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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, welche eine zwischen zwei randseitig aneinander befestigten Gehäusehälften angeordnete Elektrodenfolienanordnung umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Montage eines Zellblockes.
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Im Allgemeinen sind flach und rechteckig ausgebildete Speicherelemente für Batterien, deren elektrochemisch wirksamer Inhalt von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch die elektrische Anschlüsse als elektrische Pole herausgeführt sind, bekannt. Zur Bildung einer Zellblockes für die Batterie ist eine Anzahl der Speicherelemente als Einzelzellen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet, die zusammen mit einer Temperierungsvorrichtung und einer zugehörigen Elektronik in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Als Pouchzellen oder Coffeebagzellen ausgeführte Einzelzellen sind vergleichsweise instabil, wobei zur mechanischen Fixierung der Einzelzellen innerhalb des Zellblockes Halteelemente vorgesehen sind. Der mittels der Halteelemente und der Einzelzellen gebildete Zellblock ist mittels Spannmitteln, wie beispielsweise Zuganker, Gewindestangen und/oder Spannbänder zumindest in axialer Richtung verspannbar. An einer jeweiligen Stirnseite des Zellblockes ist eine Druckplatte angeordnet, mittels welcher Spannkräfte in den Zellblock einleitbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle, eine verbessertes Vorrichtung zur Montage eines Zellblockes und ein verbessertes Verfahren zur Montage eines Zellblockes anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1, hinsichtlich der Vorrichtung zur Montage durch die in Anspruch 3 und hinsichtlich des Verfahrens zur Montage durch die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Einzelzelle für eine Batterie umfasst eine zwischen zwei randseitig aneinander befestigten Gehäusehälften angeordnete Elektrodenfolienanordnung, wobei ein die Elektrodenfolienanordnung umlaufender Randbereich der Gehäusehälften erfindungsgemäß zumindest eine Ausrichtungsstruktur zur Ausrichtung der Einzelzelle zu zumindest einem eine Ausrichtungsstruktur aufweisenden Halteelement und/oder zumindest einer eine Ausrichtungsstruktur aufweisenden Druckplatte eines aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellblockes aufweist.
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Mittels der Ausrichtungsstruktur ist es möglich, die Einzelzelle, welche bauteilbedingte Toleranzen und/oder eine vergleichsweise hohe Instabilität bezüglich ihrer Form aufweisen kann, in Bezug zu dem zumindest einem Halteelement und/oder zu der zumindest einen Druckplatte optimal auszurichten. Dadurch ist es möglich, einen Zellblock mittels einer vorgegebenen Anzahl solcher Einzelzellen zu bilden, dessen Bestandteile weitestgehend optimal zueinander ausgerichtet sind, so dass beispielsweise das Risiko von Setzverlusten zumindest verringert ist und die Abmessungen eines Bauraumes zumindest für die Einzelzelle gleich sind.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist die Ausrichtungsstruktur als zumindest eine in den Randbereich eingebrachte und senkrecht zu einer Längsausdehnung der Gehäusehälften durchgehende Aussparung ausgebildet. Die Aussparung bildet dabei vorteilhaft einen Bezugspunkt zur Ausrichtung der Einzelzelle.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Montage eines Zellblockes, welcher eine Anzahl von Einzelzellen und Halteelementen zur mechanischen Fixierung der Einzelzellen innerhalb des Zellblockes, und stirnseitig an dem Zellblock angeordnete Druckplatten umfasst. Die Vorrichtung weist eine Grundplatte und an dieser verschiebbar und/oder fest angeordnete Ausrichtelemente auf, wobei die Einzelzellen, die Halteelementes und/oder die Druckplatten in einem nach außen gerichteten Randbereich zumindest eine Ausrichtungsstruktur aufweisen, welche mit einer Anordnung und/oder einer Form der Ausrichtelemente korrespondiert.
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Mittels der Ausrichtungsstruktur und der Ausrichtelemente ist es vorteilhaft möglich, die Einzelzellen, die Halteelemente und die Druckplatten des Zellblockes optimal zueinander auszurichten, so dass bauteilbedingte Toleranzen der oben genannten Bestandteile innerhalb des Zellblockes ausgleichbar sind. Nach einer Ausrichtung der Bestandteile des Zellblockes sind die Ausrichtelemente von diesem entnehmbar, so dass die Vorrichtung für die Ausrichtung der Bestandteile eines nächsten Zellblockes wieder verwendbar ist.
