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Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriebaugruppe mit mindestens einem Zellmodul, wie sie in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
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In der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2010 046 529 wird ein Batteriemodul mit einem Rahmensystem beschrieben, das aus zwei Druckplatten und zwei Seitenteilen aufgebaut ist. Die Seitenteile hintergreifen die Druckplatten und sind dort kraft- und/oder formschlüssig befestigt. Die Druckplatten selber werden mittels durch sie hindurchgreifende Schrauben an einer Aufnahme befestigt. Ein solches Rahmensystem ist kostengünstig, zeichnet sich durch einfache Montage aus und bietet eine sichere Befestigung der Batteriebaugruppe in einem Kraftfahrzeug.
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Aus der
US 2005/0158606 A1 ist ein Rahmensystem für Brennstoffzellen bekannt, das als zweiteiliger Käfig ausgebildet ist. Durch Verschließen des zweiteiligen Käfigs wird die Brennstoffzelle zusammengehalten und kann über Laschen, die fest mit dem Rahmensystem verbunden sind, an einer Aufnahme festgelegt werden.
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In der
US 2010/0167115 A1 ist ein Batteriesystem beschrieben, das mittels Druckplatten und Metallbändern zusammengehalten wird. Die Druckplatten können an einer Aufnahme befestigt werden.
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Die
US 2005/0084748 A1 beschreibt eine Blechrahmenstruktur für Batterien, die wie ein Regal aufgebaut ist. Die aus einem Blech gebildeten Seitenträger sind an ihren seitlichen Enden durch zweimaliges rechtwinkliges Abkanten ausgesteift und in U-förmigen Fußschienen verankert. Die Fußschienen weisen Bohrungen zum Verschrauben an eine Aufnahme auf. Zwischen den Seitenträgern sind beidseitig waagerecht Regalträger befestigt, auf denen Einlegeböden zur Aufnahme von Batteriezellen abgelegt sind.
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Aus der
US 2005/0019643 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, der in einem kastenförmigen Gehäuse untergebracht ist. Die Endplatten des kastenförmigen Gehäuses sind allseitig über Scharniere mit den Seitenwänden verbunden, die wiederum an ihren Ecken über Winkelschienen miteinander verschraubt sind. An den Schmalseiten der Endplatten sind Befestigungsbuchsen angebracht, durch die der Brennstoffzellenstapel mit einer Aufnahme verbunden werden kann.
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Diese bekannten Baugruppen können bei Bedarf längs und/oder quer angereiht auf einer Aufnahme befestigt werden, die Flexibilität der Anreihung der Baugruppen sowie deren Befestigung auf einer Ablage ist jedoch gering.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Batteriebaugruppe so zu gestalten, dass diese einzeln oder aneinandergereiht sicher und möglichst raumsparend mit einer entsprechend ausgebildeten Aufnahme verbindbar sind. Diese Verbindung hat die Kriterien für Fahrzeugsicherheit zu erfüllen.
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Diese Aufgabe wird mit Batteriebaugruppen gemäß der Ansprüche 1, 3 und/oder 6 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung auf drei Arten gelöst, die vorzugsweise miteinander kombiniert sind. Ein erstes erfindungswesentliches Element der Batteriebaugruppe ist deren betriebssichere Befestigung an eine Aufnahme in mindestens zwei unterschiedlichen Lagen. Dies ermöglicht wahlweise unterschiedlich ausgerichtete Anordnungen der Batteriebaugruppe an der Aufnahme, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei diese unterschiedlichen Einbaulagen unterschiedlichen Anschlusslagen der Batteriebaugruppe und/oder unterschiedlichen Kapazitätsgrößen, die durch den Verbau einer unterschiedlichen Zahl an Zellmodulen erreicht werden, dienen können.
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Ein zweites erfindungswesentliches Element der Batteriebaugruppe ist die versetzte Anordnung der Befestigungselemente zweier sich gegenüberliegender Seitenteile der Rahmenanordnung unterschiedlicher Batteriebaugruppen derart, dass die sich gegenüberliegende Seitenteile mit ihren Befestigungselementen ineinandergreifend miteinander an der Aufnahme betriebssicher befestigbar oder befestigt sind. Hierbei sind die Befestigungselemente an den Seitenteilen so angeordnet, dass beim – insbesondere niveaugleichen – Zusammenschieben der Seitenteile der Unterschiedlichen Batteriebaugruppen mindestens ein Befestigungselement der einen Batteriebaugruppe oberhalb eines Befestigungselementes der anderen Batteriebaugruppe mit diesem überdeckend zur gleichzeitigen Verbindung mit diesem an der Aufnahme zu liegen kommt. Die ineinander eingreifenden Befestigungselemente sind hierzu, bezogen auf die auf der Aufnahme aufliegenden Böden der Batteriebaugruppen, in unterschiedlichen Höhen angeordnet, so dass beim Verankern der ineinandergreifenden Befestigungselemente an der Aufnahme die Böden beider Batteriebaugruppen gegen die Aufnahme gepresst werden. Hierdurch wird ein Schwingen jeder Batteriebaugruppe relativ zur Aufnahme verhindert, so dass die Batteriebaugruppen betriebssicher befestigt sind.
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Bei dem dritten erfindungswesentlichen Element sind – wie bei der vorherigen Lösung – wieder mehrere, insbesondere zwei bis vier Batteriebaugruppen beteiligt. Hierbei sind benachbarte, an der Aufnahme betriebssicher befestigbare oder befestigte Seitenteile der mehreren Batteriebaugruppen untereinander getrennt von der Aufnahme mittels weiterer Befestigungselemente ineinandergreifend betriebssicher miteinander befestigt. Die Befestigung der Seitenteile untereinander kann dabei an gegenüberliegenden Seitenteilen, an nebeneinander angeordneten Seitenteilen und – bei mindestens drei Batteriebaugruppen – gemeinsam an gegenüberliegend und nebeneinander angeordneten Seitenteilen erfolgen. Hierbei kann ein einziges Verbindungselement in die Befestigungselemente der Seitenteile eingreifen und insbesondere zwei, drei oder vier, gewünschtenfalls auch mehr, Batteriebaugruppen miteinander zu einem Batteriepack verbinden. Das so erhaltene Batteriepack kann über die weiteren Befestigungselemente der Seitenteile der einzelnen Batteriebaugruppen dann mit der Aufnahme verbunden werden.
