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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine federnde elektrische Verbindung zwischen einer Batteriezelle und mindestens einem Temperatursensor, der auf einer Leiterplatte oder einer Flexfolie aufgenommen ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Batteriesystem mit einer Anzahl von Batteriezellen und einer Anzahl von Temperatursensoren, die über eine federnde elektrische Verbindung mit einem Steuergerät verbunden sind. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der federnden elektrischen Verbindung zur Verbindung mindestens eines Temperatursensors mit einem Steuergerät.
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Stand der Technik
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DE 10 2012 215 333 A1 bezieht sich auf eine Batterie und ein Kraftfahrzeug. Die Batterie umfasst eine Batteriezelle, ein elektrisch leitfähiges Batteriezellengehäuse und einen Gehäusedeckel mit einer Überwachungsschaltung. Eine Elektrode der Batteriezelle ist über ein Schaltmittel in der Überwachungsschaltung elektrisch leitfähig mit dem Batteriezellengehäuse verbunden, wobei die Überwachungsschaltung ausgebildet ist, bei Erkennen eines Störungssignals das im störungsfreien Betrieb geschlossene Schaltmittel zu öffnen.
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DE 10 2027 209 413 A1 bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zum Überwachen zumindest einer Batteriezelle. Die Batteriezelle ist Teil eines Batteriesystems aufweisend ein Sensorelement zur Erfassung zumindest einer Zustandsgröße der Batteriezelle, zumindest ein mit dem Sensorelement verbundenes und elektrisch und/oder thermisch leitfähiges Verbindungselement, so dass das Sensorelement mit der Batteriezelle und mit einer Elektronikeinheit des Batteriesystems verbunden werden kann. Das Verbindungselement ist als flexible Leiterplatte ausgeführt.
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DE 10 2016 206 666 A1 bezieht sich auf einen Temperatursensor, ein Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Montieren eines Batteriesystems. Ein Temperatursensor dient zur Messung einer Temperatur eines Batteriesystems zum Speichern elektrischer Energie sowie zum Versorgen eines Elektromotors eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Der Temperatursensor weist einen Sensorkopf und mit dem Sensorkopf elektrisch gekoppelte Anschlussdrähte auf. Mindestens einer der Anschlussdrähte ist zumindest teilweise als ein Federelement ausgebildet oder bildet zumindest einen Teil eines Federelements, wobei das Federelement schraubenfederförmig oder verdrillt ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit mindestens einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur mindestens einer Batteriezelle, wobei der Temperatursensor mindestens ein Federelement aufweist, welches mechanisch an einen Sensorkopf des Temperatursensors angebunden und derart an dem Batteriemanagementsystem befestigt ist, dass der Sensorkopf von dem Federelement auf eine Messstelle an einer Batterieeinheit des Batteriesystems gedrückt wird. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines derartigen Batteriesystems.
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Bei bisherigen Lösungen wurde ein Temperatursensor beispielsweise mit einem Kabel verbunden. Dazu ist jedoch eine Steckverbindung erforderlich, die im Produktionsablauf gesondert geschlossen werden muss. Ein eventuell erforderlicher EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Filter ist nur mit hohem Aufwand direkt am Sensor platzierbar. Wird ein Temperatursensor auf einer Flexfolie aufgebracht, so ist ebenfalls eine Steckverbindung im Produktionsablauf gesondert zu schließen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine federnde elektrische Verbindung vorgeschlagen zwischen einer Batteriezelle und mindestens einem Temperatursensor, der auf einer Leiterplatte oder einer Flexfolie aufgenommen ist. Die federnde elektrische Verbindung ist zwischen mindestens einer Kontaktfeder, einem Steuergerät und dem mindestens einen Temperatursensor hergestellt.
