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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Batterie, eine Batterie und eine Batterieanordnung, wobei das Gehäuse eine Bodenplatte, einen Deckel und eine Seitenfläche, die sich umlaufend zwischen der Bodenplatte und dem Deckel erstreckt, aufweist, und wobei die Seitenfläche mindestens einen Verjüngungsbereich aufweist.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (beispielsweise bei Windkraftanlagen), in Fahrzeugen (beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) als auch im Consumer-Bereich (beispielsweise Laptops und Mobiltelefone) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Ein wichtiger Parameter für die Leistungsfähigkeit ist die spezifische Energie. Diese besitzt die Einheit Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) und gibt an, wie viel Energie in einem Kilogramm Batterie gespeichert werden kann. Es ist daher das Bestreben der Hersteller, das Gewicht der Batterie zu reduzieren, um diesen Quotienten zu steigern. Lithium-Ionen-Batteriezellen sind empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise Luft oder Feuchtigkeit und müssen daher so gut wie möglich davor geschützt werden.
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Den Schutz gewährleistet beispielsweise ein Hardcase-Gehäuse. Es besteht aus zwei Teilen, der sogenannten „Can Plate” (Gehäuse) und der sogenannten „Cap Plate” (Deckel), die im Fertigungsprozess miteinander verschweißt werden. Eine andere Gehäuseform stellt die sogenannte „Coffee Bag Zelle”, ein Gehäuse aus Aluminium-Verbundfolie, dar.
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Nicht nur Lithium-Ionen-Batteriezellen, sondern auch andere Chemiesysteme oder galvanische Systeme können ein entsprechendes Gehäuse aufweisen, wie zum Beispiel Nickel-Metall-Hydrid-Zellen oder Lithium-Metall-Polymer-Zellen.
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Die Antriebsbatterien in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen werden üblicherweise modular aufgebaut. Dabei werden aus mindestens zwei Einzelzellen (die seriell oder parallel verschaltet werden) Module gebildet, welche wiederum zu größeren Untereinheiten zusammengefasst werden, sogenannten Sub-Units, welche sich beispielsweise eine gemeinsame Kühleinrichtung teilen. Aus zwei oder mehreren dieser Sub-Units wird letztendlich eine komplette Batterie aufgebaut. Dabei können die Module und Sub-Units je nach Bauraum auch in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sein.
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Aus der
US 2009/0035652 A1 ist ein nicht-prisma-förmiges Batteriegehäuse bekannt, bei welchem die untere Begrenzung schmaler ist als die obere Begrenzung.
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Nachteil ist, dass zusätzlicher Platz benötigt wird für die Befestigung oder Verspannung von Batteriezellen oder dass zusätzlicher Platz benötigt wird für die Hindurchführung von benötigen Bauelementen sowie elektrischen Leitungen oder Kühlleitungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse für eine Batterie zur Verfügung gestellt, mit einer Bodenplatte, einem Deckel und einer Seitenfläche, die sich umlaufend zwischen der Bodenplatte und dem Deckel erstreckt, wobei die Seitenfläche mindestens einen Verjüngungsbereich aufweist, in dem sich der Abstand der Seitenfläche von einem in Bezug auf den Umfang gegenüberliegenden Bereich der Seitenfläche vom Deckel zur Bodenplatte hin verkleinert, wobei ein erster Bereich des Verjüngungsbereichs, der dem Deckel zugewandt ist und ein zweiter Bereich des Verjüngungsbereichs, der dem ersten Bereich in Bezug auf den Umfang der Seitenfläche gegenüberliegt, plan ausgebildet sind und der erste Bereich und der zweite Bereich parallel zueinander angeordnet sind.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind gegenüber liegende Bereiche der Seitenfläche dadurch gekennzeichnet, dass diese bezüglich eines um eine Achse, welche bezüglich zwei Dimensionen lotrecht in die Bodenplatte eintaucht und durch einen Schwerpunkt des Gehäuses verläuft, laufenden Rotationswinkels um einen halben Vollkreis, entsprechend 180 Grad, verschieden angeordnet sind. Der erste und der zweite Bereich sind zu einander parallel und von einander beabstandet angeordnet. Der Umfang entspricht einer Schnittkurve, welche gebildet wird, indem die Seitenfläche des Gehäuses von einer Ebene durchgeschnitten wird, welche bezüglich zwei Dimensionen lotrecht zur Achse steht. Somit impliziert „gegenüber liegend” eine beiden gegenüber liegenden Seiten gleichartige Höhe und impliziert somit eine Symmetrie der beiden Seitenbereiche.
