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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Zellterminals an einem Batteriezellgehäuse sowie ein Verfahren zur Verbindung eines Zellterminals mit einem Batteriezellgehäuse, insbesondere mit einem Deckelelement eines Batteriezellgehäuses.
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Insbesondere betrifft die Erfindung prismatische Batteriezellgehäuse für Batteriezellen mit einer Zellspannung von 1 V bis 10 V, bevorzugt mit 2 V bis 8 V und besonders bevorzugt mit 2,5 V bis 5 V. Derartige Batteriezellgehäuse werden insbesondere für die Erstellung von Batteriemodulen für Fahrzeuge verwendet, wobei in der Praxis häufig mehrere Module zu einem Batteriesystem zusammengeschaltet werden. Es ist alternativ möglich, alle Batteriezellen bzw. Batteriezellgehäuse direkt in einen Batteriekasten einzubauen oder unmittelbar im Bereich eines Fahrzeugbodens eines Kraftfahrzeuges zu befestigen.
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Die Spannung der Batteriesysteme von Fahrzeugen liegt in der Praxis üblicherweise bei mindestens 48 V, insbesondere in einem Bereich zwischen 48 V und 800 V, bevorzugt zwischen 200 V und 1.000 V und besonders bevorzugt zwischen 400 V und 800 V. Solche Batteriesysteme werden auch als Hochvolt-Batteriesysteme bezeichnet. Derartige Batteriesysteme können sich insbesondere über einen Bereich von 1,5 m × 2,5 m erstrecken.
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Die genannten Batteriezellgehäuse werden in der Praxis häufig für Lithium-lonen-Batteriezellen einschließlich Eisen-Phosphat-Batteriezellen und Natrium-Batteriezellen verwendet und sind für diese Batterietypen besonders geeignet. Die Batteriezellgehäuse sind für flüssigkeitsbasierte, gelbasierte und Feststoff-Batteriezellen geeignet. Aktuell werden in der Praxis besonders häufig Lithium-Ionen-Batteriezellen eingesetzt.
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Aus
US 2014/0087217 A1 ist eine Batteriezelle mit einem metallischen Batteriezellgehäuse bekannt, das mittels eines Deckelelements in bekannter Art und Weise hermetisch verschlossen ist, insbesondere mittels einer Schweißnaht. In dem Deckelelement ist ein als „click spring area“ bezeichnetes Federelement angeordnet, das bei Überschreitung eines vorgegebenen Drucks innerhalb der Batteriezelle von einem ersten, nach innen gewölbten Zustand in einen zweiten, nach außen gewölbten Zustand umspringt. Dabei wird während des Umspringens in den zweiten Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Deckelelement und einem der stromführenden Kollektoren hergestellt, um die entsprechende Batteriezelle durch Kurzschließen zu deaktivieren. Dabei ist das Federelement - abgesehen von der vorstehend beschriebenen Funktion des Kurzschließens - unabhängig von den Kollektoren. Das Federelement ist mittig zwischen den beiden Kollektoren und jeweils beabstandet zu diesen angeordnet. Das Deckelelement ist aus einer Vielzahl von Einzelelementen gebildet. An dem Deckelelement sind insbesondere eine separate Befüllöffnung und eine separate Berstmembran vorgesehen.