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Bei Montage des Gehäuses auf einem Steuergerät einer oder mehrerer Batteriezellen werden der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend unmittelbar durch mindestens eine Kontaktfeder unmittelbar elektrische Verbindungen hergestellt, die den mindestens einen Temperatursensor über die hergestellte federnde elektrische Verbindung mit einem Steuergerät verbinden, ohne dass eine gesonderte Steckverbindung, eine Kabelverbindung oder dergleichen erforderlich wären und demzufolge der mit diesen ansonsten einhergehende Aufwand hinsichtlich von Montageschritten und hinsichtlich zusätzlicher Bauelemente eingespart werden kann.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung ist die mindestens eine Kontaktfeder unterhalb des Gehäuses des Steuergeräts, insbesondere auf der einer Leiterplatte oder einer Flexfolie zuweisenden Seite des Gehäuses aufgenommen. Durch diese Anordnung entsteht unmittelbar bei der Montage mindestens eine federnde elektrische Verbindung zwischen einem Temperatursensor und einem am Gehäuse angeschlossenen Steuergerät.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung wird unmittelbar durch das Aufsetzen des Gehäuses des Steuergeräts auf die eine oder mehrere Batteriezellen die federnde elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Temperatursensor und dem Steuergerät hergestellt. Dies macht zusätzliche Kleinteile sowie separate Montageschritte entbehrlich.
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In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen federnden elektrischen Verbindung umfasst die Leiterplatte oder die Flexfolie mindestens eine Schaltung zur EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Entstörung, die bevorzugt durch einen Kondensator und einen Temperatursensor dargestellt sind.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung ist der mindestens eine Temperatursensor mittels einer stoffschlüssigen Verbindung auf die Leiterplatte oder die Flexfolie aufgebracht und über eine Kontaktplatte oder mindestens einen beschichteten Bereich kontaktiert. Die Positionierung des mindestens einen Temperatursensors auf der Leiterplatte oder der Flexfolie vermeidet in vorteilhafter Weise den Einsatz separater Befestigungsmittel. Durch die geeignete Anordnung des mindestens einen Temperatursensors auf der Oberseite der Leiterplatte oder auf der Oberseite der Flexfolie, dem Gehäuse zuweisend, entsteht bei Montage desselben automatisch die federnde elektrische Verbindung zwischen einem Temperatursensor und dem Steuergerät oder mehreren Temperatursensoren und dem betreffenden Steuergerät.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung ist zwischen der Leiterplatte und der Batteriezelle ein thermisch leitfähiger Klebstoff aufgebracht.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung ist zwischen der Flexfolie und der Batteriezelle ein doppelseitiges Klebeband angeordnet.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Verbindung kann die Kontaktfeder in einer Ausführungsvariante ein erstes Kontaktfederende und ein zweites Kontaktfederende aufweisen, wobei die Kontaktfeder in einer Hülse geführt ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine sichere Kontaktierung einander gegenüberliegender Leiterplatten sichergestellt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung ist das erste Kontaktfederende an ein Kontaktpad einer Leiterplatte des Steuergeräts angestellt, während das dem ersten Kontaktfederende gegenüberliegende zweite Kontaktfederende ein Kontaktpad oder einen beschichteten Bereich der Leiterplatte kontaktiert, die auf der Oberseite einer Batteriezelle aufgenommen sind.
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Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene federnde elektrische Verbindung dadurch aus, dass die ersten und zweiten Kontaktfederenden durch die zwischen diesen aufgenommene Kontaktfeder gegeneinander vorgespannt sind. Aufgrund der mittigen Lage der Kontaktfeder ist die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen Temperatursensor und dem Steuergerät auch bei Vibrationen und dergleichen beziehungsweise bei rauen Betriebszuständen, denen eine Batteriezelle oder ein Batteriesystem ausgesetzt sein kann, sichergestellt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Batteriesystem mit einer Anzahl von Batteriezellen, bei dem eine Anzahl von Temperatursensoren zur Überwachung der Temperatur verbaut ist, die über eine federnde elektrische Verbindung mit einem Steuergerät verbunden sind.