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Im Sinne der Erfindung trifft die Bezeichnung als „Batterie“ ebenso ein galvanisches Element, also sowohl einen Zellenverbund als auch eine einzelne Zelle und weiterhin insbesondere wiederaufladbare Sekundärbatterien.
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Die Erfindung bringt als Vorteil hervor, dass eine derartige, auf wenige Bereiche beschränkte, Volumenverkleinerung des Gehäuses eine Nutzung des erfindungsgemäß frei gewordenen Volumens ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Seitenfläche des Gehäuses vier plan ausgebildete Hauptflächen, wobei jeweils zwei Hauptflächen voneinander beabstandet parallel gegenüberliegen und benachbarte Hauptflächen rechtwinklig zueinander angeordnet sind und ebenfalls mindestens eine der Hauptflächen einen Verjüngungsbereich aufweist.
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Ein Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere derartige Gehäuse Wand an Wand stapeln zu können und dennoch über erfindungsgemäß frei gewordenes Volumen zu verfügen.
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Bevorzugterweise erstreckt sich der erste Bereich des Gehäuses über mindestens 10%, bevorzugter über mindestens 20%, noch bevorzugter über mindestens 30%, ebenfalls bevorzugt über mindestens 50% oder weiterhin bevorzugt über mindestens 70% des Abstandes zwischen dem Deckel und der Bodenplatte.
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Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass im erfindungsgemäß frei gewordenen Volumen-Bereich Elemente angeordnet werden können, deren Höhe ausgedrückt werden kann als prozentualer Anteil vom Abstand zwischen Deckel und der Bodenplatte, was beispielsweise zur Bildung von Gehäusekategorien dienlich ist.
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Auch ist es denkbar, dass die Seitenfläche des Gehäuses am unteren Ende des ersten Bereichs abknickt.
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Vorteilhaft daran ist, dass ein Knick eine starke Krümmung aufweist und somit auf kleinstem Raum eine Richtungsänderung in der Seitenfläche möglich ist, welche für ein möglichst großes erfindungsgemäß frei gewordenes Volumen günstig ist.
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In einer besonders bevorzugten Variante der Gehäuseform ist eine Erstreckung der Bodenplatte entlang ihrer Längsachse kürzer als eine Erstreckung des Deckels entlang seiner Längsachse.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein erfindungsgemäß frei gewordenes Volumen aufgespannt wird durch eine Höhe, eine Länge und eine Breite, wobei der bevorzugte variable Parameter hierbei eine Längendifferenz ist, um welche die Bodenplatte kürzer ist als der Deckel.
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Ein dadurch erreichter Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere derartige Gehäuse Wand an Wand und auf einer Unterlage stapeln zu können, wobei deren Bodenplatten auf der Unterlage stehen und dennoch über erfindungsgemäß frei gewordenes Volumen verfügen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit einem Gehäuse nach mindestens einer der vorgenannten Varianten offenbart.
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Als Batterie sind Lithium-Ionen-Akkumulator-Zellen bevorzugt.
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Der Vorteil einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse ist die Möglichkeit, den erfindungsgemäß frei gewordenen Raum für Elemente zu nutzen, welche im Zusammenhang mit einer Batterie nützlich sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Batterie ist eine Erstreckung eines Schichtenwickels entlang seiner Längsachse im Bereich der Bodenplatte kürzer als im Bereich des Deckels.
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Im Sinne der Erfindung ist der Schichtenwickel ein geschichteter Aufbau der chemischphysikalisch aktiven Komponenten einer Batterie, um Strom zu erzeugen. Der Schichtenwickel umfasst vorzugsweise Elektroden, eine Elektrodenkollektorfolie, einen Elektrolyt und/oder ein Polymer. Bevorzugterweise ist in einem der Bodenplatte zugewandten Bereich ein Überstand der Elektrodenkollektorfolie abgeschnitten. Dieser wird nicht benötigt, da eine Kollektorgabel nur in einem dem Deckel zugewandten Bereich angeschweißt ist und somit das Zellgehäuse im der Bodenplatte zugewandten Bereich schmaler gestaltet werden kann.