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Erfindungsgemäß hat ein funktionelles Seitenteil also mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Befestigungselemente, von denen – gegebenenfalls über mehrere miteinander verbindbare funktionelle Seitenteile verteilt – mindestens zwei, insbesondere mindestens drei unterschiedliche Ausbildungen vorliegen.
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Für eine stabile und vielseitige Montierbarkeit der Batteriebaugruppe werden die Zellmodule also von einer Rahmenanordnung umschlossen und über funktionelle Seitenteile mit weiteren Batteriebaugruppen und/oder einer Aufnahme verbunden. Die Befestigungselemente sind dabei multifunktional angeordnet, so dass über sie eine Montage der Batteriebaugruppe wahlweise unterschiedlich abgelegt an einer Aufnahme oder seriell oder parallel an einer weiteren Batteriebaugruppe möglich ist. Bei einer seriellen Montage der Batteriebaugruppen greifen die Befestigungselemente gegenüberliegender Seitenteile ineinander und können so miteinander an der Aufnahme oder einem weiteren funktionellen Seitenteil einer weiteren Batteriebaugruppe befestigt werden. Die multifunktionelle Anordnung der Befestigungselemente erlaubt dabei die Verbindung benachbarter Seitenteile untereinander bei einem auf einer Aufnahme befestigten Batteriepack, der aus mehreren Batteriebaugruppen gebildet ist.
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Die unverbaute Batteriebaugruppe bildet eine sicher handelbare Einheit, wobei die die Zellmodule umgebende Rahmenanordnung diese zumindest ringsum umschließt, das heißt an vier sich wechselseitig gegenüberliegenden Seiten. Für eine sichere Handhabung ist die Rahmenanordnung hierfür genügend fest verspannt und/oder mit Sicherungselementen versehen, um ein Herausfallen der Zellmodule kraft- und/oder formschlüssig zu verhindern. Vorzugsweise umgreift die Rahmenanordnung hierzu eine, vorteilhaft beide der nicht umspannten Seitenflächen der Zellmodule zumindest teilweise, zum Beispiel mittels einer Abkantung (Stehfalz) an zumindest einer Seitenwand, vorzugsweise zumindest an gegenüberliegenden Seitenwänden.
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In den unverbauten (das heißt noch nicht mit einer Aufnahme verbundenen) Batteriebaugruppen sind die Zellmodule in den Rahmen also gegen jedwede Verlagerung gesichert das heißt egal in welche Lage der Rahmen bzw. das Batteriepack gedreht wird, sind die einzelnen Zellmodule in der geschlossenen Rahmenanordnung gegen ein Herausfallen und/oder ein Verschieben gesichert.
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Die Zellmodule in der Batteriebaugruppe sind vorzugsweise Sekundärbatterien oder Brennstoffzellen, wobei insbesondere Sekundärbatterien auf Lithiumbasis (Lithiumpolymer, Lithiumionen) oder andere Sekundärbatterien mit leicht brennbaren Bestandteilen vorteilhaft geeignet sind. Erfindungsgemäß kommen dabei in einer Batteriebaugruppe Zellmodule im Gesamtgewicht von mindestens 1 kg zum Einsatz, wobei vorzugsweise das Gesamtgewicht der Zellmodule 2–100 kg, insbesondere 4–20 kg beträgt. Batteriebaugruppen dieser Art müssen in Kraftfahrzeugen besonders sicher, d. h. auch crashsicher verbaut werden. Die betriebssicheren Befestigungslagen der erfindungsgemäßen Batteriebaugruppe erfüllen entsprechend die jeweiligen Sicherheitsvorschriften an die Unterbringung solcher Systeme in Kraftfahrzeugen.
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In einer Batteriebaugruppe sind vorteilhaft 2 bis 200 Zellmodule, bei Verwendung sehr kleiner Einzelzellen auch mehr, zusammengefasst. Die Zahl der Zellmodule richtet sich hierbei vorteilhaft nach dem Gewicht der einzelnen Zellmodule, so dass insbesondere die oben genannten Gewichtsgruppen erreicht werden. Bevorzugt enthält eine Batteriebaugruppe 3 bis 100 und insbesondere 4 bis 30 Zellmodule, wobei insbesondere beim Einsatz prismatischer Sekundärbatterien auch sehr wenige, z. B. maximal 20 Zellmodule in einer Batteriebaugruppe zum Einsatz kommen können.
