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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung, vorzugsweise eine Batterierundzellenanordnung, für einen elektrischen Traktionsenergiespeicher eines Fahrzeugs, ein Batteriemodul mit einer solchen Batteriezellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezellenanordnung oder einem solchen Batteriemodul.
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Hybrid-, Plug-In-Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsenergiespeicher, welche zur Aufnahme von elektrischer Rekuperationsenergie und Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie dienen können. Traktionsenergiespeicher können auf Basis von Akkumulatoren, z. B. Li-lonen-Batterien, gebildet sein. Derartige Traktionsenergiespeicher können beispielsweise modular aufgebaut sein, wobei einzelne Batteriezellen stapelartig oder hintereinander angeordnet und elektrisch zu einzelnen Batteriemodulen zusammengefasst sind, die wiederum innerhalb eines Gehäuses in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Bei den aus der Praxis bekannten Batteriezellen wird zusätzlicher Bauraum benötigt, um diese leitend miteinander zu verbinden. Hierdurch entsteht eine nachteilige Packungsdichte beziehungsweise Energiedichte bezogen auf das Bauraumvolumen, welches ein Batteriemodul mit konventionellen Batteriezellen aufweist. Dies führt nachteilig dazu, dass Batteriemodule von vornherein größer geplant werden müssen, um eine vorgegebene elektrische Speichergröße zu erreichen. Ferner stellt sich das elektrisch leitende Verbinden von herkömmlichen Batteriezellen als vergleichsweise aufwendig dar, weil Vorrichtungen, wie zum Beispiel Zellverbinder, zum leitenden Verbinden mehrerer Batteriezellen verwendet werden müssen. Ferner müssen derartige Zellverbinder nachteilig unter Einsatz entsprechender Werkzeuge, z. B. einem Lötwerkzeug, mit den Batteriezellen elektrisch verbunden werden, wodurch höhere Kosten bei der Produktion entstehen.
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Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Technik für eine Batteriezellenanordnung, vorzugsweise für eine Batterierundzellenanordnung, bereitzustellen, die Nachteile herkömmlicher Techniken vermeidet. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung eine Batteriezelle bereitzustellen, die mit geringem Aufwand bauraumsparend mit weiteren Batteriezellen verbunden werden kann.
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Die Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Batteriezellenanordnung für einen elektrischen Traktionsenergiespeicher eines Fahrzeugs. Die Batteriezelle ist vorzugsweise eine Rundzelle, auch als zylindrische Batteriezellen bezeichnet, und die Batteriezellenanordnung ist vorzugsweise eine Batterierundzellenanordnung. Die Batteriezellenanordnung umfasst zwei Batteriezellen, das heißt eine erste und eine zweite Batteriezelle. Die Batteriezellenanordnung kann darüber hinaus weitere Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen umfassen jeweils einen Grundkörper mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite. Im Falle einer Rundzelle ist der Grundkörper zylinderförmig ausgeführt. Der Grundkörper umfasst den Zellwickel und/oder bildet den Zellwickel aus. Ferner umfassen die Batteriezellen jeweils einen auf der ersten Seite angeordneten ersten Anschlusspol, der in Bezug zum Grundkörper nach außen gewölbt ist und einen auf der zweiten Seite angeordneten zweiten Anschlusspol, der in Bezug zum Grundkörper nach innen gewölbt ist. Ferner sind die erste und die zweite Batteriezelle elektrisch leitend mittels der Anschlusspole miteinander verbunden. Der erste Anschlusspol der zweiten Batteriezelle und der zweite Anschlusspol der ersten Batteriezelle bilden eine Steckverbindung aus.
