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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers.
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Elektrische Energiespeicher, wie sie in teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden, umfassen eine hohe Anzahl an Energiespeicherzellen, welche untereinander elektrisch kontaktiert und verschaltet sind. Zur Kühlung sind in der Regel Kühlelemente vorgesehen. Die
DE 10 2008 027 293 A1 offenbart beispielsweise eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherelementen und einen Kühlkörper mit Kanälen zur Durchströmung mit einem Fluid, wobei die elektrischen Speicherelemente mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt stehen und Wärme der Speicherelemente an das Fluid übertragbar ist. Die hohe Anzahl an verbauten Energiespeicherzellen, deren elektrische Kontaktierung und Kühlung sowie die Sicherstellung weiterer Anforderungen, wie beispielsweise Sicherheitsanforderungen oder die Erfüllung struktureller/mechanischer Randbedingungen, machen die Herstellung von elektrischen Energiespeicherzellen zu einem sehr komplexen Vorhaben.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, wobei insbesondere eine prozesssichere und schnelle Fertigung unter Erfüllung höchster Qualitätsanforderungen ermöglicht sein soll.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers die Schritte:
- - Bereitstellen eines Kühlelements, welches sich entlang einer Längsachse erstreckt und eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche aufweist;
- - Aufbringen von Klebstoff auf die erste Seitenfläche;
- - Anordnen zumindest einer Energiespeicherzelle an der ersten Seitenfläche und, insbesondere formschlüssiges, Abstützen des Kühlelements dabei von der zweiten Seitenfläche her.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiespeicherzelle eine zylindrische Energiespeicherzelle, insbesondere eine Rundzelle. Bei dem Kühlelement handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um ein Kühlelement aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise einem Leichtmetall, wie Aluminium. Gemäß einer Ausführungsform ist das Kühlelement ein Strangpressprofil. Gemäß einer Ausführungsform weist es eine Vielzahl von Kanälen auf, welche sich bevorzugt entlang der Längsachse erstrecken. Diese können so gestaltet sein, dass beispielsweise in einem oberen Bereich des Kühlelements, bezogen auf eine Hochachse des Kühlelements, welche senkrecht zur Längsachse orientiert ist, ein (Kühl-)Fluid in eine Richtung transportiert werden kann, im unteren Bereich in die entgegengesetzte Richtung. Die Höhe entlang der Hochachse gesehen weist gemäß einer Ausführungsform beispielsweise eine Höhe von 6 bis 10 cm auf, eine Dicke liegt bevorzugt im Bereich weniger Millimeter, beispielsweise 3 bis 8 mm. Die Länge kann je nach Ausführungsform und Größe des aufzubauenden Energiespeichers deutlich variieren. Beispielsweise kann die Länge 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm oder noch mehr betragen.
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Bei der oder den Energiespeicherzellen handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um Rundzellen.
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Zweckmäßigerweise wird beim Anordnen der zumindest einen Energiespeicherzelle das Kühlelement, bevorzugt formschlüssig, abgestützt, bevorzugt insbesondere in dem Bereich, welcher dem Anordnungs- oder Kontaktbereich der jeweiligen Energiespeicherzelle, welche gerade angeordnet wird, gegenüberliegt. Das zumindest bereichsweise Abstützen ermöglicht ein definiertes Einstellen des Klebespalts. Abhängig davon, wie das Abstützen realisiert wird, kann damit zweckmäßigerweise auch das Kühlelement noch plastisch verformt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden eines Gegenhalters zum Abstützen, welcher an eine Soll-Form des Kühlelements, vollflächig oder abschnittsweise, angepasst ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kühlelement entlang der Längsachse eine Wellenform auf, wobei die Energiespeicherzellen jeweils in den Wellentälern positioniert sind oder werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Gegenhalter eine Vielzahl von Druckstücken auf, welche zur bereichs- oder abschnittsweisen Abstützung des Kühlelements ausgelegt sind. Die Druckstücke sind beispielsweise entlang der Längsachse derart zueinander beabstandet, dass die in den jeweiligen Wellentälern anzuordnenden Energiespeicherzellen abgestützt werden können. Mit anderen Worten kann das an der ersten Seitenfläche ausgebildete Wellental gegenüberliegend an der zweiten Seitenfläche mit einem entsprechend kongruent geformten Druckstück abgestützt werden. Alternativ weist der Gegenhalter eine Form oder Geometrie auf, welche ausgelegt ist, das Kühlelement vollflächig oder annähernd vollflächig entlang der Längsachse abzustützen. Der Gegenhalter wirkt zweckmäßigerweise wie eine Form oder wie ein Formwerkzeug, in welches das Kühlelement über die Anordnung einer oder mehrerer Energiespeicherzellen gedrückt werden kann. Damit ist es zweckmäßigerweise möglich, etwaige Fertigungstoleranzen oder dergleichen auszugleichen bzw. zu kompensieren.