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In der Ausbildung der erfindungsgemäßen Batteriebaugruppe, bei der zwei sich gegenüberliegende Seitenteile unterschiedlicher Batteriebaugruppen mit ihren Befestigungselementen ineinandergreifend an der Aufnahme betriebssicher befestigbar oder befestigt sind, erfolgt vorteilhaft eine zusätzliche Verbindung der beiden gegenüberliegenden Seitenteile miteinander, das heißt die zusätzliche Verbindung erfolgt getrennt von der Verbindung mit der Aufnahme. Diese weitere Verbindung erhöht die Betriebssicherheit und erlaubt – bei nicht zu großer oder zu schwerer Ausbildung – ein Händeln zweier oder mehrerer miteinander verbundenen Batteriebaugruppen in Form eines Batteriepacks vor ihrer Befestigung an der Aufnahme. Wenn hierbei die Befestigungselemente zudem so ausgebildet sind, dass die einzelne Batteriebaugruppe in mindestens zwei unterschiedlichen betriebssicheren Befestigungslagen an der Aufnahme befestigbar ist, dann sind die Befestigungselemente vorzugsweise so ausgebildet, dass in einer ersten Befestigungslage der Batteriebaugruppen an der Aufnahme eine erste Gruppe der Befestigungselemente der (gemeinsamen) Befestigung der Batteriebaugruppen an der Aufnahme dienen und eine zweite Gruppe der Befestigungselemente so angeordnet ist, dass die beiden sich gegenüberliegenden Seitenteile der Batteriebaugruppen über die zweite Gruppe der Befestigungselemente miteinander verbindbar oder verbunden sind. Wenn dieser Batteriebaugruppen in einer zweiten betriebssicheren Befestigungslage mit der Aufnahme verbunden werden sollen, tauschen die Gruppen der Befestigungselemente ihre Funktion hinsichtlich der Befestigung an der Aufnahme bzw. der Seitenteile untereinander.
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Über diese multifunktionale Anordnung der Befestigungselemente sind nicht nur die unterschiedlichen Befestigungslagen der Batteriebaugruppen und die zusätzliche Befestigung einander gegenüberliegender Seitenteile möglich, auch nebeneinander liegende Seitenteile mit den Befestigungselementen lassen sich über die Befestigungselemente miteinander verbinden. Hierdurch wird eine feste Einheit nebeneinander und gegenüberliegender (das heißt: aller benachbarter) Batteriebaugruppen erreicht, so dass deren gesamte Stabilität bei einer Befestigung an der Aufnahme gegenüber einer einzelnen befestigten Batteriebaugruppe steigt. Hierdurch entsteht eine besonders hohe Crashsicherheit. Erfindungsgemäß lassen sich somit besonders vorteilhaft zwei, drei oder vier Seitenteile unterschiedlicher Batteriebaugruppen miteinander verbinden (2 × 2 nebeneinander angeordnete Batteriebaugruppen einander gegenüberliegend).
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Vorteilhaft ist die Rahmenanordnung, die das Zellmodul ringsum umschließt, mit einer (oder mehreren) rahmeninternen Verbindungsstelle versehen. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau des Rahmens möglich, verbunden mit einer Spannmöglichkeit des Rahmens. Dies erlaubt eine einfache und sichere Umschließung der Zellmodule, da ein solcher Rahmen im geöffneten Zustand um diese herumlegbar ist und dann unter Spannung des Rahmens verschlossen wird. Vorzugsweise sind hierbei die funktionellen Seitenteile als Druckplatten ausgebildet.
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Die Rahmenanordnung ist insbesondere so aufgebaut, dass einander gegenüberliegende Seitenteile funktionell gleich ausgebildet sind. Bei einer quaderförmig aufgebauten Batteriebaugruppe weist die Rahmenanordnung vier sich paarweise gegenüberliegende Seitenteile auf, von denen beispielsweise nur zwei gegenüberliegende Seitenteile mit den erfindungsgemäßen Befestigungselementen versehen sind. Die beiden anderen gegenüberliegenden Seitenteile können dabei als reine Spannelemente aufgebaut sein. Dies ermöglicht beispielsweise den Aufbaueiner Rahmenanordnung aus zwei gegossenen Seitenteilen, die die erfindungsspezifischen Merkmale aufweisen, und zwei Blechseitenteilen, die an den Gussseitenteilen verankert sind. Je nach Ausführungsform können auch alle Seitenteile mit den erfindungsspezifischen Merkmalen versehen sein.
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Die Rahmenanordnung ist bevorzugt so aufgebaut, dass eines oder mehrere der Seitenteile Aussteifungselemente und/oder Kühlrippen aufweisen. Vorzugsweise kommen hierzu die Seitenteile, die die Befestigungselemente aufweisen, zum Einsatz. Hierdurch wird eine steifere Rahmenanordnung erreicht, die gleichzeitig auch eine Wärmeabfuhr aus den Zellmodulen verbessert.
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Vorteilhaft werden die Aussteifungselemente und/oder Kühlrippen so ausgebildet, dass sie bei einer gegenüberliegenden Anordnung miteinander kämmen. Dies erlaubt nicht nur eine platzsparende Anreihung der erfindungsgemäßen Batteriebaugruppen, sondern ermöglicht auch die bereits beschriebene Befestigung zweier gegenüberliegender Seitenteile miteinander, zusätzlich zu deren Befestigung an der Aufnahme.
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Es hat sich herausgestellt, dass mit einer Ausbildung der Befestigungselemente als Buchsen nicht nur eine stabile Verbindung des Befestigungselementes mit der Rahmenanordnung ermöglicht, sondern auch die erfindungsgemäße Verbindung benachbarter (nebeneinander liegender und gegenüberliegender) Seitenteile vereinfacht.
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Vorteilhaft sind die Befestigungselemente so angeordnet, dass sie aus der Ebene des Seitenteils hervorstehen. Vorzugsweise ragen die Befestigungselemente dabei nicht oder nur zu maximal 60%, insbesondere max. 30% über die Schmalseite des Seitenteils heraus.
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Zusammen mit den gegebenenfalls angeordneten Aussteifungselementen bzw. Kühlrippen sitzen die Befestigungselemente auf einer funktionellen Ebene des Seitenteils.
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Die Befestigungselemente können bei einem gießtechnisch hergestellten Seitenteil insbesondere als Buchsen migegossen werden. Alternativ können auch die Buchsen bildende Hülsen eingesetzt werden, die vorteilhaft bei einer Blechausführung des Seitenteils, z. B. durch Schweißen oder Hartlöten verbunden, oder die bei einer gießtechnischen Herstellung des Seitenteils mit eingegossen werden können.
