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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Batteriestapel und insbesondere einen Rahmen für eine einzelne Batteriezelle des Batteriestapels.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Batteriezelle wurde als eine saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Eine Art von Batteriezelle ist als Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist wiederaufladbar und kann in einer großen Vielfalt von Formen und Größen ausgebildet werden, um den verfügbaren Raum in Elektrofahrzeugen auf effiziente Weise auszufüllen. Die Batteriezelle kann beispielsweise eine prismatische Form aufweisen, um ein Stapeln der Batteriezellen zu ermöglichen.
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Typische prismatische Batteriezellen weisen ein Paar kunststoffbeschichtete Metallschichten auf, die um einen Umfang der Batteriezelle herum verschmolzen sind, um die Komponenten der Batteriezelle abzudichten. Das Abdichten der Komponenten der Batteriezelle beginnt im Allgemeinen mit dem Bereitstellen einer der kunststoffbeschichteten Metallschichten mit einem Hohlraum, die manchmal als „Butterdosen“-Form bezeichnet wird. Die Komponenten der Batteriezelle werden im Inneren des Hohlraums der kunststoffbeschichteten Metallschicht angeordnet. Die andere kunststoffbeschichtete Metallschicht wird dann auf den Komponenten der Batteriezelle platziert und am Umfang mit der einen kunststoffbeschichteten Metallschicht mit dem Hohlraum verschmolzen, beispielsweise durch eine Heißversiegelung entlang der Ränder. Dadurch wird die Batteriezelle bereitgestellt.
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Eine Vielzahl einzelner Batteriezellen kann in einem Batteriestapel bereitgestellt sein, um eine Leistungsmenge bereitzustellen, die ausreicht, um Elektrofahrzeuge zu betreiben. Wenn die Vielzahl einzelner Batteriezellen verwendet wird, kann jede der Batteriezellen in einem Rahmen angeordnet sein, der mit benachbarten Rahmen zusammenwirkt, um die Batteriezellen im Batteriestapel auszurichten. Ein typischer Rahmen ist in der
US 2011 0 162 820 A1 des Anmelders beschrieben, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt derselben hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Der Rahmen kann Verteileröffnungen enthalten, die Zufuhr- und Auslassverteiler zum Massentransport von Kühlfluid an und von Kühlplatten definieren, die zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet sind. Der Rahmen kann außerdem Löcher enthalten, die mit Kompressions- oder Verbindungsstangen zusammenwirken, um die Batteriezellen zum Ausbilden des Batteriestapels in einem Stapel auszurichten und festzuhalten.
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Typischerweise wird eine Vielzahl externer Spannungserfassungsdrähte und Kabelstränge benötigt, um eine Spannung jeder Batteriezelle im Batteriestapel zu überwachen. Diese Anordnung ist nicht wünschenswert, da die Spannungserfassungsdrähte hohe Spannungen führen und die Anzahl der Spannungserfassungsdrähte und zugehöriger Stecker die Komplexität des Batteriestapels erhöhen. Außerdem beeinträchtigen die externen Spannungserfassungsdrähte auf ungewünschte Weise eine Abdichtung des Batteriestapels, da sich die Drähte oft zwischen abgedichteten Schnittstellen zwischen benachbarten Modulen des Batteriestapels erstrecken. Es werden oftmals auch verschiedene Konstruktionen für verschiedene Rahmenanordnungen innerhalb des Batteriestapels verwendet, um die große Anzahl von Spannungserfassungsdrähten und zugehörigen Steckern unterzubringen.
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Die Druckschrift
KR 10 1 012 049 B1 offenbart einen modular aufgebauten Reservebatteriepack aus einzelnen Rahmen, die zur Aufnahme von Batteriezellen vorgesehen sind. An einer Seite jedes Rahmens sind zwei leitfähige Stifte angeordnet, die mit entsprechenden Stiften eines benachbarten Rahmens zusammenarbeiten können.