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Daneben ermöglicht das bereichsweise Abstützen mittels Gegenhaltern zudem die exakte Einstellung, insbesondere auch dünner, Klebespalte. Zu einen ist es damit vorteilhafterweise möglich, Klebstoff zu sparen. Zum anderen wird der benötigte Bauraum verringert bzw. an anderer Stelle kann in der Folge mit höheren Toleranzen gearbeitet werden.
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Entsprechend umfasst das Verfahren vorteilhafterweise den Schritt:
- - Nachkalibrieren oder Ausrichten des Kühlelements bei oder über die Anordnung der zumindest einen Energiespeicherzelle.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Zumindest bereichsweise Umformen des Kühlelements beim Anordnen der zumindest einen Energiespeicherzelle derart, dass ein Klebespalt gebildet wird, welcher entlang einer Hochachse gesehen, sichelförmig oder im Wesentlichen sichelförmig ausgebildet ist.
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Ein derart sichelförmiger Klebstoffspalt ermöglicht mit Vorteil das gleichmäßige Verteilen des Klebstoffs. Indem ein Gegenhalter zum Abstützen verwendet wird, kann zudem sichergestellt werden, dass der Klebstoffspalt bei allen Energiespeicherzellen gleich ist. Ermöglicht wird also mit Vorteil eine gleichbleibende und vor allem auch gleichmäßige Fertigungsqualität. Der Klebstoff verteilt sich nicht in irgendeiner Art und Weise zufällig, sondern wird über den gezielt und definiert gebildeten Klebespalt definiert verteilt.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Klebstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise in zwei entlang der Hochachse übereinander angeordneten und zueinander beabstandeten entlang der Längsachse verlaufenden Bahnen angeordnet wird. Zunächst wird der Klebstoff auf der ersten Seitenfläche aufgebracht. In der Folge erfolgt die Anordnung der zumindest einen Energiespeicherzelle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Halten der zumindest einen Energiespeicherzelle beim Anordnen derart, dass eine Ausrichtung relativ zum Kühlelement möglich ist.
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Zweckmäßigerweise wird die Energiespeicherzelle beim Anordnen bzw. Handhaben derart gehalten, dass sie sich relativ zum Gegenhalter ausrichten kann. Mit anderen Worten wird durch die Verwendung des Gegenhalters nicht nur das Kühlelement abgestützt und im Zusammenwirken mit dem Anordnen der Energiespeicherzelle in eine Soll-Form gebracht. Zweckmäßigerweise erfolgt auch über den Gegenhalter eine exakte Positionierung der zumindest einen Energiespeicherzelle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Anordnen einer Vielzahl von Energiespeicherzellen an einer ersten Seitenfläche, sequenziell oder gleichzeitig, zum Erzeugen einer ersten Zellreihe;
- - Aufbringen von Klebstoff auf die zweite, gegenüberliegende Seitenfläche des Kühlelements.
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Das Aufbringen des Klebstoffs auf die zweite Seitenfläche erfolgt zweckmäßigerweise in der gleichen Anordnung bzw. Konfiguration wie auf die erste Seitenfläche.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen einer Vielzahl von Energiespeicherzellen an der zweiten Seitenfläche, sequentiell oder gleichzeitig, zum Erzeugen einer zweiten Zellreihe.
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Das Verfahren ist äußerst flexibel und ermöglicht den Aufbau ein- oder zweireihiger Segmente. Beim Erzeugen der zweiten Zellreihe ist das Kühlelement zweckmäßigerweise bereits ideal, mittelbar über die Anordnung der Zellen an der ersten Seitenfläche, ideal geformt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Aneinander Anordnen einer Vielzahl von Segmenten, umfassend jeweils ein Kühlelement und eine oder zwei Zellreihen, zum Erzeugen oder Aufbauen eines Energiespeichers.