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Bevorzugt weisen die Ausrichtelemente zumindest eine Länge auf, die einer Länge des zu montierenden Zellblockes entspricht, so dass es besonders vorteilhaft möglich ist, alle Bestandteile des Zellblockes über seine Länge optimal auszurichten, um so insbesondere einen zur Verfügung stehenden Bauraum für den Zellblock optimal auszunutzen.
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In einer möglichen Ausführungsform sind die Ausrichtelemente zumindest abschnittsweise in die als durchgehende Aussparungen ausgebildeten und insbesondere versatzlos übereinander angeordneten Ausrichtungsstrukturen der Einzelzellen, der Halteelemente und/oder der Druckplatten einführbar. Dadurch sind die Einzelzellen, die Halteelemente und/oder die Druckplatten in besonders vorteilhafter Weise sowohl in Richtung einer Hochachse als auch in Richtung einer Querachse des Zellblockes ausrichtbar. Dadurch sind die Bestandteile des Zellblockes optimal zueinander ausgerichtet, so dass beispielsweise das Risiko von Setzverlusten innerhalb des Zellblockes zumindest verringert ist.
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Vorzugsweise ist zumindest eine Haltevorrichtung vorgesehen, mittels welcher eine Anzahl ausgerichteter Einzelzellen, ausgerichteter Halteelemente und/oder ausgerichteter Druckplatten in Richtung einer Grundplatte pressbar sind. Mittels der Haltevorrichtung ist in vorteilhafter Weise ein Abheben bereits auf die Ausrichtelemente aufgeschobener Bestandteile des Zellblockes bei einem Nachschieben der Ausrichtelemente weitestgehend ausgeschlossen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Zellblockes, welcher eine Anzahl von Einzelzellen, eine Anzahl von Halteelementen und zumindest zwei Druckplatten und eine Vorrichtung zur Montage umfasst. Dabei sieht das Verfahren vor, dass die Einzelzellen, die Halteelemente und die Druckplatten mit ihrer Ausrichtungsstruktur auf Ausrichtelemente der Vorrichtung aufgeschoben werden und/oder mit ihrer jeweiligen Ausrichtungsstruktur zumindest abschnittsweise im Formschluss an den Ausrichtelementen angeordnet werden.
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In vorteilhafter Weise sind die Ausrichtelemente nach einem Ausrichten und Fixieren der Einzelzelle, der Halteelemente und der Druckplatten aus der als Aussparung ausgebildeten Ausrichtungsstruktur herausführbar, wobei der Zellblock optimal ausgerichtet ist und die Vorrichtung zur Montage kann zur Ausrichtung eines nächsten herzustellenden Zellblockes verwendet werden.
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Vorzugsweise werden auf und/oder an den Ausrichtelementen angeordnete Einzelzellen, Halteelemente und/oder Druckplatten mittels zumindest einer Haltevorrichtung in Richtung einer Grundplatte der Vorrichtung gepresst, so dass das Risiko eines ungewollten Lösens der auf die Ausrichtelemente aufgeschobenen Bestandteile des Zellblockes in vorteilhafter Weise zumindest verhindert ist und somit ein ungehinderter Ablauf bei der Montage möglich ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle,
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2 schematisch eine Vorderansicht der Einzelzelle,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Halteelementes,
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4 schematisch eine Vorderansicht des Halteelementes,
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5 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Montage eines zumindest aus Einzelzellen gebildeten Zellblockes,
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6 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 5 mit einer an dieser angeordneten Druckplatte,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Montage eines Zellblockes mit an der Vorrichtung angeordneter Druckplatte vor Anordnung einer Einzelzelle und eines Halteelementes,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit an dieser angeordneter Druckplatte, Einzelzelle und Halteelement,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 8 und einer Haltevorrichtung,
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10 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 9 und einer Haltevorrichtung bei einem Nachschieben von Ausrichtelementen,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung der Vorrichtung mit angeordneter Druckplatte, angeordneten Einzelzellen und Halteelementen,
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12 schematisch eine perspektivische Ansicht eines an der Vorrichtung angeordneten Zellblockes,
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13 schematisch eine perspektivische Ansicht des an der Vorrichtung angeordneten Zellblockes mit eingeführten Zugankern,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblockes nach Entnahme der Vorrichtung,
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15 schematisch eine alternative Ausführungsform einer an einer Einzelzelle ausgebildeten Ausrichtungsstruktur,
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16 schematisch die an der Vorrichtung angeordnete Einzelzelle,
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17 schematisch eine Draufsicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer an einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung angeordneten Einzelzelle mit Halteelement und
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18 schematisch eine perspektivische Ansicht gemäß 17.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Ansicht einer Einzelzelle 1, bei welcher es sich um eine sogenannte Coffeebag- oder Pouchzelle handelt. Die Einzelzelle 1 ist Bestandteil eines u. a. in 11 dargestellten Zellblockes 2 für eine Batterie, die insbesondere als eine Fahrzeugbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug vorgesehen ist.