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Bei den aus der Praxis bekannten Verfahren werden für die Einbringung von Zellterminals in Batteriezellgehäusen üblicherweise komplexe Schweißprozesse eingesetzt. Diese erfordern einen komplexen Terminalaufbau auf Metall und Kunststoff, an welchem die Schweißverbindung zum Batteriezellgehäuse vorgenommen werden kann. Neben diesem komplexen Fügeprozess ist für diese Vorgehensweise auch ein Batteriezellgehäuse mit einer zusätzlichen Berstmembran und eine separate Befüllöffnung erforderlich. Die separate Befüllöffnung stellt eine zusätzliche Schwachstelle im Batteriezellgehäuse dar. Die zusätzliche Berstmembran wird üblicherweise eingeschweißt. Dadurch können zusätzliche Fehler im Batteriezellgehäuse entstehen. Ferner erhöhen sich das Gewicht des Batteriezellgehäuses und die Fertigungszeit aufgrund des zusätzlichen Elements.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung eines Zellterminals an einem Batteriezellgehäuse sowie ein Verfahren zur Verbindung eines Zellterminals mit einem Batteriezellgehäuse zur Verfügung zu stellen, welche die Herstellung von Batteriezellen vereinfachen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Zellterminals an einem Batteriezellgehäuse weist das Zellterminal eine Kontaktfläche auf, welche mit einem Ableiter einer in dem Batteriezellgehäuse angeordneten Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist die Kontaktfläche unmittelbar oder mittelbar mittels eines Clip-Elements mit dem Batteriezellgehäuse verbunden. Als Kontaktfläche kann dabei insbesondere ein plattenartiges Element aus einem metallischen Werkstoff dienen, insbesondere ein Blech. Bevorzugt ist die Kontaktfläche eine Platte oder ein Blech aus Aluminium oder aus Kupfer. Es kann sich auch um ein Blech oder eine Platte aus Aluminium handeln, welche ein- oder zweiseitig mit Kupfer beschichtet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, ein Zellterminal auf besonders einfache Art und Weise und unter Vermeidung eines Schweißprozesses mit dem Batteriezellgehäuse zu verbinden. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung von Batteriezellen, insbesondere wenn zusätzlich noch ein oder mehrere der im Folgenden beschriebenen Merkmale bei der Anordnung realisiert sind oder wenn das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Ein wesentliches Element der Vereinbarung besteht darin, dass durch das mindestens eine Clip-Element eine Clip-Verbindung erzielt wird, mit welcher eine schnelle und dennoch ausreichend sichere Verbindung herstellbar ist, die auch nach dem Befüllen des Batteriezellgehäuses mit einem Elektrolyt noch prozesssicher herstellbar ist. Dadurch können sich weitere Vorteile ergeben, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen wird.
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In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung weist das Clip-Element mindestens einen Außenabschnitt, mindestens einen Durchdringungsabschnitt und mindestens einen Innenabschnitt auf, welche an der Kontaktfläche selbst und/oder an mindestens einem weiteren, mit der Kontaktfläche verbundenen Element ausgebildet sind. Dabei sind die Begriffe „außen“ und „innen“ jeweils auf das Batteriezellgehäuse bezogen, d.h. der Außenabschnitt ist im Endmontagezustand außerhalb des Batteriezellgehäuses und der „Innenabschnitt“ ist im Endmontagezustand innerhalb des Batteriezellgehäuses. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das mindestens eine Clip-Element zumindest teilweise vorzugsweise so ausgebildet, dass im Endmontagezustand ein Außenabschnitt, ein Durchdringungsabschnitt und ein Innenabschnitt ersichtlich sind. Diese sind vorzugsweise im Querschnitt c-förmig ausgebildet, insbesondere derart, dass eine Außenwand des Batteriezellgehäuses umgriffen wird.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist die Kontaktfläche fest mit einem Trägerelement verbunden, wobei an dem Trägerelement mindestens ein Clip-Element ausgebildet ist. Dabei kann das Trägerelement ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Trägerelement einteilig ausgebildet, weil sich dann das Trägerelement besonders einfach und kostengünstig herstellen lässt.
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Weiter bevorzugt ist es, insbesondere aus Aspekten der Dichtheit der erfindungsgemäßen Anordnung, wenn die Kontaktfläche vollständig von dem Trägerelement umschließend angeordnet ist.
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Dies gilt insbesondere für Trägerelemente aus Kunststoff, welche sich insbesondere in großen Stückzahlen einfach und kostengünstig im Kunststoff-Spritzgießverfahren herstellen lassen.
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Bei Anordnungen mit einem Trägerelement, das aus Kunststoff, insbesondere im Kunststoff-Spritzgießverfahren hergestellt ist, ist es weiter bevorzugt, wenn die Kontaktfläche von dem Trägerelement umspritzt ist. Denn in diesem Fall werden die Kontaktfläche und das Trägerelement unmittelbar bei der Herstellung des Trägerelements in einer gewünschten relativen Ausrichtung zueinander miteinander fixiert. Dadurch entfallen zusätzlich Montagearbeiten, und auch Montagefehler können so weitgehend ausgeschlossen werden.