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Die Anordnung, umfassend ein Kühlelement, an welchem eine oder zwei Zellreihen angeordnet sind, wird vorliegend Segment genannt. Es ist vorteilhafterweise möglich, den Energiespeicher aus Segmenten aufzubauen, welche eine und/oder zwei Zellreihen aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform können zwischen den Segmenten auch noch separat Kühlelement angeordnet werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn zweireihige Segmente verbaut werden.
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Bevorzugt erfolgt das Anordnen eines (neuen) Segments vor dem Ablauf der chemischen Offenzeit des verwendeten Klebstoffs des jeweiligen Segments. Damit ist, zumindest eine minimale, nachträgliche Ausrichtung der Energiespeicherzellen möglich bzw. gewährleistet. Innerhalb der Offenzeit behält der Klebstoff seine ursprüngliche Benetzungsfähigkeit, sodass die zu verklebenden Bauteile gefügt und justiert werden können. Typische Offenzeiten bevorzugter Klebstoffe liegen beispielsweise im Bereich von Sekunden oder (weniger) Minuten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verbinden der Kühlelemente.
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Wie bereits erwähnt, erstrecken sich die Kühlelemente jeweils entlang einer bzw. der Längsachse. Entsprechendes gilt für die an den Kühlelementen ausgebildeten Zellreihen. Der elektrische Energiespeicher bzw. die Energiespeicherzellen werden vorliegend zweckmäßigerweise so angeordnet, dass eine Vielzahl von Zellreihen entlang einer Querrichtung, also senkrecht zur Längsachse, Reihe an Reihe angeordnet wird. Die Kühlelemente sind dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sie auf einer Seite entsprechende Anschlüsse oder Verbindungselemente aufweisen, sodass ein durchgehender Kühlpfad realisiert werden kann.
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Das Verfahren umfasst dabei zweckmäßigerweise den Schritt:
- - Aufbringen einer Druckkraft beim Positionieren des Kühlelements an der anderen Zellreihe über die Energiespeicherzellen.
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Zweckmäßigerweise wird immer über die Energiespeicherzellen das jeweilige Kühlelement an die bereits vorhandene Zellreihe gedrückt.
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Nach dem Anordnen der Energiespeicherzellen bzw. der Zellreihen erfolgt gemäß einer Ausführungsform die elektrische Kontaktierung bzw. Verschaltung derselben. Im Anschluss erfolgt zweckmäßigerweise die Anordnung in einem entsprechenden Gehäuse, welches in der Folge in einem Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einem Personenkraftwagen, einem Nutzfahrzeug oder auch einem Kraftrad, eingebaut wird.
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Die Anordnung der Zellreihen aneinander kann auf einem Hilfselement, beispielsweise einem speziellen Tisch oder dergleichen, erfolgen. Alternativ kann die Anordnung auch direkt auf einem Bauteil erfolgen, welches später im fertigen Energiespeicher verbleibt. Dies kann ggf. die Handhabung der gesamten Anordnung erleichtern.
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Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines elektrischen Energiespeichers, umfassend zumindest einen Gegenhalter sowie eine Handhabungseinrichtung, wobei der Gegenhalter zur Anordnung und zumindest bereichsweisen Abstützung eines sich entlang einer Längsachse erstreckenden Kühlelements ausgelegt ist, und wobei die Handhabungseinrichtung zur Anordnung zumindest einer Energiespeicherzelle an einem an dem Gegenhalter angeordneten Kühlelement ausgelegt ist.
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Die vorgenannte Handhabungseinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform durch einen Roboter gebildet sein, welcher ausgelegt ist, ein oder mehrere Energiespeicherzellen zu handhaben. Alternativ kann die Handhabungseinrichtung auch als eine speziell ausgebildete Vorrichtung ausgebildet sein, welche speziell zu diesem Zweck aufgebaut ist. Eine derartige Handhabungseinrichtung umfasst beispielsweise eine Aufnahme zur Anordnung oder Befestigung eines entsprechenden Gegenhalters. Gemäß einer Ausführungsform ist der Entgegenhalter zumindest entlang einer Hochachse verfahrbar ausgebildet. Die angesprochene Hochachse bezeichnet dabei beispielsweise die Hochachse der Energiespeicherzellen. Damit ist es beispielsweise möglich, die zweite Seitenfläche nach Anordnung der Energiespeicherzellen an der ersten Seitenfläche freizugeben, um dort Klebstoff aufzubringen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Gegenhalter eine Vielzahl von Drückstücken auf, welche zur bereichs- oder abschnittsweisen Abstützung eines Kühlelements ausgelegt sind. Gemäß einer Ausführungsform sind die Druckstücke jeweils beweglich oder verlagerbar ausgebildet, insbesondere beispielsweise entlang der vorgenannten Hochachse, aber auch entlang der Längsachse bzw. in der Ebene, aufgespannt durch die Hochachse und die Längsachse.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Gegenhalter zur vollflächigen Abstützung eines Kühlelements ausgelegt. Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann der Gegenhalter ähnlich wie ein Formwerkzeug wirken, welches zweckmäßigerweise zum Nachformen oder Nachkalibrieren bzw. Ausrichten/Errichten eines darin angeordneten Kühlelements verwendet werden kann.