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Es besteht ein fortgesetzter Bedarf für einen Rahmen für einen Batteriezellenrahmen, der eine Spannungserfassung ohne Verwendung externer Erfassungsleitungsdrähte und Kabelstränge im Batteriestapel erlaubt. Es wäre gewünscht, dass der Rahmen darin integrierte Erfassungsleitungsdrähte aufweist, die Möglichkeit zum Freilegen von Hochspannungsdrähten und zum unbeabsichtigten Stecken externer Drähte in falsche Kabelstränge minimiert und eine allgemeine Konstruktion für alle Rahmen bereitstellt, um eine Anzahl von Teilen zu minimieren, die bei der Montage des Batteriestapels benötigt werden und die Produktion eines einzelnen Rahmens in einem größeren Volumen ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Offenbarung wurde überraschend ein Rahmen für eine Batteriezelle entdeckt, der eine Spannungserfassung ohne die Verwendung externer Erfassungsleitungsdrähte und Kabelstränge im Batteriestapel ermöglicht, bei dem die Erfassungsleitungsverbindungen darin eingebaut sind, der die Möglichkeit zum Freilegen der Hochspannungsdrähte und des unbeabsichtigten Steckens externer Drähte in falsche Kabelstränge minimiert und der eine allgemeine Konstruktion für alle Rahmen bereitstellt, um eine Anzahl von Teilen zu minimieren, die bei der Montage des Batteriestapels benötigt werden, und der eine Produktion eines Rahmens mit einem größeren Volumen ermöglicht.
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Die vorliegende Offenbarung verwendet Verteilerstücke mit einer Vielzahl von Kaskadierungsstiften, um Erfassungsleitungsspannungen durch jeden Rahmen hindurch zu übertragen. Ein primärer oder Anfangsstift ist mit einer Batteriezellenfahne verbunden. Ein Signal wird entlang eines jeden der verbleibenden Erfassungsleitungsstifte durch die Kaskadierungskonfiguration gesendet. Die Kaskadierungsstifte ermöglichen auf gewünschte Weise die Verwendung eines gemeinsamen wiederholbaren Rahmens für alle Batteriezellen eines Batteriestapels.
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Bei einer ersten Ausführungsform enthält ein Rahmen für eine Batteriezelle einen Hauptkörper mit einer Öffnung, die ausgestaltet ist, um die Batteriezelle aufzunehmen. Ein Verteilerstück ist an einem Ende des Hauptkörpers angeordnet. Das Verteilerstück enthält eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Stifte, die durch das Verteilerstück hindurch angeordnet sind. Die elektrisch leitfähigen Stifte sind so ausgestaltet, dass sie mit Stiften in einem benachbarten Rahmen zusammenarbeiten.
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Bei einer anderen Ausführungsform enthält eine Batteriezellenanordnung eine Batteriezelle und einen Rahmen. Der Rahmen enthält einen Hauptkörper mit einer Öffnung, welche die Batteriezelle aufnimmt. Ein Verteilerstück ist an einem Ende des Hauptkörpers angeordnet. Das Verteilerstück enthält eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Stifte, die so ausgestaltet sind, dass sie mit Stiften in einem benachbarten Rahmen zusammenarbeiten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform enthält ein Batteriestapel eine Vielzahl von Batteriezellenanordnungen. Jede Batteriezellenanordnung weist eine Batteriezelle und einen Rahmen auf, der einen Hauptkörper mit einer Öffnung, welche die Batteriezelle aufnimmt, enthält. Ein Verteilerstück ist an einem Ende des Hauptkörpers angeordnet. Das Verteilerstück enthält eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Stifte. Die elektrisch leitfähigen Stifte von einer der Batteriezellenanordnungen arbeiten mit den elektrisch leitfähigen Stiften einer benachbarten der Batteriezellenanordnungen zusammen.
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Figurenliste
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann aus der folgenden genauen Beschreibung leicht ersichtlich, besonders wenn sie im Lichte der hier beschriebenen Zeichnungen betrachtet wird.