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Dies bietet den Vorteil gegenüber herkömmlichen Batteriezellen, dass eine leitende Verbindung der zwei Batteriezellen mittels der Steckverbindung ohne separate oder zusätzliche Vorrichtungen oder Werkzeuge sowie ohne Verbindungsverfahren, wie zum Beispiel Schweißen, ermöglicht wird. Hierdurch werden Kosten in der Fertigung eingespart. Mit anderen Worten kann die Batteriezellenanordnung keine separate Verbindungsvorrichtung bis auf die Anschlusspole selbst zum leitenden Verbinden der ersten und der zweiten Batteriezelle umfassen. Ferner hat dies weiter den Vorteil, dass die Batteriezellen dicht hintereinander aufgereiht werden können, wodurch Platz gegenüber herkömmlichen Batteriezellen eingespart werden kann. Insbesondere kann hierdurch auf vorteilhafte Weise die Energiedichte der Batteriezellenanordnung erhöht werden. Unter Energiedichte kann die Energie, in diesem Fall die speicherbare elektrische Energie, pro Raumvolumen verstanden werden.
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Der zweite Anschlusspol kann formkorrespondierend zum ersten Anschlusspol ausgebildet sein. So kann beispielsweise der erste Anschlusspol, der als sog. männliches Teil dient, als Stecker oder Kontaktstift ausgebildet sein und der zweite Anschlusspol, der als sog. weibliches Teil dient, mit einer nach innen weisenden Kontaktöffnung in Form einer Buchse ausgebildet sein. Ferner kann die Steckverbindung in der Form einer leichten Presspassung ausgebildet sein, indem der erste Anschlusspol gegenüber dem zweiten Anschlusspol entsprechend, vorzugsweise leicht, größer ausgebildet ist. Die Presspassung ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine sichere Halterung der zwei Anschlusspole miteinander, sodass auch zum Beispiel durch Vibrationen eine Gefahr einer Dekontaktierung der zwei Anschlusspole vermieden wird. Alternativ kann die sichere Halterung der Steckverbindung mittels einer Schnappverbindung (engl. snap-fit) erfolgen, um vorzugsweise einen Formschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspol zu erzeugen. Der erste Anschlusspol der zweiten Batteriezelle und der zweite Anschlusspol der ersten Batteriezelle werden dabei durch Formschluss passend ausgerichtet und miteinander elektrisch kontaktiert, vorzugsweise lediglich durch Formschluss miteinander elektrisch kontaktiert. Der erste Anschlusspol und der zweite Anschlusspol können glatte Kontaktflächen zur Ausbildung der Steckverbindung aufweisen. Der erste Anschlusspol und der zweite Anschlusspol sind vorzugsweise nicht miteinander verschraubbar, d. h., die ausgebildete Steckverbindung weist keine zusätzliche Schraubverbindung des ersten Anschlusspols mit dem zweiten Anschlusspol auf.
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Die Steckverbindung des ersten Anschlusspols der zweiten Batteriezelle und des zweiten Anschlusspols der ersten Batteriezelle kann eine Reihenschaltung ausbilden. In anderen Worten können die sich kontaktierenden Anschlusspole der Steckverbindung eine entgegengesetzte Ladung, vorzugsweise eine positive und negative Ladung, aufweisen.
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In einer Ausführungsform können die Grundkörper der ersten und der zweiten Batteriezelle einen Abstand zueinander aufweisen. Der Abstand kann auf vorteilhafte Weise zur Kühlung der Batteriezellenanordnung dienen, z. B. indem ein Fluid durch den Abstand strömen kann und somit Wärme von den Grundkörpern abgeführt werden kann. Beispielweise kann ein flüssiges, vorzugsweise nichtleitendes, Kühlmittel als Fluid durch den Abstand strömen. Der Abstand kann beispielhaft eine Breite aufweisen, die in einem Bereich von 1 mm bis zu 2cm liegt. In anderen Worten kann ein Spalt zwischen den Grundkörpern zweier mittels Steckverbindung verbundenen Batteriezellen ausgebildet sein. Ein breiterer Abstand ermöglicht vorteilhaft eine bessere Kühlung, da mehr Platz zum Durchströmen des Abstands vorliegt. Ein engerer Abstand bietet den Vorteil einer vergleichsweise hohen Energiedichte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zur Ausbildung des Abstands der nach außen gewölbte erste Anschlusspol in einer Batteriezellenlängsrichtung länger sein als der nach innen gewölbte zweite Anschlusspol. Dies bietet den Vorteil, dass der Abstand konstruktiv durch die Ausgestaltung des ersten und des zweiten Anschlusspols definiert ist und keine zusätzlichen Hilfsmittel zur Ausbildung des Abstands benötigt werden. In anderen Worten kann der erste Anschlusspol, auch Vater-Verbindung genannt, in einer Batterielängsrichtung länger sein als ein Hohlraum des nach innen gewölbten zweiten Anschlusspols, auch Mutter-Verbindung genannt.