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Alternativ kann die Kontaktfläche thermisch in das Trägerelement eingepresst sein.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist zwischen dem Außenabschnitt und dem Innenabschnitt ein Dichtelement angeordnet. Diesbezüglich wird insbesondere auf ein Dichtelement aus einem Silikonwerkstoff und/oder aus einem Elastomerwerkstoff verwiesen. Aus herstellungs- und montagetechnischen Gründen ist es bevorzugt, wenn das Dichtelement unmittelbar an den Außenabschnitt, den Durchdringungsabschnitt und/oder an den Innenabschnitt angespritzt ist. Weiter bevorzugt ist es, wenn das Dichtelement ein vollständig umlaufendes Dichtelement ist, welches eine geschlossene Umfangskontur aufweist.
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Wenn für die Anordnung des Dichtelements eine Vertiefung vorgesehen ist, insbesondere eine umlaufende Nut, ist das Dichtelement besonders sicher gegen Verschiebung gesichert.
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Für das Herstellen der Clip-Verbindung ist es bevorzugt, wenn ein Durchdringungsabschnitt so ausgelegt ist, dass dieser in eine Richtung quer zur Montagerichtung federelastisch auslenkbar ist und an dem Innenabschnitt eine Einführschräge derart ausgebildet ist, dass während der Herstellung der Clip-Verbindung der Durchdringungsabschnitt mittels der Einführschräge federelastisch ausgelenkt wird. In diesem Fall ergibt sich eine besonders einfache und anwendungssichere Montage, insbesondere wenn zwei oder mehr Einführschrägen vorgesehen sind und diese derart angeordnet sind, dass durch Ausübung einer einfachen Druckkraft in Montagerichtung die Clip-Verbindung herstellbar ist.
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Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung wird insbesondere dann vereinfacht, wenn die Kontaktfläche in einer Batteriezellgehäuseöffnung angeordnet ist, welche zusätzlich als Berstöffnung und/oder als Befüllöffnung ausgelegt ist.
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Als Berstöffnung ist eine Batteriezellgehäuseöffnung insbesondere dann ausgelegt, wenn nach dem Verschließen des Batteriezellgehäuses und der Inbetriebnahme der Batteriezelle bei zunehmend ansteigendem Druck in dem Batteriezellgehäuse die Batteriezellgehäuseöffnung mit der Kontaktfläche diejenige Öffnung, welche als erste durch Materialversagen freigegeben wird. Dazu kann insbesondere die Clip-Verbindung so ausgelegt werden, dass mindestens eine Rastkontur des mindestens einen Clip-Elements bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks abreißt. Eine solche Rastkontur kann insbesondere an einem Innenabschnitt des Clip-Elements vorgesehen sein.
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Als Befüllöffnung ist eine Batteriezellgehäuseöffnung insbesondere dann ausgelegt, wenn diese Öffnung für die Befüllung des Batteriezellgehäuses mit Elektrolyt verwendet wird oder zumindest prozesssicher verwendbar ist.
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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass vorzugsweise zwei Batteriezellgehäuseöffnungen für jeweils ein Zellterminal vorgesehen sind. Diese können an der gleichen Seite des Batteriezellgehäuses oder auch an zwei verschiedenen Seiten des Batteriezellgehäuses angeordnet sein. Vorzugsweise sind diese an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Batteriezellgehäuses angeordnet, weil sich dann das Volumen des Batteriezellgehäuses besonders effizient nutzen lässt (höhere Volumenausnutzung).