- 1 ist eine perspektivische Frontansicht eines Rahmens für eine Batteriezelle gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Frontaufrissansicht des in 1 gezeigten Rahmens für die Batteriezelle;
- 3 ist eine vergrößerte fragmentarische Frontaufrissansicht des Rahmens für die Batteriezelle, die durch Markierung 3 in 2 identifiziert ist;
- 4 ist eine Draufsicht von oben eines fragmentarischen Querschnitts des Rahmens für die Batteriezelle, der durch Schnittlinie 4 in 2 identifiziert ist;
- 5 ist eine Aufrissansicht eines Seitenquerschnitts des Rahmens für die Batteriezelle, der durch Schnittlinie 5 in 2 identifiziert ist;
- 6 ist eine Aufrissansicht eines Seitenquerschnitts des Rahmens für die Batteriezelle, der durch Schnittlinie 6 in 2 identifiziert ist;
- 7 ist eine auseinandergezogene Seitenaufrissansicht einer Vielzahl der in 1 - 6 dargestellten Rahmen, bei der elektrisch leitfähige Stifte einer ersten Spalte in gestrichelten Linien gezeigt sind; und
- 8 ist eine Seitenaufrissansicht der Vielzahl der Rahmen für die Batteriezellen, die in 7 dargestellt ist, die zusammengebaut mit einem elektrischen Leitungsweg gezeigt sind, der durch die Zusammenarbeit der elektrisch leitfähigen Stifte definiert ist, die durch die Vielzahl der Rahmen hindurch angeordnet sind und durch Pfeillinien identifiziert sind.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
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Mit Bezug auf 1 - 3 ist eine Batteriezellenanordnung 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Batteriezellenanordnung 100 enthält eine Batteriezelle 102 und einen Rahmen 104. Die Batteriezelle 102 ist als eine prismatische Batteriezelle gezeigt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Batteriezelle 102 eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle (Li-Ion-Batteriezelle) sein. Es ist festzustellen, dass andere Batteriezellen 102, die eine andere Struktur und Elektrochemie verwenden, ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Eine Vielzahl der Batteriezellenanordnungen 100 kann in einem Stapel angeordnet sein, um einen Batteriestapel 105 (in 7 - 8 gezeigt) zu bilden.
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Der Rahmen 104 für die Batteriezelle 102 enthält einen Hauptkörper 106 mit einer darin ausgebildeten Öffnung 108. Der Hauptkörper 106 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet, beispielsweise einem Thermokunststoff oder einem Gummi. Wenn gewünscht, können auch andere elektrisch nicht leitfähige Materialien verwendet werden. Die Öffnung 108 des Hauptkörpers 106 ist ausgestaltet, um die Batteriezelle 102 aufzunehmen. Ein Verteilerstück 110 ist an einem Ende des Hauptkörpers 106 angeordnet. Obwohl nur ein Verteilerstück 110 gezeigt ist, ist festzustellen, dass andere Verteilerstücke, die an anderen Enden oder Seiten des Hauptkörpers 106 angeordnet sind, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwenden werden können.
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Das Verteilerstück 110 enthält eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Stifte 112. Die elektrisch leitfähigen Stifte sind aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa als Beispiele ohne Einschränkung aus Kupfer oder Stahl gebildet. Auf Wunsch können auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden. Die Stifte 112 sind durch das Verteilerstück 110 hindurch angeordnet und sind so ausgestaltet, dass sie mit verwandten Stiften 112 in einem benachbarten Rahmen 104 zusammenarbeiten, wie beispielsweise in 7 - 8 gezeigt ist.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 1 - 3 kann die Vielzahl von Stiften des Rahmens 104 eine erste Spalte 114 der Stifte 112 und eine zweite Spalte 116 der Stifte 112 enthalten. Die erste Spalte 114 kann einen Anfangsstift 118, einen Endstift 120 und eine Vielzahl erster Kaskadierungsstifte 122 enthalten, wie in 5 - 8 gezeigt ist. Die ersten Kaskadierungsstifte 122 sind zwischen dem Anfangsstift 118 und dem Endstift 120 angeordnet. Die zweite Spalte 116 teilt sich den Endstift 120 mit der ersten Spalte 114 und enthält auch eine Vielzahl zweiter Kaskadierungsstifte 124.