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Als Vorteil ergibt sich eine Materialeinsparung, da insbesondere die zum Rand des Batteriegehäuses zeigenden Metallteile der Elektroden oder der Kontakte zu den Elektroden verkleinert sind, was sich bezüglich des reduzierten Materialpreises als auch bezüglich der reduzierten trägen Masse als günstig erweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Batterie ist eine Erstreckung der Elektroden entlang ihrer Längsrichtung im Bereich der Bodenplatte kürzer ist als im Bereich des Deckels.
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Vorteilhaft dabei ist ebenfalls eine Materialeinsparung, da insbesondere die zum Rand des Batteriegehäuses zeigenden Metallteile der Elektroden oder der Kontakte zu den Elektroden verkleinert sind, was sich bezüglich des reduzierten Materialpreises als auch bezüglich der reduzierten trägen Masse als günstig erweist.
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Ebenfalls ist es möglich, dass der Deckel der Batterie zwei Aussparungen aufweist, und durch jede Aussparung ein elektrisches Anschluss-Terminal geführt ist.
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Als Vorteil erweist sich der dadurch erzielte Abstand zweier Anschluss-Terminals voneinander, was insbesondere bezüglich der Zusammenschaltung mehrerer Batterien nützlich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterieanordnung offenbart, wobei Batterien mit mindestens einem der vorgenannten Merkmale in mindestens einer Raumrichtung nebeneinander gestapelt sind und mindestens ein Verjüngungsbereich einer ersten Batterie mit einem weiteren, benachbarten Seitenbereich einer zweiten, benachbarten Batterie einen Kanal bilden, welcher zu den Seiten und nach oben hin durch den Verjüngungsbereich und den benachbarten Seitenbereich begrenzt ist, wobei in diesem Kanal ein Befestigungselement, eine Leitung für Informationen, Elektrizität oder Wärmetransport oder ein Kühlelement angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere bei rechtwinkliger Stapelung mehrerer Batterien und somit trotz effektiver räumlicher Anordnung von Batterien ein erfindungsgemäßer zusätzlicher Raum als Trasse oder Kanal nutzbar ist.
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Als resultierender Vorteil ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, den Kanal für die Unterbringung von Wärme-, Signal- oder Stromleitungen als auch für die Unterbringung von Befestigungselementen zu nutzen, und somit erfindungsgemäß frei gewordenen Platz nutzen zu können.
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Vorzugsweise weist der Verjüngungsbereich des Gehäuses eine (besonders bevorzugt ebene) Fläche im dem Deckel zugewandten Bereich auf, wobei diese ebene Fläche im unteren Bereich nach innen, bevorzugt unter einem Winkel zwischen 20 und 170°, bevorzugter unter einem Winkel zwischen 40 und 130°, noch bevorzugter unter einem Winkel zwischen 60 und 90° und besonders bevorzugt rechtwinklig, abknickt. Alternativ weist der Verjüngungsbereich des Gehäuses vorzugsweise eine ebene Fläche im dem Deckel zugewandten Bereich auf, wobei diese ebene Fläche im unteren Bereich in eine nach außen gewölbte Rundung übergeht, wobei die Rundung vorzugsweise einen Radius zwischen 0,3 mm und 100 mm, noch bevorzugter zwischen 1 mm und 30 mm und besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm aufweist. Vorzugsweise weist der die genannte Rundung aufweisende Verjüngungsbereich vorzugsweise eine weitere (zwischen der außen gewölbten Rundung und dem Deckel angeordnete) nach innen gewölbte Rundung auf, wobei diese Rundung vorzugsweise einen Radius zwischen 0,3 mm und 100 mm, noch bevorzugter zwischen 1 mm und 30 mm und besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm aufweist.
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Vorzugsweise weist der Verjüngungsbereich eine (gegebenenfalls weitere) (besonders bevorzugt ebene) Fläche auf, die sich vom Deckel aus erstreckt, wobei diese ebene Fläche im oberen Bereich nach außen, bevorzugt unter einem Winkel zwischen 20 und 170°, bevorzugter unter einem Winkel zwischen 40 und 130°, noch bevorzugter unter einem Winkel zwischen 60 und 90° und besonders bevorzugt rechtwinklig, abknickt. Besonders bevorzugt sind die zwei ebenen Flächen des Verjüngungsbereich parallel zueinander orientiert, wobei die untere ebene Fläche nach innen versetzt angeordnet ist.