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Zweckmäßigerweise weist eine zur bereichsweisen Abstützung des Kühlelements vorgesehene Kontaktfläche des Gegenhalters einen Radius auf, welcher ausgelegt ist, einen sichelförmigen Klebstoffspalt zu erzeugen. Zweckmäßigerweise ist beispielsweise der Radius an der Kontaktfläche kleiner als der Radius der bevorzugt zylindrischen Energiespeicherzelle. Wie bereits erwähnt, kann über die sichelförmige Ausgestaltung des Klebstoffspalts zum einen eine gute Klebstoffverteilung erreicht werden. Zudem können dünne Klebespalte realisiert werden, welche zudem wiederholgenau und prozesssicher realisierbar sind. Der Klebstoff verteilt sich also nicht zufällig oder unregelmäßig, sondern sehr gezielt. Damit wird vorteilhafterweise ein genaues und ressourcenschonendes Arbeiten ermöglicht.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des Verfahrens bzw. einer Vorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: zwei Ansichten zum Veranschaulichen eines Grundprinzips des Verfahrens;
- 2: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Handhabungseinrichtung;
- 3: die aus der 2 bekannte Handhabungseinrichtung in einer anderen Stellung;
- 4: eine schematische Detailansicht, in welcher ein sichelförmiger Klebstoffspalt erkennbar ist;
- 5: eine schematische Skizze, welche die Anordnung mehrerer Segmente aneinander zeigt.
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1 zeigt ein Kühlelement 20, welches eine Wellenform aufweist und sich entlang einer Längsachse L erstreckt. Das Kühlelement 20 weist eine erste Seitenfläche 21 sowie eine zweite Seitenfläche 22 auf, wobei in den Wellentälern der ersten Seitenfläche 21 mehrere Energiespeicherzellen 1 angeordnet sind. Diese erstrecken sich jeweils entlang einer Hochachse H. Zu erkennen ist ein Gegenhalter 40, welcher ausgelegt ist, das Kühlelement 20 bereichs- oder abschnittsweise abzustützen, insbesondere in dem Bereich, in dem die Anordnung der Energiespeicherzellen 1 erfolgt. In der vorliegenden Ausführungsform des Gegenhalters 40 weist dieser entsprechende Druckstücke 42 auf, welche Kontaktflächen 44 aufweisen. In der rechten Bildhälfte ist ein Schnitt dargestellt, wie er in der linken Bildhälfte skizziert ist. Zu erkennen ist hier, dass über die Anordnung des Gegenhalters bzw. des Druckstücks 42 das Kühlelement 20 beim Anordnen der Energiespeicherzelle beim Anordnen derselben entlang der Anordnungsrichtung A abgestützt werden kann. Die Hochachse H sowie die Längsachse L formen eine Ebene, zu welcher senkrecht, also entlang der Anordnungsrichtung A, die Anordnung der Energiespeicherzellen 1 erfolgt. Zu erkennen ist, dass bei Verwendung eines derartigen Gegenhalters 40, vgl. diesbezüglich insbesondere die linke Bildhälfte, ein entsprechend ausgebildetes Kühlelement 20, welches vorliegend eine Wellenform aufweist, über die Anordnung der Energiespeicherzellen 1 noch nachträglich kalibriert, ausgerichtet bzw. gerichtet werden kann. Insbesondere können etwaige maßliche Toleranzen, welche das Kühlelement 20 aufweisen kann, über die Anordnung der Energiespeicherzellen 1, ausgeglichen werden. Der Gegenhalter 40 wirkt wie ein Formwerkzeug, welches im Zusammenwirken mit der durch die Energiespeicherzellen 1 auf das Kühlelement 20 aufgebrachten Kraft wirken kann.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführungsform einer Handhabungseinrichtung 50, welche einen Schwenkarm 52 umfasst, an welchem eine Energiespeicherzelle 1 angeordnet ist. Die Handhabungseinrichtung 50 umfasst einen Gegenhalter 40, an welchem bereits ein Kühlelement 20 angeordnet ist. Dieses weist eine erste Seitenfläche 21 sowie eine zweite Seitenfläche 22 auf und erstreckt sich entlang einer Hochachse H bzw. in die Zeichenebene hinein, entlang einer Längsachse L. Entlang derer sind vorliegend bereits zwei Klebstoffbahnen 30 aufgebracht.