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Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung der federnden elektrischen Verbindung zur Verbindung mindestens eines Temperatursensors mit einem Steuergerät
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Vorteile der Erfindung
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Durch die federnde elektrische Kontaktierung mindestens eines Temperatursensors, der auf der Oberseite der Leiterplatte oder der Flexfolie aufgenommen ist, können Verbindungsbauteile, die ansonsten die elektrische Verbindung herstellen, eingespart werden. Die Positionierung der oder des Temperatursensors auf der dem Gehäuse des Steuergeräts zuweisenden Seite, d. h. der Oberseite der Leiterplatte beziehungsweise der Oberseite der Flexfolie kann auf Kontaktplatten oder auf extra beschichteten Bereichen auf der Oberseite der Leiterplatte oder der Oberseite der Flexfolie vorgenommen werden. Auch zur Positionierung sind keine separaten Bauteile erforderlich. Des Weiteren ist hervorzuheben, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ein Aufsetzen des Gehäuses, insbesondere eines Gehäusedeckels, durch die Kontaktfedern, die beispielsweise in dessen Deckel angeordnet sein können, unmittelbar bei der Montage die federnde elektrische Verbindung zwischen einem Steuergerät und dem mindestens einen Temperatursensor automatisch hergestellt wird. In vorteilhafter Weise können der mindestens eine Temperatursensor sowie die Batteriezellen zur Nacharbeit beziehungsweise zum Recycling einfach voneinander getrennt werden. Zudem kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass Toleranzen und Relativbewegungen über die mindestens eine Kontaktfeder beziehungsweise die Größe der Auflagefläche ausgeglichen werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann zudem auf fertigungstechnisch besonders einfache Weise direkt bei der Montage des Gehäuses, insbesondere bei der Montage eines Gehäusedeckels, an dessen Innenseite eine oder mehrere Kontaktfedern vorgesehen sind, die elektrische Kontaktierung mindestens eines Temperatursensors erfolgen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Variante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, bei der eine Leiterplatte auf einer Batteriezelle angeordnet ist,
- 2 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, bei der eine Flexfolie mit darauf aufgenommenem Temperatursensor auf einer Batteriezelle angeordnet ist,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines geschnitten dargestellten Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen und einem dieses übergreifenden Steuergeräts,
- 4 eine vergrößerte Darstellung der Kontaktfeder, die ein Kontaktpad einer Leiterplatte des Steuergeräts kontaktiert,
- 5 eine vergrößerte Darstellung des zweiten Kontaktfederendes, das eine Kontaktfläche an der Oberseite einer Leiterplatte kontaktiert, die auf einer Batteriezelle aufgenommen ist und
- 6 eine Darstellung der Beschaffenheit der Oberseite der Leiterplatte auf einer Batteriezelle.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine Anordnung zweier Temperatursensoren 18, 20 zu entnehmen, die auf der Oberseite einer Leiterplatte 16 aufgenommen sind. Die Leiterplatte 16 verfügt über diese durchsetzende Durchkontaktierungen 38, so dass eine gleichmäßige Erwärmung des Materials der Leiterplatte 16 gewährleistet ist. Auf deren Oberseite sind ein erster Temperatursensor 18 sowie ein zweiter Temperatursensor 20 aufgenommen, die als NTC-Temperatursensoren ausgebildet sein können. Auf der Oberseite der Leiterplatte 16 befindet sich des Weiteren eine Kontaktplatte 26, auf der sich eine Kontaktfeder 22 abstützt.
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Die Leiterplatte 16 gemäß der schematischen Darstellung in 1 ist mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs und/oder eines Zwischenmaterials, welches auch als TIM (Thermal Interface Material) bezeichnet wird, auf der Oberseite einer hier nur schematisch angedeuteten Batteriezelle 10 aufgenommen. Ein thermischer Pfad 34, in der Darstellung gemäß 1 gestrichelt angedeutet, verläuft hier durch eine Durchkontaktierung 38 ausgehend von der Oberseite der Batteriezelle 10 zum Temperatursensor 18. Die Länge des thermischen Pfades ist durch Bezugszeichen 36 kenntlich gemacht.