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Eine Anordnung von Batterien mit erfindungsgemäßem Gehäuse erfolgt vorzugsweise derart, dass die Anordnung entlang einer Erstreckungsrichtung einer Längsachse jeder Batterie nahezu lückenlos erfolgt, und somit benachbarte Bereiche der benachbarten kürzeren Batterieseiten benachbarter Batterien ein Volumen bilden, welches einem Kanal entspricht, welcher eine Länge aufweist, die ein n-faches einer Breite einer kurzen Batterieseite entspricht, wobei sich die Breite waagerecht und lotrecht zur Erstreckungsrichtung der Längsachse der Batterie erstreckt und n die Anzahl der hintereinander in Erstreckungsrichtung einer Längsachse jeder Batterie gestapelten Batterien ist.
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Der erste Abstand der einander gegenüber liegenden (dem Deckel zugewandten) Bereiche zweier Verjüngungsbereiche eines Batteriegehäuses beträgt vorzugsweise zwischen 105 und 150%, bevorzugter zwischen 110 und 130% und noch bevorzugter zwischen 115 und 125% des zweiten Abstand der einander gegenüber liegenden (der Bodenplatte zugewandten) Bereiche.
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Als Vorteil ergibt sich, dass das bevorzugte Abstandsverhältnis eine besonders effiziente Ausnutzung des von den Elektrodenkollektorfolien im unteren Bereich nicht benötigten Bauraums darstellt, was zu einer großen Energiedichte der Batterie einerseits und zu einem großen Nutzkanal andererseits führt.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Batterie mit erfindungsgemäßem Gehäuse gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante,
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2 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Gehäuses gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
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3 ein Batteriestapel mit erfindungsgemäßem Kanal,
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4 eine Batterie mit erfindungsgemäßem Gehäuse gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante, und
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5 eine Batterie mit erfindungsgemäßem Gehäuse gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Batterie mit erfindungsgemäßem Gehäuse gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante. Im unteren Bereich ist eine Bodenplatte 11 und darüber innerhalb des Gehäuses ein Schichtenwickel 21 angeordnet, der ausgebildet ist, elektrochemische Prozesse eines Akkumulators zu realisieren. Ein Deckel 12 schließt das Gehäuse großflächig zur oberen Seite hin ab. Eine Seitenfläche 13 umläuft den Schichtenwickel 21 in allen Bereichen, welche nicht durch die Bodenplatte 11, den Deckel 12 oder elektrische Anschluss-Terminals 24, 25 bedeckt sind, so dass das Gehäuse bis auf die elektrischen Kontakte 24, 25 den Schichtenwickel 21 komplett umschließt. Zur Durchführung der Kontakte 24, 25 sind zwei Aussparungen in den Deckel 12 eingebracht.
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Als Teil der Seitenfläche 13 ist ein linker Verjüngungsbereich 14a vorgesehen, der eine Symmetrie zum rechten Verjüngungsbereich 14b besitzt. Beide Bereiche 14a, 14b liegen einander gegenüber und weisen in einem dem Deckel 12 zugewandten Bereich 15a, 15b einen ersten Abstand d1 und in einem der Bodenplatte 11 zugewandten Bereich 16a, 16b einen zweiten Abstand d2 voneinander auf. Jeweils als Teilbereiche der Seitenfläche 13 steht ein ebener Bereich 15a, welcher ein dem Deckel 12 zugewandter Teil des linken Verjüngungsbereichs 14a ist, im Abstand d1 einem rechten, dem Deckel 12 zugewandten, ebenen Bereich 15b parallel gegenüber. Im linken Verjüngungsbereich 14a, außerhalb des Bereichs 15a, jedoch als Teil der Seitenfläche 13, der Bodenplatte 11 zugewandt, befindet sich ein linker Aussparungsbereich 16a im Abstand d2 zu einem rechten Aussparungsbereich 16b, welcher ebenfalls dem Teil der Seitenfläche 13 und der Bodenplatte 11 zugewandt ist. Die Aussparungsbereiche 16a, 16b sind nicht auf ebene Bereiche beschränkt, sondern enthalten einen Knick und eine Krümmung der Seitenfläche 13, beginnend aus Richtung Deckel 12 bis zur Bodenplatte 11 hin fort laufend, wobei die Krümmung mit einem außerhalb des Gehäuses liegenden Mittelpunkt korrespondiert, im Gegensatz zu einer Krümmung, welche die Seitenfläche 13 in die Bodenplatte 11 übergehen lässt und dabei einen korrespondierenden Mittelpunkt innerhalb des Gehäuses aufweist.