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In einer Ausführungsform können die Batteriezellen ferner jeweils zur Ausbildung des Abstands der Grundkörper einen Abstandhalter umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass eine Anpassung des Abstands mittels verschiedener Ausführungen des Abstandhalters leicht möglich ist, ohne konstruktive Veränderungen an der Batteriezelle selbst durchführen zu müssen. Der Abstandhalter kann aus einem nichtleitenden Material, wie beispielsweise Kunststoff bestehen.
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In einer Ausführungsform kann der Abstandhalter im Bereich des ersten oder des zweiten Anschlusspols angeordnet sein. Alternativ kann der Abstandhalter auf der ersten oder zweiten Seite des Grundkörpers der jeweiligen Batteriezelle angeordnet sein. Beispielsweise kann der Abstandhalter am zweiten Anschlusspol, der in Bezug zum Grundkörper nach innen gewölbt ist, angeordnet sein. Alternativ kann der Abstandhalter auf dem ersten Anschlusspol angeordnet sein. Der Abstandhalter kann mittels einer Klebeverbindung, einer Pressverbindung und/oder formschlüssig gehaltert sein. Der Abstandhalter kann ringförmig ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstandhalter aus mehreren Teilstücken bestehen, wie beispielsweise mehrere Würfel der gleichen Größe oder dergleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann der Abstandhalter ein Kunststoffring sein. Vorzugsweise ist der Kunststoffring auf dem ersten Anschlusspol angeordnet. In anderen Worten kann der Abstandhalter den ersten Anschlusspol ringförmig umgeben. Der Kunststoffring kann einstückig ausgeführt sein.
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In einer Ausführungsform kann die Batteriezellenanordnung eine dritte Batteriezelle umfassen, die mit der ersten und der zweiten Batteriezelle baugleich ausgebildet ist, wobei der erste Anschlusspol der dritten Batteriezelle und der zweite Anschlusspol der zweiten Batteriezelle eine elektrisch leitende Steckverbindung ausbilden. Die Batteriezellenanordnung kann mit einer beliebigen weiteren Anzahl, beispielsweise einer vierten, fünften oder sechsten Batteriezelle, gemäß dem beschriebenen Steckverbindungsprinzip erweiterbar sein. Dies bietet den Vorteil, dass Batteriezellenanordnungen verschiedener Größe auf einfache Weise realisiert werden können.
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In einer Ausführungsform können Batteriezellen der Batteriezellenanordnung, insbesondere die erste und die zweite, Batteriezelle baugleich ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Batteriezellenanordnung modular erweiterbar ist sowie die Herstellungskosten pro Batteriezelle sinken.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Batteriezellen jeweils als Rundzellen ausgebildet sein. Entsprechend kann in dieser Ausführungsform der Grundkörper der Batteriezellen zylinderförmig ausgebildet sein, wie vorstehend bereits festgestellt wurde.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Batteriemodul umfassend zumindest eine Batteriezellenanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Batteriemodul kann Kombinationen mehrerer Batteriezellenanordnungen umfassen. Beispielsweise kann das Batteriemodul zwei Batteriezellenanordnungen umfassen, die jeweils vier in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweisen, wobei die zwei Batteriezellenanordnungen durch entsprechendes Anschließen der Anschlusspole parallel geschaltet sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, umfassend eine Batteriezellenanordnung, wie in diesem Dokument beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann das Kraftfahrzeug ein Batteriemodul, wie in diesem Dokument beschrieben, umfassen.