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2 zeigt eine Ausführungsvariante der Anordnung eines Temperatursensors 18 auf einer Flexfolie 30. Die Flexfolie 30 ist beispielsweise unter Benutzung eines doppelseitigen Klebebands 32 auf der Oberseite der Batteriezelle 10 aufgenommen. Auf der Oberseite der Flexfolie 30 befindet sich analog zur Ausführungsvariante gemäß 1 ebenfalls eine Kontaktplatte 26, auf der sich eine Kontaktfeder 22 abstützt.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnitten dargestellten Batteriesystems 70 mit einem an dessen Oberseite aufgenommenen Steuergerät 42. Das Steuergerät 42 umfasst ein Gehäuse 44, in dem sich eine Leiterplatte 46 befindet. Das Gehäuse 44 des Steuergeräts 42 ist beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil ausgeführt und hinsichtlich seiner Formgebung in optimaler Weise angepasst, um einzelne Batteriezellen 10, 12, 14 eines Batteriesystems 70 jeweils zu kontaktieren und zu steuern.
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Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass das Batteriesystem 70 mehrere, nebeneinander angeordnete Batteriezellen 10, 12, 14 aufweist. Eine dieser Batteriezellen 10, 12, 14 kann über eine federnde elektrische Verbindung 24, hier dargestellt mittels einer Kontaktfeder 48, mit der Leiterplatte 46 des Steuergeräts 42 verbunden werden. Zur Ermittlung der Temperatur einer der Batteriezellen 10, 12, 14 ist beispielsweise an der Oberseite der Batteriezelle 10 die Leiterplatte 16 aufgebracht. Die Leiterplatte 16 ist ähnlich zur Darstellung gemäß 1 mit der Oberseite der Batteriezelle 10 kontaktiert und weist eine Oberseite 60 auf, an der sich eine Kontaktfläche 62 befindet.
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In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist die Kontaktfeder 48, die in den 1 und 2 als Spiralfeder 22 ausgeführt ist, als Kontaktstift ausgebildet. Die Kontaktfeder 48 umfasst ein erstes Kontaktfederende 52 sowie ein zweites Kontaktfederende 54 und ist in einer Hülse 50 geführt. Die Hülse 50 kann beispielsweise Teil des Gehäuses 44 des Steuergeräts 42 sein, welches die einzelnen Batteriezellen 10, 12, 14 des Batteriesystems 70 überdeckt.
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Der Darstellung gemäß 3 lässt sich entnehmen, dass das erste Kontaktfederende 52 der Kontaktfeder 48 ein Kontaktpad 56 der Leiterplatte 46 des Steuergeräts 42 kontaktiert. Das über die Kontaktfeder 48 mit dem Kontaktfederende 52 verbundene zweite Kontaktfederende 54 kontaktiert hingegen die Kontaktfläche 62 an der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 der Batteriezelle. Somit ist durch die Kontaktfeder 48 und deren Kontaktfederenden 52, 54 eine federnde elektrische Verbindung 24 zwischen dem Temperatursensor 18 auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 einerseits und dem Kontaktpad 56 an der Unterseite der Leiterplatte 46 des Steuergeräts 42 andererseits geschaffen. Aufgrund der Federspannung, die durch die Kontaktfeder 48 zwischen den beiden Kontaktfederenden 52, 54 ausgeübt wird, sind die beiden Kontaktfederenden 52, 54 an die Kontaktfläche 62 beziehungsweise an das Kontaktpad 56 angestellt, so dass der elektrische Kontakt auch bei temperaturbedingten Verschiebungen aufrechterhalten bleibt und stets gewährleistet ist. Auch Vibrationen, wie sie beispielsweise während der Fahrt auftreten, oder Erschütterungen, die bei unwegsamem Gelände auftreten, vermag der erfindungsgemäß vorgeschlagenen federnden elektrischen Verbindung 24 hinsichtlich ihrer Robustheit nichts anzuhaben.