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbindung eines Zellterminals mit einem Batteriezellgehäuse, wobei das Zellterminal eine Kontaktfläche aufweist, welche zunächst mit einem Ableiter einer in dem Batteriezellgehäuse angeordneten Batteriezelle elektrisch leitend verbunden wird und wobei anschließend die Kontaktfläche unmittelbar oder mittelbar mittels einer Clip-Verbindung mit dem Batteriezellgehäuse derart verbunden wird, dass eine in dem Batteriezellgehäuse ausgebildete Zellterminal-Öffnung verschlossen wird. Die Verbindung zwischen dem Ableiter und der Kontaktfläche erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen oder Löten.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Herstellung der Clip-Verbindung ein Elektrolyt durch die Zellterminal-Öffnung in das Batteriezellgehäuse eingefüllt. Auf die vorstehend bereits in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Batteriezellgehäuse mit einem Zellterminal, welches für die Anordnung in einer Batteriezellgehäuseöffnung vorgesehen ist, vor dem Verschließen der Batteriezellgehäuseöffnung in einer Schnittdarstellung,
- 2 das Batteriegehäuse aus 1 nach dem Verschließen der Batteriezellgehäuseöffnung in der gleichen Schnittdarstellung wie in 1,
- 3 eine isometrische Darstellung nur des Zellterminals, das im Wesentlichen aus einem Trägerelement und einer Kontaktfläche gebildet ist
- 4 das Batteriezellgehäuse aus den 1 und 2 in einem ersten Funktionszustand während des Betreibens der Batteriezelle,
- 5 das Batteriezellgehäuse aus den 1 und 2 in einem zweiten Funktionszustand während des Betreibens der Batteriezelle und
- 6 das Batteriezellgehäuse aus den 1 und 2 in einem potentiellen dritten Funktionszustand während des Betreibens der Batteriezelle.
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1 zeigt ein Batteriezellgehäuse 10 mit einem Zellterminal 12, welches für die Anordnung in einer Batteriezellgehäuseöffnung 14 vorgesehen ist, vor dem Verschließen der Batteriezellgehäuseöffnung 14. Das Zellterminal 12 weist eine Kontaktfläche 16 auf, welche in der gezeigten Ausführungsform aus einem Aluminiumblech besteht. Alternativ kann die Kontaktfläche 16 auch aus einem anderen elektrisch leitenden Werkstoff oder aus einem geeigneten Verbundmaterial bestehen. Die Kontaktfläche 16 weist in der gezeigten Ausführungsform eine rechteckige Grundform auf und ist, wie sich aus einer Zusammenschau der 1 und 3 ergibt, fest mit einem Trägerelement 18 verbunden. Das Trägerelement 18 ist aus Kunststoff hergestellt. Dabei wurde die Kontaktfläche 16 in ein Kunststoff-Spritzgießwerkzeug eingelegt und während der Herstellung des Trägerelements 18 mit Kunststoff umspritzt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Kontaktfläche 16 alternativ auch eine runde, ovale oder eine sonstige Grundform aufweisen kann. Ferner können auch die Ecken abgerundet sein.
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Das Batteriezellgehäuse 10 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, aus Stahl oder aus Aluminium hergestellt. In der Praxis ist das Batteriezellgehäuse 10 häufig aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus Aluminium. Es wird üblicherweise als einseitig offener oder zweiseitig offener Behälter hergestellt und mittels 1-2 Deckeln (meist verschweißt) verschlossen. Es bietet sich an, in dem einen Deckel oder in den zwei Deckeln die Batteriezellgehäuseöffnung(en) 14 vorzusehen und diese dann mittels des jeweiligen Zellterminals 12 zu verschließen.
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Die Größe der Kontaktfläche 16 liegt vorzugsweise zwischen 10 mm × 10 mm und 50 mm × 50 mm, insbesondere zwischen 10 mm × 30 mm und 20 mm × 50 mm.
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Wie in 3 erkennbar ist, sind an den Trägerelement 18 zwei Clip-Elemente 20 ausgebildet. Alternativ können auch mehr Clip-Elemente 20 ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Die 1, 2, 4, 5 und 6 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung durch die Clip-Elemente 20. Insbesondere in den 1 und 2 ist gut erkennbar, dass jedes der beiden Clip-Elemente 20 jeweils einen Außenabschnitt 22, einen Durchdringungsabschnitt 24 und einen Innenabschnitt 26 aufweist. Diese sind in der gezeigten Ausführungsform einstückig an dem Trägerelement 18 ausgebildet.