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Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine einzelne Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine einzelne Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Batteriezellenanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, umfassend zwei Batteriezellen 20. Die in dem Beispiel dargestellten Batteriezellen 20 sind Batterierundzellen. Die Batteriezellen 20 umfassen jeweils einen Grundkörper 21 mit einer ersten Seite 22 und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite 23. Ferner umfassen die Batteriezellen 20 einen auf der ersten Seite 22 angeordneten ersten Anschlusspol 24, der in Bezug zum Grundkörper 21 nach außen gewölbt ist sowie einen auf der zweiten Seite 23 angeordneten zweiten Anschlusspol 25, der in Bezug zum Grundkörper 21 nach innen gewölbt ist. Die erste und die zweite Batteriezelle 20 sind elektrisch leitend mittels der Anschlusspole 24, 25 miteinander verbunden, wobei der erste Anschlusspol 24 der zweiten Batteriezelle 20 und der zweite Anschlusspol 25 der ersten Batteriezelle 20 eine Steckverbindung 26 ausbilden. Die Batteriezellen 20 sind in diesem Beispiel in Reihe geschaltet. Alternativ könnten diese auch parallel geschaltet werden. Die Steckverbindung ist in diesem Beispiel eine reine durch Formschluss ausgebildete Steckverbindung, kann alternativ auch über eine Presspassung realisiert sein, indem der erste Anschlusspol 24, der mit dem zweiten Anschlusspol 25 in Verbindung steht, etwas größer dimensioniert ist, als der nach innen gewölbte zweite Anschlusspol 25.
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Mittels dieses Steckprinzips wird der Einsatz von Werkzeug vorteilhaft vermieden, der für ein leitendes Verbinden zweier konventioneller Batteriezellen notwendig ist, wie beispielsweise ein Schweißgerät zum Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Polen mit einem Zellverbinder (engl. Busbar). Ferner wird auch vermieden eine Verbindungsvorrichtung, wie zum Beispiel sogenannte Zellverbinder, für ein leitendes Kontaktieren der zwei Batteriezellen zu nutzen.
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Die in 1 dargestellten Batteriezellen 20 sind baugleich als Rundzellen ausgeführt. Der Grundkörper 21 jeder Batteriezelle 20 kann einen Zellwickel umfassen oder ausbilden, wie dies bereits aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist. Ferner weisen die Grundkörper 21 der ersten und der zweiten Batteriezelle 20 einen Abstand 27 zueinander auf. Zur Ausbildung des Abstands 27 ist der nach außen gewölbte erste Anschlusspol 24 in einer Batteriezellenlängsrichtung L länger als der nach innen gewölbte zweite Anschlusspol 25. Entsprechend bildet der zweite Anschlusspol 25 einen Anschlag für den ersten Anschlusspol 24 aus. Alternativ und in 3 dargestellt könnten die Batteriezellen 20 ferner jeweils zur Ausbildung des Abstands 27 der Grundkörper 21 einen Abstandhalter umfassen.
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Obwohl in 1 nur zwei Batteriezellen 20 zur Vereinfachung der Darstellung gezeigt sind, ist dem Fachmann bewusst und eindeutig klar, dass die Batteriezellenanordnung beliebig mit weiteren Batteriezellen 20 erweiterbar ist, und dies analog mit weiteren Steckverbindungen 26 zwischen benachbarten Batteriezellen 20 erfolgt, wie diese in 1 dargestellt ist. Beispielsweise könnte die Batteriezellenanordnung in 1 eine dritte Batteriezelle 20 (nicht dargestellt) umfassen, die mit der ersten und der zweiten Batteriezelle 20 baugleich ausgebildet ist, wobei der erste Anschlusspol 24 der dritten Batteriezelle 20 und der zweite Anschlusspol 25 der zweiten Batteriezelle 20 eine elektrisch leitende Steckverbindung 26 ausbilden würden. Dies soll nochmals verdeutlichen, dass die Batteriezellen 20 einfach leitend miteinander verbunden werden können, Batterieanordnungen 10 verschiedenster Größe realisiert werden können und kein Werkzeug oder zusätzliche Vorrichtungen, wie beispielsweise Zellverbinder, für das leitende Verbinden der Batteriezellen 20 notwendig ist.
