Minimaldruck und dem Maximaldruck.
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Nachfolgend wird der Verpressdruck in Abhängigkeit von dem Istwert der Erstreckung verändert, bis der Istwert klein oder gleich dem Maximalwert und/oder größer oder gleich dem Minimalwert ist. Hierdurch werden reproduzierbare Abmessungen des Zellstapels 3 erzielt, sodass das Herstellen der Traktionsbatterie 2 äußerst prozesssicher erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Herstellungsvorrichtung
- 2
- Traktionsbatterie
- 3
- Zellstapel
- 4
- Batteriezelle
- 5
- Zelltrennelement
- 6
- Stempel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011112531 B3 [0002]