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Da die Kontaktfeder 48 in der Hülse 50 geführt ist, ist diese gegen Knicken gesichert; des Weiteren ist durch die Hülse 50 gewährleistet, dass die Federvorspannung, mit welcher das erste Kontaktfederende 52 beziehungsweise das zweite Kontaktfederende 54 jeweils beaufschlagt sind, während des Betriebs in zuverlässiger Weise aufrechterhalten werden kann.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht in vergrößerter Ansicht das erste Kontaktfederende 52 näher hervor.
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4 zeigt, dass die Kontaktfeder 48 mit ihrem Kontaktfederende 52 in der Hülse 50 geführt ist, die Teil des Gehäuses 44 des Steuergeräts 42 sein kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Hülse 50 als separates Bauteil in das Material des Gehäuses 44, bei dem es sich bevorzugt um Kunststoffmaterial handelt, beispielsweise einzuspritzen. Aufgrund der Wirkung der Kontaktfeder 48 ist das Federende 52 zuverlässig von unten her gegen das Kontaktpad 56 an der Unterseite der Leiterplatte 46 des Steuergeräts 42 angestellt.
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Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass das zweite Kontaktfederende 54, welches durch die in der Hülse 50 geführte Kontaktfeder 48 beaufschlagt ist, an die Kontaktfläche 62 auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 der Batteriezelle 10 angestellt ist. Aus der perspektivischen Ansicht gemäß 5, die in vergrößertem Maßstab dargestellt ist, geht hervor, dass auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 mehrere beschichtete Bereiche 58 beziehungsweise Kontaktflächen 62 ausgebildet sein können. Auf der Oberseite 60 ist beispielsweise ebenfalls ein SMD-Bauteil 64, beispielsweise ausgebildet als Kondensator 66, angeordnet.
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Die einzelnen, nebeneinander angeordneten Batteriezellen 10, 12, 14 des Batteriesystems 70 können durch Schotts voneinander getrennt sein. Für den Fall, dass das Batteriesystem 70 mehrere Batteriezellen 10, 12, 14, wie in 3 dargestellt, umfasst, kann jede zweite oder dritte Batteriezelle mit einem Temperatursensor 18 oder einem weiteren Temperatursensor 20 versehen sein, so dass in zuverlässiger Weise und unter Wahrung von Bauteilkosten die zuverlässige Überwachung der Batteriezellen 10, 12, 14 eines Batteriesystems 70 gegeben ist.
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Aus der Darstellung gemäß 6 geht eine Draufsicht auf die Oberseite 60 der Leiterplatte 16 hervor. Die Leiterplatte 16 - alternativ auch eine Flexfolie 30 - kann über die im Zusammenhang mit den 1 und 2 bereits erwähnten thermisch leitfähigen Klebstoff 28 oder einem doppelseitigen Klebeband 32 oder einem thermisch leitenden Interface-Material 40 TIM (Thermal Interface Material) mit der in 6 darunterliegend dargestellten Batteriezelle 10, 12, 14 verbunden sein. Auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 befinden sich verschiedene beschichtete Bereiche 58. Insbesondere ist auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 eine EMV-Schaltung 68 dargestellt, die beispielsweise durch einen Kondensator 66 und ein SMD-Bauteil 64 in Gestalt eines Temperatursensors 18, 20 oder dergleichen gegeben sein kann.
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Die Kontaktfläche 62 auf der Oberseite 60 der Leiterplatte 16 beziehungsweise die beschichteten Bereiche 58 können mit Silber, Zinn oder Gold beschichtet sein. Die EMV-Schaltung 68, gebildet durch den Kondensator 66 stellt einen Hoch- beziehungsweise Tiefpassfilter als EMV-Maßnahme dar.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene federnde elektrische Verbindung 24 gemäß der Ausführungsvarianten der 1 bis 6 kann in vorteilhafter Weise für eine 12 V-Lithium-Ionen-Starterbatterie oder auch für eine 12 V-Lithiumlonen-Rekuperationsbatterie eingesetzt und betrieben werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215333 A1 [0002]
- DE 102027209413 A1 [0003]
- DE 102016206666 A1 [0004]