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Dabei ist in 1 eine perspektivische Ansicht und in 2 eine Vorderansicht der Einzelzelle 1 dargestellt.
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Die als so bezeichnete Pouchzelle ausgeführte Einzelzelle 1 umfasst eine nicht näher gezeigte Elektrodenfolienanordnung, die von zwei Folienabschnitten als Gehäusehälften 1.1 umgeben ist. Die Gehäusehälften 1.1 sind über ihre Randbereiche 1.2, die Elektrodenfolienanordnung weitestgehend vollständig umlaufend, aneinander befestigt, wobei in dem Randbereich 1.2 eine aus dem Verschluss der Einzelzelle 1 resultierende Siegelnaht S verläuft. Zwischen den Gehäusehälften 1.1 sind an einer Randseite zwei elektrische Anschlüsse als Zellpole 1.3 zur elektrischen Verschaltung der Einzelzelle 1 aus einem Zellinneren herausgeführt.
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Derart ausgebildete Einzelzellen 1 weisen eine vergleichsweise geringe Formstabilität auf, wobei insbesondere Toleranzen hinsichtlich der Folienabschnitte als Gehäusehälften 1.1 auftreten können.
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Um eine Montage zur Herstellung eines Zellblockes 2 unter Berücksichtigung der geringen Formstabilität und/oder Toleranzen zumindest in Bezug auf die Gehäusehälften 1.1 zu erleichtern, weist die Einzelzelle 1 eine Ausrichtungsstruktur auf. Dabei ist die Ausrichtungsstruktur in einem möglichen Ausführungsbeispiel als Aussparungen A in Form von Rundlöchern ausgebildet. Eine Aussparung A als Monatgehilfe ist in einen jeweiligen Eckbereich der Randseite, an der die Zellpole 1.3 der Einzelzelle 1 angeordnet sind, eingebracht.
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Der jeweilige Eckbereich der aneinander befestigten Gehäusehälften 1.1 ist zur Einbringung der Aussparungen A und zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit dreieckförmig vergrößert, wobei ein Abstand zwischen der jeweiligen Aussparung A und einer Ausbuchtung der Einzelzelle 1 durch die Elektrodenfolienanordnung in etwa einer Breite der im Randbereich 1.2 verlaufenden Siegelnaht S entspricht.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils eine Ansicht eines Halteelementes 3, mittels dessen die verhältnismäßig empfindliche und instabile Einzelzelle 1 innerhalb des Zellblockes 2 mechanisch fixierbar ist. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht und in 4 ist eine Vorderansicht des Halteelementes 3 gezeigt.
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Zur mechanischen Fixierung der Einzelzelle 1 innerhalb des Zellblockes 2 ist ein Halteelement 3 entweder zwischen zwei Einzelzellen 1 angeordnet oder die Halteelemente 3 umschließen die Einzelzelle 1.