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Eine vorteilhafte Ausbildung des Seitenteils ist seine Herstellung als Gußteil. Hierbei können gewünschtenfalls alle funktionellen Elemente mit eingegossen werden. Dies betrifft insbesondere die Befestigungselemente, vorteilhaft in Form von Buchsen, die Aussteifungselemente bzw. Kühlrippen sowie auch Verschlussmittel einer Verbindungsstelle für eine anschließende Seitenwand, insbesondere Spannseitenwand.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Seitenteils ist eine Blechkonstruktion, insbesondere aus Aluminium- oder Stahlblech. Hierbei kann der eigentliche Rahmen größtenteils durch Abkanten entsprechender Blechstreifen gefertigt werden. Die Aussteifungselemente bzw. Kühlrippen können hierbei ebenfalls aus einem Blechstreifen gebildet werden. Die Befestigungselemente, insbesondere Buchsen, können mit Befestigungslaschen versehen mit dem Rahmenblech durch Nieten oder Schweißen, insbesondere Punktschweißen verbunden werden. Der Verschluss des Rahmens kann beispielsweise durch formschlüssigen Eingriff einzelner Rahmenelemente miteinander, durch Vernieten, Verschweißen, Verkleben und/oder Verschrauben erfolgen. Eine solche Rahmenkonstruktion ist sehr kostengünstig aufzubauen.
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Wie bereits beschrieben, ermöglichen die erfindungsgemäßen Batteriebaugruppen nicht nur deren Verbindung mit einer Aufnahme, sondern auch untereinander. Zu den erfindungsgemäßen unterschiedlichen betriebssicheren Befestigungslagen der Batteriebaugruppe an der Aufnahme sind auch vorteilhaft mindestens zwei unterschiedliche betriebssichere Befestigungslagen der Batteriebaugruppen untereinander möglich. Hierdurch lassen sich beispielsweise zwei Batteriebaugruppen mit ihren Böden zueinander verbinden, wobei gewünschtenfalls eine Trennplatte zwischen den einzelnen Batteriebaugruppen angeordnet werden kann. Eine solche Trennplatte dient insbesondere der Sicherheit des Batteriepacks, da diese eine mechanisch-stabile Trennung der Zellmodule der einzelnen Batteriebaugruppen bewirkt. Die Trennplatte ist hierzu vorteilhaft als Trennblech und vorzugsweise als Aluminium- oder Stahlblech ausgebildet. Zusätzlich kann über dieses Element eine weitere Wärmeabfuhr/-zufuhr erfolgen.
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Die so mit ihren Böden zueinander gerichtet miteinander verbundenen Batteriebaugruppen können mittels der weiteren Befestigungselemente ihrer Seitenteile mit der Aufnahme verbunden werden. Zusätzlich kann ein solcher Batteriepack gewünschtenfalls über die Befestigungselemente der Seitenteile mit einer oder mehreren weiteren Batteriebaugruppen verbunden werden, die vorteilhaft (bei Verbindung mit mindestens zwei Batteriebaugruppen) ebenso wie die ersten Batteriebaugruppen miteinander verbunden sein können.
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Bei der Verbindung zweier Batteriebaugruppen mit ihren einander gegenüberliegenden Seitenteilen können diese gewünschtenfalls auch identisch ausgebildet sein, wodurch die Teilevielfalt verringert ist. Die funktionellen Elemente wie die Befestigungselemente und die Kühlrippen/Aussteifungselemente sind hierbei so auf der funktionellen Seite des Seitenteils angeordnet, dass diese bei der Verbindung ineinandergreifen bzw. kämmen, das heißt, eine Hälfte eines Seitenteils passt kämmend bzw. eingreifend in die andere Hälfte des Seitenteils.
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Vorteilhaft können jedoch auch unterschiedliche Seitenteile verwendet werden, wobei für einen Batteriepack bereits zwei unterschiedliche funktionelle Seitenteile ausreichend sind. Dies vereinfacht die multifunktionelle Anordnung der Befestigungselemente und ggf. auch der Kühlrippen/Aussteifungselemente.
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Bei der Befestigung der Batteriebaugruppen untereinander sowie auf der Aufnahme kann es, je nach Ausbildung der Befestigungselemente an den Seitenteilen, sein, dass das Befestigungselement von der Aufnahme bzw. von einem Befestigungselement einer benachbarten Batteriebaugruppe beabstandet ist. In diesem Fall wird vorteilhaft ein diesen Abstand überbrückendes Füllelement, insbesondere eine den Abstand ausfüllende Hülse eingesetzt. Hierdurch kann das Verbindungselement, das die Batteriebaugruppen untereinander bzw. an der Auflage festlegt, fester verspannt werden. Vorzugsweise kommen hierbei Schrauben oder Gewindestangen zum Einsatz, wobei die Gegengewinde (Muttern) fest an der Aufnahme bzw. an einem Befestigungselement angebracht sein können, vorzugsweise kommen jedoch lose Muttern zum Einsatz, da hierdurch die Vielfalt der Verbauung der Batteriebaugruppen untereinander und mit der Aufnahme erhöht ist.