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Eine linke Elektrode 26 und eine rechte Elektrode 27, welche aus dem Schichtenwickel 21 heraus ragen, werden durch Aussparungen im Deckel 12 elektrisch zu den Anschluss-Terminals 24 und 25 geführt.
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Die räumliche Ausdehnung des Schichtenwickels 21, welcher eine Elektrodenkollektorfolie umfasst, ist in zwei der Bodenplatte 11 zugewandten Bereichen 16a, 16b entlang seiner Längsachse, also in Richtung links und in Richtung rechts, verkürzt gegenüber seiner Ausdehnung in dem Deckel 12 zugewandten Bereichen 15a und 15b, da eine Kollektorgabel nur im oberen Bereich 15a, 15b angeschweißt ist. 2 ist eine dreidimensionale schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Gehäuses gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante, bestehend aus einer Bodenplatte 11, einer Seitenfläche 13, und einem Deckel 12 mit Aussparungen 22 und 23. Der linke Verjüngungsbereich 14a als Teil der Seitenfläche 13 enthält einen oberen ebenen Teilbereich 15a, welcher im Abstand d1 einem rechten oberen ebenen Teilbereich 15b, als Teil eines rechten Verjüngungsbereichs 14b, parallel gegenüber liegt.
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In beiden der Bodenplatte 11 zugewandten, unteren Bereichen 16a, 16b der beiden einander gegenüber liegenden Verjüngungsbereiche 14a, 14b, also unterhalb der oberen ebenen Teilbereiche 15a und 15b, besitzt die Seitenfläche 13 zwei rechtwinklige Knicke. Dabei hat der linke untere Bereich 16a einen Abstand d2 vom rechten unteren Bereich 16b, wobei d2 kleiner ist als d1 und sowohl d1 als auch d2 größer sind als Null.
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Die Vorderseite 18, als Teil der Seitenfläche 13, ist eine ebene Fläche, ebenso die Rückseite 19. Auch wenn die 2 infolge der Explosionsdarstellung die Vorderseite 18 und die Rückseite 19 horizontal getrennt zeigt, so hat das erfindungsgemäße Gehäuse eine Vorderseite 18 und eine Rückseite 19, welche sich ohne Unterbrechung jeweils von der Bodenplatte 11 bis zum Deckel 12 hin erstrecken.
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3 zeigt einen Batteriestapel, insbesondere zwei nebeneinander auf einer Unterlage 32 angeordnete Batterien 30 und 31. Da jede erfindungsgemäße Batterie 30, 31 vorzugsweise jeweils zwei Verjüngungsbereiche 14a, 14b besitzt, liegen bei zwei an kurzen Seiten benachbarten Batterien 31, 31 die Verjüngungsbereiche 14a, 14b beider Batterien einander gegenüber und bilden einen Hohlraum, auch als Kanal 28 oder Trasse benannt. Somit können Leitungen 29 für Information, Strom, Wärme und/oder Befestigungselemente in diesem Kanal geführt oder angeordnet werden, vorzugsweise entlang mehrerer hintereinander gestapelter Batteriepaare.
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Die Länge der Bodenplatte 11, also die Ausdehnung entlang ihrer Längsachse, entspricht dem Abstand d2, während die Länge des Deckels 12, also die Ausdehnung entlang seiner Längsachse, dem Abstand d1 entspricht. Das Maß, um welches die Bodenplatte 11 kürzer ist als der Deckel korrespondiert mit der Breite des Kanals 28. 4 und 5 zeigen in zweidimensionaler schematischer Darstellung weiterhin bevorzugte Ausführungsvarianten einer Batterie mit erfindungsgemäßem Gehäuse.
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Die Seitenflächen 16a und 16b sind im Bereich der Bodenplatte 11 nach außen geformt, vorzugsweise in Form eines Dreiecks oder Vierecks. In diesen Varianten kann das Gehäuse vorzugsweise mittels Hydroforming oder durch eine nachträgliche Befestigung eines Formteils hergestellt werden. Durch beispielsweise diese Ausformung der unteren Seitenflächen lässt sich eine Fixierung der Batterie gegen eine Vertikalbewegung erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0035652 A1 [0007]