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Innerhalb des Zellblockes 2 drücken die Halteelemente 3 auf die Siegelnaht S der Einzelzelle 1, wobei die Halteelemente 3 in diesem Bereich ein elastisches Element 4, beispielsweise aus Gummi, Elastomer, Silikon und/oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, aufweisen. Dieses elastische Element 4 dient einer gleichmäßigen Krafteinleitung in die Siegelnaht S der Einzelzelle 1, wodurch ein Reibkoeffizient erhöht ist.
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Die mechanische Fixierung der Einzelzelle 1 erfolgt im Wesentlichen kraftschlüssig durch Reibung, insbesondere zwischen dem elastischen Element 4 und der Einzelzelle 1. Die Einzelzellen 1 sind durch das elastische Element 4 federnd angeordnet, da das elastische Element 4 unter Einwirkung von Querkräften zunächst seitlich ausschert und erst dabei proportional zur Auslenkung ansteigende Rückstellkräfte aufbaut.
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Durch das an dem Halteelement 3 angeordnete elastische Element 4 ist die Montage des Zellblockes 2 zudem erschwert.
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Des Weiteren umfasst der Zellblock 2 zwei Druckplatten 5, wobei jeweils eine Druckplatte 5 an einer Stirnseite des Zellblockes 2 angeordnet ist. Eine Druckplatte 5 ist in 6 dargestellt.
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Die Halteelemente 3 und die Druckplatten 5 weisen Metalleinsätze 6 auf, durch die in den 13 und 14 gezeigte Zuganker 7 zur axialen Verpressung des Zellblockes 2 hindurchführbar sind.
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Zur Erleichterung der Montage sind in die Halteelemente 3 und die Druckplatten 5 mit zu den Aussparungen A der Einzelzelle 1 in einer Flucht liegende Aussparungen A eingebracht.
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Diese Aussparungen A dienen der Anordnung von Ausrichtelementen 8 einer aus diesen und einer Grundplatte 9 gebildeten Vorrichtung zur Montage des Zellblockes 2, die in 5 gezeigt ist. Die Druckplatten 5 weisen an einer der Einzelzelle 1 zugewandten Fläche ebenfalls ein elastisches Element 4 auf.
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Insbesondere ist in 5 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung dargestellt, wobei mittels des Pfeiles P eine Bewegungsrichtung der Ausrichtelemente 8 relativ zu der Grundplatte 9 gezeigt ist.
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In 6 ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung dargestellt, wobei die Ausrichtelemente 8 durch die Aussparungen A einer auf der Grundplatte 9 liegenden Druckplatte 5 geführt sind.
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Mittels der in die Aussparungen A einschiebbaren Ausrichtelemente 8 ist die Druckplatte 5 fixiert und in Richtung einer Hochachse und einer Querachse des herzustellenden Zellblockes 2 ausgerichtet.
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Dabei sind die Ausrichtelemente 8 an ihrem oberen Ende abgeschrägt ausgebildet, so dass ein Einführen in die Aussparungen A erleichtert ist. Zusätzlich oder alternativ können die Aussparungen A als Einführhilfe angeschrägt ausgebildet sein.
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Der Reihenfolge nach wird auf der Druckplatte 5 eine Einzelzelle 1 angeordnet, wobei die Ausrichtelemente 8 in die Aussparungen A der Einzelzelle 1 eingeschoben werden, wie in einer perspektivischen Ansicht in 7 gezeigt ist. Darauffolgend wird ein Halteelement 3 auf den Ausrichtelementen 8 der Vorrichtung angeordnet.
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8 zeigt die auf die Ausrichtelemente 8 aufgeschobene Druckplatte 5, die aufgeschobene Einzelzelle 1 und das aufgeschobene Halteelement 3 in einer perspektivischen Ansicht.
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Die Ausrichtelemente 8 werden in Abhängigkeit der aus der Anzahl von Druckplatten 5, Einzelzellen 1 und Halteelementen 3 resultierenden Höhe in Richtung der Hochachse nachgeschoben.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Druckplatten 5, die Einzelzellen 1 und die Halteelemente 3 grob ausgerichtet in der entsprechenden Reihenfolge aufeinander liegen und die Ausrichtelemente 8 anschließend in die Aussparungen A eingeschoben werden.