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In dem Übergangsbereich zwischen dem Außenabschnitt 22 und dem Durchdringungsabschnitt 24 ist ferner ein Dichtelement 28 angeordnet. Das Dichtelement 28 ist in der gezeigten Ausführungsform ein umlaufender, im Querschnitt ovaler Dichtring 30.
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An den Innenabschnitten 26 ist jeweils eine Einführschräge 32 derart ausgebildet, dass während der Herstellung der Clipverbindung der Durchdringungsabschnitt 24 mittels der Einführschräge 32 federelastisch ausgelenkt wird.
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In den 1, 2, 4, 5 und 6 ist auch schematisch ein Zellstapel 34 einer Batteriezelle dargestellt, von welchem sich ein Ableiter 36 in der Darstellung der 1 durch die Batteriezellgehäuseöffnung 14 nach außen erstreckt. In diesem Zustand kann der Ableiter 36 auf einfache Art und Weise mit der Kontaktfläche 16 verbunden werden, insbesondere indem der Ableiter 36 innenseitig mit der Kontaktfläche 16 verschweißt wird. Dies kann insbesondere mittels eines Schweißpunkts 38 erfolgen, wie in 1 angedeutet oder alternativ über zwei oder mehr Schweißpunkte 38 (nicht dargestellt).
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Alternativ zu der Darstellung in den 1, 2, 4, 5 und 6 kann auch ein zusätzlich angebrachtes Kontaktblech nach außen geführt werden (nicht dargestellt). In diesem Fall gäbe es keine direkte Verbindung zwischen dem Ableiter 36 und der Kontaktfläche 16.
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Nachdem der Ableiter 36 elektrisch leitend mit der Kontaktfläche 16 verbunden wurde, kann die Batteriegehäuseöffnung 14 genutzt werden, um Elektrolyt in das Batteriezellgehäuse 10 einzufüllen. Anschließend kann das Trägerelement 18 mit der Kontaktfläche 16 in Montagerichtung gemäß dem Pfeil M in 2 in die Batteriezellgehäuseöffnung 14 eingedrückt werden, wodurch eine Clip-Verbindung entsteht, wie in 2 dargestellt.
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Die 4, 5 und 6 zeigen, dass das Zellterminal 12 in der gezeigten Ausführungsform auch als Berstelement ausgelegt ist. Kommt es, wie in 4 durch die Pfeile p angedeutet, während des Betriebs der Batteriezelle 34 zu einer Erhöhung des Innendrucks in dem Batteriezellgehäuse 10, ist das Zellterminal 12 in der gezeigten Ausführungsform so ausgelegt, dass die Batteriezellgehäuseöffnung 14 durch mindestens teilweise Zerstörung des Trägerelements 18 freigegeben wird. In der gezeigten Ausführungsform reißen die Innenabschnitte 26 des Trägerelements 18 ab, wodurch der Druck p das Trägerelement 18 aus der Batteriezellgehäuseöffnung 14 herausdrückt. Die Verbindung zwischen der Kontaktfläche 16 und dem Ableiter 36 kann in Verbindung mit dem Trägerelement 18 ferner dazu ausgelegt sein, dass der Ableiter 36 von der Kontaktfläche 16 abreißt. Diese Gestaltung ist optional und in 6 dargestellt.
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Die Batteriezellgehäuse 10 weisen insbesondere eine Dimension auf, die in der Größenordnung zwischen 50 mm × 50 mm × 50 mm und 300 mm × 300 mm × 300 mm liegt. Häufig liegt die Größe im Bereich zwischen 300 mm × 150 mm × 50 mm und 200 mm × 100 mm × 10 mm.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezellgehäuse
- 12
- Zellterminal
- 14
- Batteriezellgehäuseöffnung
- 16
- Kontaktfläche
- 18
- Trägerelement
- 20
- Clip-Element
- 22
- Außenabschnitt
- 24
- Durchdringungsabschnitt
- 26
- Innenabschnitt
- 28
- Dichtelement
- 30
- Dichtring
- 32
- Einführschräge
- 34
- Zellstapel
- 36
- Ableiter
- 38
- Schweißpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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