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Vorzugsweise sind die Befestigungselemente so an dem Seitenteil angeordnet, dass ein Batteriepack aus zwei Batteriebaugruppen, die über nebeneinander angeordnete Seitenteile miteinander verbunden sind, mit den für die Montage an der Aufnahme verbleibenden Befestigungselementen dieselbe Aufnahmestruktur benutzt, wie eine einzelne dieser Batteriebaugruppen in einer anderen (typischerweise um 90° gedrehten) Befestigungslage. Das bedeutet, dass eine einzelne Batteriebaugruppe beispielsweise an jedem funktionellen Seitenteil mit zwei Befestigungsmitteln, insbesondere Schraubelementen mit der Aufnahme verbunden wird, bei dem Batteriepack aus den zwei Batteriebaugruppen jedoch jedes zur Befestigung vorgesehene Seitenteil mit nur einem dieser Befestigungsmittel an der Aufnahme gesichert wird. Das heißt, das Batteriepack sowie die einzelne Batteriebaugruppe können jeweils über vier Befestigungsmittel mit der Aufnahme verbunden werden, wobei im Batteriepack die nebeneinander angeordneten Seitenteile je über bis zu zwei Schraubelemente miteinander fest verbunden sind. Hierdurch wird für die einzelne Batteriebaugruppe wie auch das Batteriepack eine sichere Verbindung mit der Aufnahme gewährleistet, ohne dass die Aufnahme eine Modifikation für die wahlweisen Befestigungen erfordert. Dies ermöglicht es mit einfachen Mitteln die Zellmodule in einem zumindest zeitweilig rein elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug in unterschiedlicher Anzahl zu verbauen, ohne dass unterschiedliche Ausbildungen der Aufnahme erforderlich sind. Hierdurch kann die Reichweite des rein elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuges den Erfordernissen in großen Bereichen angepasst werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Die in den Ansprüchen sowie auch in der Beschreibung und den Zeichnungen beschriebenen bzw. dargestellten Merkmale können dabei jeweils – sofern nicht ausdrücklich anders darauf hingewiesen ist – einzeln für sich sowie auch in geeigneter Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 einen Batteriepack aus zwei unterschiedlichen Batteriebaugruppen;
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2 einen Batteriepack mit doppelter Kapazität gegenüber der vorherigen Ausführungsform;
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3 zwei mit ihren Seitenteilen gegenüberliegend ineinandergreifend verbindbare Batteriebaugruppen;
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4 einen Batteriepack in Draufsicht und in seitlicher Darstellung;
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5 ein zusammengehörendes Paar gegossener Seitenteile;
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6 ein weiteres zusammengehörendes Paar gegossener Seitenteile;
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7 eine Batteriebaugruppe mit teilweise geöffneter Rahmenanordnung;
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8 eine aus Blech gebildete, teilweise geöffnet dargestellte Rahmenanordnung in unterschiedlichen Ansichten;
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9 eine weitere Ausführungsform einer aus Blech gebildeten Rahmenanordnung; und
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10 eine weitere Rahmenanordnung aus Blech in Leichtbauweise.
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Der in 1 dargestellte Batteriepack 16 besteht aus zwei Batteriebaugruppen 01a und 01b, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Zellmodulen 2 und damit einhergehend in der Länge ihrer Spannseitenteile S unterscheiden. Die Zellmodule 2 sind von Rahmenanordnungen 03a bzw. 03b fest umschlossen, so dass die Batteriebaugruppen 01a bzw. 01b zu Montage-, Wartungs- oder sonstigen Zwecken einfach und sicher transportierbar sind. Die Rahmenanordnungen 03a und 03b sind jeweils aus zwei identischen funktionellen Seitenteilen 04 und zwei identischen Spannseitenteilen S aufgebaut, wobei die Spannseitenteile S entsprechend der Anzahl und Größe der Zellmodule 2 in den Batteriebaugruppen *01 in ihren Abmessungen variieren.
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Die Seitenteile 04 weisen je eine innere Seite (nicht dargestellt) und eine äußere funktionelle Seite auf, die umlaufend über Schmalseiten 12a–c verbunden sind. Auf ihrer funktionellen Seite sind die Seitenteile 04 mit drei Befestigungselementen 05a, b und c bestückt und weisen Aussteifungselemente 08 auf, die gleichzeitig die Funktion von Kühlrippen erfüllen. Weiterhin sind in die Seitenteile 04 Verschlusselemente 14 eingeformt, über die an Verbindungsstellen 07a, b, c und d die Rahmenordnungen 03a und b mit den Spannseitenteilen S geschlossen ist.
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Die Befestigungselemente 05 sind so auf der funktionellen Seite des Seitenteils 04 positioniert, dass beim Aufeinanderlegen der funktionellen Seiten zweier Seitenteile 04 die buchsenförmigen Befestigungselemente 05a koaxial zu den Befestigungselementen 05b und die Befestigungselemente 05c zueinander koaxial liegen. Die Kühlrippen 08 sind dabei auf Stall angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Befestigungselemente 05a bis c so bemessen, dass diese bei der koaxialen Anordnungen paarweise unmittelbar aneinander anschließen. Dies ermöglicht einen unmittelbaren Zusammenbau. Die Befestigungselemente 05 können auch so ausgebildet sein, dass beim Aufeinanderlegen der funktionellen Seiten zweier Seitenteile 04 die koaxial ausgerichteten Befestigungselemente 05 teils oder alle zueinander beabstandet sind, bei einem Zusammenbau werden dann die Zwischenräume durch Unterlegschreiben oder Einschubhülsen ausgefüllt.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist das Batteriepack 16 an eine Aufnahme 6 montiert, die ein Karosserieelement eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeuges ist. Die Verbindung erfolgt hierbei über Halteelemente 11a und 11b, die im vorliegenden Fall zwei unterschiedlich lange Schrauben sind, die in an die Aufnahme geschweißte Muttern eingreifen. Zur Erhöhung der Stabilität der Verbindung des Batteriepacks 16 mit der Aufnahme 6 sind zwischen die außenliegenden Befestigungselemente 05b und der Aufnahme 6 Hülsen 9 eingesetzt, so dass die Schrauben mit einem hohen Drehmoment anziehbar sind, ohne das Befestigungselement 05b eventuell zu verformen.