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3 zeigt nun die aus der 2 bekannte Handhabungseinrichtung 50, wobei der Schwenkarm 52 derart verfahren wurde, dass die Energiespeicherzelle 1, bzw. mehrere, an der ersten Seitenfläche 21 des Kühlelements 20 angeordnet sind. Hier nicht dargestellt ist, dass der Gegenhalter 40 beispielsweise entlang der Hochachse H, vorliegend insbesondere nach oben, verfahren werden kann. Damit kann die zweite Seitenfläche 22 freigegeben werden. In der Folge kann auch hier ein Klebstoffauftrag erfolgen.
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4 zeigt eine Detailansicht, wobei eine zylindrische Energiespeicherzelle 1 zu sehen ist, welche sich entlang einer Hochachse H erstreckt. Ein Kühlelement 20, welches vorliegend nur abschnittsweise dargestellt ist, ist über einen Gegenhalter 40 bzw. ein Druckstück 42 abgestützt. Dieses umfasst eine Kontaktfläche 44, welche vorliegend derart geformt ist, dass im Zusammenwirken mit der Anordnung der Energiespeicherzelle bzw. der Abstützkraft, aufgebracht über den Gegenhalter 40, ein sichelförmiger oder im Wesentlichen sichelförmiger Klebstoffspalt 32 erzielt wird. Hierzu weist die Kontaktfläche einen Radius auf, welcher beispielsweise kleiner ist als ein Radius der Energiespeicherzelle 1. Ein derartiger Klebstoffspalt ermöglicht eine sehr definierte Klebstoffverteilung. Zudem können insbesondere dünne und gleichmäßige Klebstoffspalte erreicht werden. Die Klebstoffspalte ergeben sich also nicht irgendwie oder zufällig, sondern werden insbesondere über die Form des Gegenhalters 40 bzw. dessen Kontaktfläche 44 vorgegeben.
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5 zeigt schematisch das Vorgehen bei der Anordnung mehrere Segmente 10 aneinander. Die Segmente 10 weisen vorliegend jeweils eine erste Zellreihe 11 auf, sind also einreihig. Vorliegend ist eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 1 dargestellt, welche sich entlang einer Hochachse H erstrecken und die ersten Zellreihen 11 formen. Schematisch dargestellt ist, dass von rechts ein (neues) Segment 10 an bereits aneinander angeordneten Segmenten 10 angeordnet wird. Die Anordnung erfolgt dabei zweckmäßigerweise innerhalb der chemischen Offenzeit des verwendeten Klebstoffs zumindest des rechten Segments 10. Die Anordnung des rechten Segments 10 von rechts nach links an der bereits bestehenden Anordnung erfolgt dabei zweckmäßigerweise derart, dass ein Andrücken über die Energiespeicherzellen 1 erfolgt. Über die Energiespeicherzellen 1 des rechten Segments 10 wird also das entsprechende Kühlelement 20 an die bereits vorhandenen Segmente 10 bzw. die Energiespeicherzellen 1 angedrückt. Die Kühlelemente 20 werden untereinander über entsprechende Verbindungselemente 24 zweckmäßigerweise verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicherzelle
- 10
- Segment
- 11
- erste Zellreihe
- 20
- Kühlelement
- 21
- erste Seitenfläche
- 22
- zweite Seitenfläche
- 24
- Verbindungselement
- 30
- Klebstoff
- 32
- Klebstoffspalt
- 40
- Gegenhalter
- 42
- Druckstück
- 44
- Kontaktfläche
- 50
- Handhabungseinrichtung
- 52
- Schwenkeinrichtung
- L
- Längsachse
- H
- Hochachse
- D
- Druckkraft
- G
- Gegenkraft
- A
- Anordnungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008027293 A1 [0002]