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2 zeigt eine einzelne Batteriezelle 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verdeutlicht werden soll hierbei nochmals die Formkorrespondenz des ersten Anschlusspols 24 auf der ersten Seite 22 des Grundkörpers 21 mit dem zweiten Anschlusspol 25 auf der zweiten Seite 23 des Grundkörpers 21, die wie bereits in 1 dargestellt, mit den Anschlusspolen weiterer Batteriezellen 20 steckbar verbindbar sind. Bei der dargestellten Batteriezelle handelt es sich um eine Batterierundzelle. Der erste Anschlusspol, der als sog. männliches Teil dient, ist als Stecker oder Kontaktstift ausgebildet. Der zweite Anschlusspol, der als sog. weibliches Teil dient, ist mit einer nach innen weisenden Kontaktöffnung in Form einer Buchse ausgebildet. Der erste Anschlusspol der einen Batteriezelle und der zweite Anschlusspol der benachbarten Batteriezelle werden dabei durch Formschluss passend ausgerichtet und miteinander elektrisch kontaktiert, vorzugsweise lediglich durch Formschluss miteinander elektrisch kontaktiert. Der erste Anschlusspol und der zweite Anschlusspol weisen glatte Kontaktflächen zur Ausbildung der Steckverbindung auf.
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3 zeigt eine Batteriezelle 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei zur Ausbildung des Abstands 27 (siehe 1) der Grundkörper 21 einen Abstandhalter umfasst, wobei der Abstandhalter in diesem Beispiel ein Kunststoffring 28 ist, der auf dem ersten Anschlusspol 24 angeordnet ist. Andere Formen für den Abstandhalter die zweckmäßig sind, sind für den Fachmann ferner denkbar. Alternativ und nicht dargestellt könnte der Abstandhalter in einem Bereich des zweiten Anschlusspols 25 angebracht sein, beispielsweise an einer Innenwandung des zweiten Anschlusspols. Alternativ oder zusätzlich und nicht dargestellt könnte der Abstandhalter auf der ersten oder zweiten Seite 22, 23 des Grundkörpers 21 der jeweiligen Batteriezelle 20 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kunststoffring 28 auf den ersten Anschlusspol aufgeschoben und mittels Reibschluss gehaltert. Alternativ könnte der Kunststoffring 28 auch auf den ersten Anschlusspol aufgeklebt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Rein beispielhaft und schematisch dargestellt sind zwei der zuvor beschriebenen Batteriezellenanordnungen 10 mit jeweils zwei Batteriezellen 20 in dem Batteriemodul 40 dargestellt. Die drei Punkte hinter den zwei Batteriezellenanordnungen 10 sollen die Erweiterbarkeit der jeweiligen Batteriezellenanordnung 10 verdeutlichen. Die Batteriezellenanordnungen 10 sind entsprechend verschaltet (nicht dargestellt), um ein Laden und/oder Entladen der Batteriezellen zu ermöglichen.
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Kraftfahrzeug 50 umfasst ein Batteriemodul 40 mit zwei Batteriezellenanordnungen 10, wobei dies rein beispielhaft und schematisch dargestellt ist. Obwohl nur ein einzelnes Batteriemodul 40 dargestellt ist, ist dem Fachmann bewusst, dass das Kraftfahrzeug 40 eine Mehrzahl des dargestellten Batteriemoduls 40 umfassen kann und, dass die Batteriemodule verschiedene Kombinationen von Batteriezellenanordnungen 10 aufweisen können, die in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind. Das Kraftfahrzeug 40 kann alternativ oder zusätzlich und nicht dargestellt eine bereits zuvor beschriebene Batteriezellenanordnung 10 umfassen, die nicht in einem Batteriemodul 40 angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezellenanordnung
- 20
- Batteriezelle
- 21
- Grundkörper
- 22
- Erste Seite
- 23
- Zweite Seite
- 24
- Erster Anschlusspol
- 25
- Zweiter Anschlusspol
- 26
- Steckverbindung
- 27
- Abstand
- 28
- Kunststoffring
- 40
- Batteriemodul
- 50
- Kraftfahrzeug
- L
- Batteriezellenlängsrichtung