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Die Befestigungselemente 05a und b im Stoß- bzw. überlappungsbereich der Seitenteile 04 der beiden Batteriebaugruppen 01a und 01b (Pfeile) sitzen koaxial unmittelbar an der Aufnahme 6 anschließend, so dass diese mit je einem Halteelement 11b (längere Schraube) mit der Aufnahme 6 verbunden sind. In dem Spalt zwischen den beiden Batteriebaugruppen 01a und 01b sitzen die beiden Befestigungselemente 05c koaxial unmittelbar aneinander anschließend, so dass diese ebenfalls mit einem Halteelement (nicht dargestellte Schraube-Mutter-Verbindung) fest miteinander verbunden sind. Durch die sechs Halteelemente 11 ist der Batteriepack 16 fest mit der Aufnahme 6 verbunden und durch ein weiteres Halteelement durch die Befestigungselemente 05c der sich gegenüberliegenden Seitenteile 04 in sich stabilisiert. Die Seitenteile 04 und die Befestigungselemente 05c sind dabei so dimensioniert, dass diese Verbindung auch vor der Verbindung mit der Aufnahme 6 erfolgen kann, wodurch der Batteriepack 16 als Ganzes händelbar ist.
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Die Befestigungselemente 05 liegen alle auf der funktionellen Ebene des Seitenteils 04, wobei insbesondere die Befestigungselemente 05a und b nicht über die Schmalseiten 12a und b der Seitenteile 04 hinausragen.
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Die Spannseitenteile S weisen beidseitig über ihre Längserstreckungen Stehfalze 13a bzw. 13b auf, die bei geschlossener Rahmenanordnung 03a bzw. b die Zellmodule umkragen oder umklammern, so dass diese zusätzlich zu der kraftschlüssigen Sicherung in der Rahmenanordnung allseitig auch formschlüssig gehalten sind.
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Der Batteriepack 16 ist in dieser Ausführungsform in einer Befestigungslage F an der Aufnahme 6 befestigt, so dass die elektrischen Anschlüsse 18 der Zellmodule nach oben zeigen. Dabei ist die Schmalseite 12a des Seitenteils 04 zu der Aufnahme 6 gerichtet. Weiterhin sind in dem Batteriepack 16 je drei Zellmodule 3 über kurze 30 und lange 31 Niederspannungsleiter elektrisch parallel geschaltet, wobei die langen Niederspannungsleiter 31 jeweils zwei dieser Dreierzellenmodulgruppen elektrisch seriell (da heißt spannungserhöhend) verbinden.
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Die in den folgenden Figuren eingetragenen Bezugszeichen entsprechen in ihren beiden Endziffern den gleich bezifferten Merkmalen, wie sie zur 1 oder anschließend beschrieben sind. Es wird daher in der folgenden Beschreibung nicht jedes Bezugszeichen der weiteren Figuren erörtert, wenn dies der Beschreibung zur 1 oder einer anderen Figur zu entnehmen ist.
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In der 2 sind zwei der in 1 dargestellten Batteriepacks 16 über ihre Bodenseiten statt mit der Aufnahme 6 miteinander zu einem Batteriepack 216 verbunden. Die Befestigungselemente 05a und b, die in 1 der Festlegung an der Aufnahme 6 dienten, haben ihre Funktionalität nun dahingehend verändert, dass sie der Verbindung der einzelnen Batteriebaugruppen 01a bis d untereinander dienen. An den funktionellen Stirnseiten des Batteriepacks 216 erfolgt die Verbindung der ursprünglichen Batteriepacks 16 mittels je zweier Schraubverbindung 211a unter Zwischenschaltung je einer Hülse 9 zwischen die Befestigungselemente 05a und 05b, im Stoßbereich der Batteriebaugruppen 01a mit 01b und 01c mit 01d erfolgt die Befestigung aller vier Batteriebaugruppen 01 mittels zweier Schraubverbindungen 211d ohne Zwischenschaltung von Hülsen direkt miteinander. Durch Verwendung der Befestigungselemente 05a und b zur Verbindung der vier Batteriebaugruppen 01 untereinander können hierfür bis zu sechs Verbindungsemente 211 (Schrauben-Mutter-Kombination) eingesetzt werden. Unter Verwendung der Befestigungselemente 05c zur Verbindung an der Aufnahme 6 erfolgt die Festlegung dort wiederum mit sechs Halteelementen 211b bzw. c.
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Der Verbau zweier Batteriepacks 16 zu dem Batteriepack 216 erfolgt hier unter Zwischenschaltung einer Trennplatte 10, die die Stabilität des Batteriepacks 216 weiter erhöht.
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In dem Batteriepack 216 liegen die einzelnen Batteriebaugruppen 01 in einer Befestigungslage H auf der Aufnahme 6, die zur Befestigungslage F aus 1 um 90° bzw. 270° (bezogen auf die Längsachse der Batteriepacks 16) gedreht ist. Dadurch, dass die beiden Batteriepacks 16 über ihre Boden miteinander verbunden sind, hat der Batteriepack 216 die Anschlüsse 18 der Zellmodule 2 nicht mehr oben wie in 1, sondern beidseitig (einander gegenüberliegend) seitlich am Batteriepack 216. Diese wechselseitige Anordnung der Batteriepacks 16 ermöglicht somit einen unverbauten Zugang zu allen Batterieanschlüssen 18.
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Die 1 und 2 zeigen, wie unter Verwendung einer einzigen Aufnahme 6 Batteriebaugruppen 01 mit einer Kapazität von 100% (Batteriebaugruppe 01b) bis zu 600% (Batteriepack 216) verbaubar sind, wobei sich die Kapazität mit den dargestellten zwei unterschiedlichgroßen Batteriebaugruppen 01 in sechs Schritten vergrößern lässt. Die Kapazitätsvielfalt kann bei den dargestellten Batteriebaugruppen allen durch Wahl der Länge der Spannseitenteile S praktisch allen Erfodernissen angepasst werden.