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Der Anfangsstift 118 ist mit einem elektrischen Leiter 126 verbunden. Der elektrische Leiter 126 ist durch das Verteilerstück 110 hindurch angeordnet und versetzt den Anfangsstift 118 in elektrische Verbindung mit der Batteriezelle 102. Der elektrische Leiter 126 kann beispielsweise einen elektrisch leitfähigen Draht oder Streifen enthalten, der an eine Zellenfahne 128 der Batteriezelle 102 entweder angrenzt oder damit verschweißt ist. Der Hauptkörper 106 des Rahmens 104 kann eine Ausnehmung 129 enthalten, die beispielsweise die Zellenfahne 128 aufnimmt. Der elektrische Leiter 126 kann in der Ausnehmung 129 angeordnet sein, um die Zellenfahne 128 zu kontaktieren, wenn die Batteriezelle 102 im Rahmen 104 angeordnet ist. Der elektrische Leiter 126 kann ferner eine Sicherung 130 enthalten, die verwendet wird, um gegen ungewünschte elektrische Aktivitäten der Batteriezelle 102 zu wirken. Die Sicherung 130 kann innerhalb des Verteilerstücks 110 angeordnet sein oder beispielsweise außerhalb des Verteilerstücks 110 angeordnet sein, um den Austausch zu erleichtern, falls es gewünscht ist.
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Wie in 4 dargestellt ist, und ähnlich wie die Stifte 112, welche die Kaskadierungskonfiguration aufweisen, die in 5 und 6 gezeigt ist, kann der Endstift 120 einen Steckerabschnitt 132, einen Buchsenabschnitt 134 und einen Verbindungsabschnitt 136 enthalten. Im Gegensatz zu der Kaskadierungskonfiguration jedoch springt der Endstift 120 seitwärts nach außen von der ersten Spalte 114 zu der zweiten Spalte 116, um die zweite Spalte 116 zu beginnen. Das Hinzufügen der zweiten Spalte 116 zu der ersten Spalte 116 ermöglicht das Stapeln von viel mehr Batteriezellen 102 im Batteriestapel 105, als dies mit nur der ersten Spalte 114 möglich wäre, indem ermöglicht wird, dass eine Signalstrecke von den Batteriezellen 102 seitlich außerhalb von der ersten Spalte 116 übertragen wird, wenn eine Anzahl der Batteriezellen 102 eine Anzahl der Stifte 112 überschreitet.
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Wie in 5 und 6 gezeigt ist, weist zumindest ein Teil der Stifte 112 in der ersten und zweiten Spalte 114, 116 die Kaskadierungskonfiguration auf. Beispielsweise enthalten die ersten und zweiten Kaskadierungsstifte 122, 124 der ersten und zweiten Spalte 114, 116 jeweils den Steckerabschnitt 132, den Buchsenabschnitt 134 und den Verbindungsabschnitt 136. Der Verbindungsabschnitt 136 ist zwischen dem Steckerabschnitt 132 und dem Buchsenabschnitt 134 angeordnet und verbindet den Steckerabschnitt 132 auf elektrische Weise mit dem Buchsenabschnitt 134. Als ein Beispiel ohne Einschränkung kann der Steckerabschnitt 132 von dem Buchsenabschnitt 134 beabstandet sein und parallel dazu orientiert sein. Der Verbindungsabschnitt 136 kann quer zu sowohl dem Steckerabschnitt 132 als auch dem Buchsenabschnitt 134 orientiert sein, um die Kaskadierungskonfiguration eines jeden der ersten und zweiten Kaskadierungsstifte 122, 124 zu bilden. Es ist festzustellen, dass die Kaskadierungskonfiguration der ersten und zweiten Kaskadierungsstifte 122, 124 in der ersten und zweiten Spalte 114, 116 auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass die gleiche Konstruktion für den Rahmen 112 für jede der Batteriezellen 102 im Batteriestapel 105 verwendet wird. Die Signalstrecke für jede der Batteriezellen 102 beginnt immer bei dem Anfangsstift 118 und wandert kaskadenförmig durch die benachbarten Rahmen 104. Daher sind verschiedene Konstruktionen für die Rahmen 104 in Abhängigkeit vom Ort im Stapel unnötig.
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Der Fachmann wird verstehen, dass weitere Spalten mit den Stiften 112 ebenfalls hinzugefügt werden können, beispielsweise auf der Grundlage einer gewünschten Anzahl der Batteriezellen 102 im Batteriestapel 105. Die weiteren Spalten enthalten weitere Kaskadierungsstifte 122, 124 und weitere gemeinsam genutzte Endstifte 120, wie beispielsweise bei der ersten und zweiten Spalte 114, 116 gezeigt ist, die in 4 - 6 der Offenbarung dargestellt sind.
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Mit Bezug nun auf 7 und 8 enthält der Batteriestapel 105 der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl der hier vorstehend beschriebenen Batteriezellenanordnungen 100. Die elektrisch leitfähigen Stifte 112 von einer der Batteriezellenanordnungen 100 arbeiten mit den elektrisch leitfähigen Stiften 112 einer benachbarten der Batteriezellenanordnungen 100 zusammen. Die Integration der ersten und zweiten Kaskadierungsstifte 122, 124 in das Verteilerstück 110 des Rahmens 104 stellt eine wiederholbare Erfassungsleitungsverbindung von Rahmen zu Rahmen bereit, die durch die ersten und zweiten Kaskadierungsstifte 122, 124 in jedem der Rahmen 104 weitergegeben wird.
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Es versteht sich, dass der Anfangsstift 118 jedes der Rahmen 104 mit einem benachbarten der ersten Kaskadierungsstifte 122 des benachbarten der Rahmen 104 verbunden ist. Auf gleiche Weise sind die ersten Kaskadierungsstifte 122 jedes der Rahmen 104 mit einem benachbarten der ersten Kaskadierungsstifte 122 des benachbarten der Rahmen 104 verbunden. Dadurch übertragen die ersten Kaskadierungsstifte 122 elektrische Signale, wie etwa die erfasste Spannung (z.B. Vs1, Vs2, Vs3, Vs4, Vsn) entlang der verbundenen Kaskadierungsstifte 122 und ermöglichen, dass eine beliebige Anzahl der Rahmen 104 verwendet wird. Dies ist vorteilhaft, weil unabhängig von der Anzahl der Batteriezellen 102 und der zugehörigen Rahmen 104 die gleiche wiederholbare Konstruktion für den Rahmen 104 verwendet wird. Obwohl der Rahmen 104 der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf erfasste Spannungen beschrieben ist, ist festzustellen, dass die Erfindung auch verwendet werden kann, um andere Signale von den Batteriezellen 102 und von Geräten, die in den Batteriestapel 105 eingebaut sind, zu messen, falls gewünscht.
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Da die Kaskadierungsstifte 122 einem gleichen Muster folgen, wird eine Störung an den Kaskadierungsstiften 122 immer jede Batteriezelle 102 in einer vorhersagbaren Weise wiederspiegeln. Auch eine Skalierung des Batteriestapels 105, um mehr oder weniger Batteriezellen 102 zu verwenden, wird durch die wiederholbaren Rahmen 104 der vorliegenden Offenbarung auf leichte Weise ermöglicht. Der Rahmen 104 der vorliegenden Offenbarung ermöglicht auf vorteilhafte Weise ferner eine Beseitigung von individuell verbundenen Kabelsträngen mit jedem einzelnen Rahmen, wie es mit bekannten Batteriestapeln durchgeführt wird. Ein Überwachungsmodul (nicht gezeigt), zum Detektieren elektrischer Signale, wie etwa einer erfassten Spannung, kann an mindestens einem der Rahmen 104 in einer Folge der Rahmen 104 unter Verwendung eines passenden Verbinders (nicht gezeigt) so angeordnet werden, dass er zu dem mindestens einen der Rahmen 104 passt.
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Der Rahmen 104 der vorliegenden Offenbarung minimiert auf vorteilhafte Weise ein Freiliegen von Drähten, die hohe Spannungen führen, sowie die Komplexität des Batteriestapels 105, aufgrund einer Beseitigung von externen Erfassungsleitungen und Kabelsträngen. Die Stifte 112 der vorliegenden Offenbarung sind außerdem robuster als bekannte Erfassungsleitungsdrähte aufgrund der Anordnung der Stifte 112 innerhalb des Hauptkörpers 106 des Rahmens 104 und sie ermöglichen eine verbesserte Abdichtung des Batteriestapels 105. Darüber hinaus minimiert die Verwendung einer Konstruktion mit einem gemeinsamen, wiederholbaren Rahmen 104 für alle Batteriezellen 102 des Batteriestapels 105 eine Anzahl von Teilen, die bei der Montage des Batteriestapels 105 benötigt werden, während sie eine Produktion mit einem größeren Volumen des einzigen Rahmens 104 ermöglicht.