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In 3 ist der Zusammenbau zweier Batteriebaugruppen 301a und b, die bis auf die Verwendung anderer Seitenteile den Batteriebaugruppen aus 1 gleichen, dargestellt. Im Unterschied zur 1 kommen hier zwei verschiedene funktionelle Seitenteile 304a und b zum Einsatz, die nur wechselseitig (das heißt Seitenteil 304a mit 304b) zusammenschiebbar und gemeinsam verbaubar sind. Die Seitenteile 304a und b unterscheiden sich von dem Seitenteil 04 durch weiterabstehende Kühlrippen/Aussteifungselemente 308a und b, die bezüglich des Abstandes zu ihrer unteren Schmalseite 312a bzw. 312b versetzt, das heißt zueinander auf Lücke, angesetzt sind. Hierdurch wird ein Kämmen der Kühlrippen 308a und b miteinander beim Zusammenschieben zweier Seitenteile 304a und b möglich. Weiterhin weist das Seitenteil 304a zwei bezüglich der Schmalseite 312a beabstandete Befestigungselemente 305a auf, deren Beabstandung der Höhe (gemessen von der Schmalseite 312b) der Befestigungselemente 305b entspricht. Hierdurch kommen die Befestigungselemente 305a beim Zusammenschieben der beiden Seitenteile 304a und b unmittelbar über den Befestigungselementen 305b und koaxial mit diesen zum Liegen. Die Lage der Befestigungselemente 305c entspricht der zur 1 beschriebenen Lage der Befestigungselemente 05c.
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4 zeigt einen Batteriepack 416, der im Wesentlichen der in 3 dargestellten Ausführungsform ähnelt. Auch hier kommen zwei unterschiedliche funktionelle Seitenteile 404a und b zum Einsatz, wobei im Unterschied zur 3 die Befestigungselemente 405a und b an jedem Seitenteil 404a bzw. b (analog 1) versetzt angeordnet sind und die Zahl der Kühlrippen 408 etwas geringer ist. In dem in 4a und b gezeigten zusammengebauten Zustand der beiden Seitenteile 404a und b ist das Kämmen der Kühlrippen 408a und b sowie die abstandslose koaxiale Aneinanderreihung der Befestigungselemente 405a und b bzw. 405c und d gut zu erkennen.
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Die 5 und 6 zeigen die funktionellen Seitenteile 304 bzw. 404 in Frontansicht. In beiden Ausführungsformen sind die jeweiligen Seitenteile nur funktionell, jedoch nicht deckungsgleich. Die jeweiligen Befestigungselemente 305a bis d und 405a bis d sowie die Kühlrippen 308a und b sowie 408a und b sind jeweils so auf den funktionellen Seiten positioniert, dass die jeweiligen Seitenteile (a und b) mit ihren funktionellen Seiten aufeinanderlegbar sind, wobei dann deren Befestigungselemente a und b bzw. c und d unmittelbar aneinander anschließend koaxial positioniert sind. Ebenso greifen die Kühlrippen a und b hierbei ineinander. Über jede Paarung der Befestigungselemente a und b bzw. c und d lassen sich die so übereinander gelegten Seitenteile a und b in ihrer planparallelen Position fixieren (beispielsweise mittels einer Verschraubung). Durch die so in Deckung fixierten Seitenteile 304 bzw. 404 sind auch, wie aus 4 ersichtlich, die, Böden 15 und die Spannseitenteile S in jeweils einer Ebene zueinander ausgerichtet, sodass der erhaltene Batteriepack 416 wie eine verlängerte Batteriebaugruppe 401 handhabbar ist.
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Die Seitenteile *04a und *04b können hierbei in einer Batteriebaugruppe identisch (beispielsweise zweimal Seitenteil 304b) oder wechselseitig (eine Seite 304a und die andere Seite 304b) verbaut werden. Die in 5 dargestellte Seitenteilkombination 304a/b lässt sich auch vorteilhaft so verbauen, dass ein Batteriepack, der mittels mit ihren funktinellen Seiten aufeinander verbundenen Seitenteilen gebildet ist (analog 4), an seinen äußeren Stirnseiten die Seitenteile 304b und an seiner Verbindungsstelle der einzelnen Batteriebaugruppen eine Kombination aus den Seitenteilen 304a und 304b aufweist. Hierdurch können sämtliche Befestigungselemente 305 unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung von Hülsen 9, mit der Aufnahme 6 verbunden (verschraubt) werden.
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Die in den 5 und 6 auf den Seitenteilen 304 und 404 angeordneten Verschlusselemente 14 können als hervorstehende Rastnasen für entsprechende Öffnungen in den Spannseitenteilen S oder als Sack- oder Durchgangsbohrungen für Nieten ausgebildet sein. Für einen sicheren Verschluss der Verbindungsstelle 07 und 707 sind auch Verschraubungen (statt Nieten) einsetzbar.
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Die mit einem abgenommenem Spannseitenteil S gezeigte Batteriebaugruppe 701 in 7 weist ein Seitenteil 704 auf, das mit den Seitenteilen 04 analog wie in den 1 und 2 dargestellt, verbaubar ist. Die Kühlrippen/Aussteifungselemente 708a sind dabei in ihren Bemaßungen tiefer und etwas versetzt gegenüber den entsprechenden Kühlrippen 08 des Seitenteils 04 angeordnet, so dass bei einem Aufeinandersetzen der funktionellen Seiten der Seitenteile 04 und 704 die Kühlrippen 08 und 708 miteinander kämmen. An dem Spannseitenteil S sind die Stehfalze 713a und b freiliegend dargestellt, wobei in den Stehfalz 713b an seinem einen Ende eine Durchgangsöffnung 719 eingeformt ist, die im verbauten Zustand des Spannseitenteils S koaxial unterhalb des Befestigungselementes 705a positioniert ist, so dass der Stehfalz 713b zusammen mit diesem an einer Aufnahme oder mit einer weiteren Batteriebaugruppe verbindbar ist. Die Zellmodule der Batteriebaugruppe 701 sind mit einer Abdeckung 720 versehen, die die Anschlüsse 18 schützt.
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Die in den 8 bis 10 dargestellten Rahmenanordnungen 803, 903 und 1003 sind allseitig Blechkonstruktionen. Auch die Befestigungselemente 805, 905 und 1005 können aus einem Blechstreifen gerollt werden (alternativ zu Hülsen-Elementen). In der 8 sind die Kühlrippen/Aussteifungselemente 808 durch Faltung eines Blechstreifens gebildet und an dem Seitenteil 804 durch Punktschweißung angesetzt. Auch andere Verbindungen wie Löten oder Nieten sind möglich. Im Unterschied zu den bisher gezeigten Ausführungsformen sind hier die Befestigungselemente 805a und b an den Spannseitenteilen S angeordnet, wobei sie auf Falzrändern 821 (und damit auf der funktionellen Seite des Seitenteils 804a) sitzen. Das zweite Seitenteil 804b ist einstückig mit den Spannseitenteilen S über jeweils zwei Abwinklungen 822 verbunden. Hierdurch erhält man eine nur zweiteilige Rahmenanordnung 803, in die die Zellmodule durch leichtes Aufbiegen der Spannseitenteile S einsetzbar und durch Einschieben des Seitenteils 804a zwischen die funktionellen Falzränder 821 und eine Zellmodulseite verschließbar ist. Die Verbindungsstellen 807 können auf dem Seitenteil 804 mit üblichen Verbindungsmitteln (Kleben, Nieten...) festgelegt werden, bei einem geringen Gewicht der eingesetzten Zellmodule ist eine Festlegung der Verbindungsstellen 807 auch allein über die Verbindung der Befestigungselemente 805b mit einer Aufnahme oder einer weiteren Batteriebaugruppe möglich.
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Auch die Rahmenanordnungen 903 und 1003 sind nur zweiteilig ausgeführt, wobei jeweils ein Spannseitenteil S mit einem multifunktionellen Seitenteil 904/1004 über Abkantungen 925/1025 einstückig verbunden ist. Die Kühlrippen/Aussteifungselemente 908 und 1008 sind aufgesetzte schienenartige Elemente, die ebenfalls aus einem blechförmigen Halbzeug herstellbar sind. Diese Rahmenanordnungen 903 und 1003 weisen je zwei unterschiedlich ausgebildete Verbindungsstellen 907a/b und 1007a/b auf. Die Verbindungsstelle 907a enthält Verschlusselemente 914a, die mittels einfacher Blindnieten miteinander gefügt werden können. Die Verschlusselemente 914b weisen in nach außen gerichteten Abkantungen 926 Durchgangsbohrungen 927 auf, die an entsprechenden Gegenstücken 928, de an den Enden der Kühlrippen/Aussteifungselementen 908b angeordnet sind, beispielsweise durch Verschrauben oder Vernieten festlegbar sind.
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Der Verschluss der Rahmenanordnung 1003 erfolgt an der Verbindungsstelle 1007a über Verschlusselemente 1014a, die gebildet sind durch hakenförmige Abkantungen 1023, die in Schlitze 1024 eingreifen. In dieser Ausführungsform wird das mit dem Seitenteil 1004b einstückig verbundene Spannseitenteil S an dem Seitenteil 1004a eingehängt und durch Fügen der Verbindungsstelle 1007b, die analog der Verbindungsstelle 907b aufgebaut ist, unter Zugspannung festgelegt.
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Die Spannseitenteile S sind mit flächenmäßig großen Ausnehmungen 1029 versehen, die das Gesamtgewicht der Rahmenanordnung 1003 – verglichen mit einer gleichen Rahmenanordnung ohne Ausnehmungen – um etwa 30% senken.
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Bezugszeichenliste
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- 01, 301, 401, 701
- Batteriebaugruppe
- 2
- Zellmodul
- 03, 303, 403, 703, 803, 903, 1003
- Rahmenanordnung
- 04, 304, 404, 704, 804, 904, 1004
- (multi)funktionelles Seitenteil
- 05, 305, 405, 705, 805, 905, 1005
- Befestigungselement
- 6
- Aufnahme
- 07, 707, 807, 907, 1007
- Verbindungsstelle
- 08, 308, 408, 508, 708, 808, 908, 1008
- Kühlrippen/Aussteifungselement
- 09, 209
- Hülsen
- 10
- Trennplatte(-Blech)
- 11, 211
- Verbindungselement (Schraube, Mutter)
- 12, 312, 412
- Schmalseiten
- 13, 413, 713, 813, 913, 1013
- Stehfalz
- 14, 914, 1014
- Verschlusselemente
- 15
- Boden
- 16, 216, 416
- Batteriepack
- 17
- Ausnehmungen
- 18
- Anschlüsse
- 30
- Kurzer Niderspannungsleiter
- 31
- Langer Niederspannungsleiter
- 719
- Durchgangsöffnung
- 720
- Abdeckung
- 821
- funktioneller Falzrand
- 822
- Abwinklungen
- 1023
- hakenförmige Abkantungen
- 1024
- Schlitze
- 925, 1025
- Abkantungen
- 926
- Abkantungen
- 927
- Durchgangsbohrungen
- 928
- Gegenstück
- 1029
- Ausnehmungen
- F
- Befestigungslage
- H
- Befestigungslage
- S
- Spannseitenteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010046529 [0002]
- US 2005/0158606 A1 [0003]
- US 2010/0167115 A1 [0004]
- US 2005/0084748 A1 [0005]
- US 2005/0019643 A1 [0006]