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Um ein Abheben von Einzelzellen 1 und/oder Halteelementen 3 beim Nachschieben der Ausrichtelemente 8 zu verhindern, weist die Vorrichtung zwei Haltevorrichtungen 10 auf, wie in 9 dargestellt ist. Mittels der Haltevorrichtungen 10 ist ein Abheben der bereits an den Ausrichtelementen 8 angeordneten Einzelzellen 1 und/oder Halteelemente 3 vermeidbar.
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Die Haltevorrichtungen 10 in Form von Niederhaltern sind sich gegenüberliegend an der Vorrichtung angeordnet und pressen die bereits aufgefädelte Druckplatte 5, die aufgefädelte Einzelzelle 1 und das aufgefädelte Halteelement 3 in Richtung der Grundplatte 9, wie in 10 dargestellt ist.
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In 11 ist eine Schnittdarstellung der Vorrichtung mit auf die Ausrichtelemente 8 aufgeschobener Druckplatte 5, aufgeschobenen zwischen Halteelementen 3 angeordneten Einzelzellen 1 und eine Einzelzelle 1 beim Aufschieben dargestellt.
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12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines auf die Ausrichtelemente 8 aufgeschobenen Zellblockes 2 mit stirnseitig angeordneten Druckplatten 5, die zur axialen Verpressung des Zellblockes 2 dienen und einen axialen Abschluss bilden.
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Die oberen Enden der Ausrichtelemente 8 ragen über eine Oberflächenseite der Druckplatte 5 hinaus, wobei eine Länge der Ausrichtelemente 8 im Wesentlichen einer Zellblocklänge entspricht.
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In 13 ist eine perspektivische Ansicht des an der Vorrichtung angeordneten Zellblockes 1 dargestellt, wobei die Zuganker 7 zur axialen Verpressung des Zellblockes 2 durch entsprechende Durchgangslöcher in den Halteelementen 3 und den Druckplatten 5 hindurchgeführt sind. Dabei ist der Zellblock 2 mittels acht Zugankern 7 in axialer Richtung verpresst, wodurch eine kompakte Baueinheit gebildet ist.
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Nachdem die Zuganker 7 durch den Zellblock 2 geführt und zur axialen Verpressung an diesem befestigt sind, sind die Ausrichtelemente 8 aus den Aussparungen A der Druckplatten 5, der Einzelzellen 1 und der Halteelemente 3 herausziehbar, so dass die Vorrichtung von dem nun montierten Zellblock 2 entfernbar ist, wie in einer perspektivischen Ansicht des Zellblockes 2 in 14 gezeigt ist.
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Die Einzelzellen 1 werden nach dem Herausziehen der Ausrichtelemente 8 mittels der elastischen Elemente 4 an den Druckplatten 5 und den Halteelementen 3 elastisch gehalten und stoßen bei Auslenkung des elastischen Elementes 4 nicht an Anschläge und werden beschädigt.
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Aus Bauraumgründen sind verhältnismäßig kleine Aussparungen A in die Druckplatten 5, die Einzelzellen 1 und die Halteelemente 3 eingebracht, so dass die Ausrichtelemente 8 einen entsprechend geringen Durchmesser aufweisen.
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Die Ausrichtung wird deswegen vor allem zwischen den Halteelementen 3, deren Aussparungen A die biegeweichen Ausrichtelemente 8 führen, und den jeweils unmittelbar benachbarten Einzelzellen 1 vorgenommen.
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Um einen in sich geraden Zellblock 2 zu erhalten, könnte zusätzlich eine Außenkante der Halteelemente 3, z. B. mittels Ausrichtleisten und/oder Anschlagplatten, als zusätzliche Ausrichtelemente 8 der Vorrichtung ausgerichtet werden.
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15 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Ausrichtungsstruktur der Einzelzelle 1. Hierbei ist eine Aussparung A als Rundloch und eine weitere als eckiges Langloch ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Ausrichtung zumindest der Einzelzellen 1 nach einem sogenannten Stift-Schwert-Prinzip durchgeführt.
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Korrespondierend mit der Form der Aussparungen A sind die Ausrichtelemente 8 ausgebildet, wie in 16 näher dargestellt ist.
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Die 17 und 18 zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zur Montage eines Zellblockes 2, insbesondere zur Ausrichtung der Druckplatten 5, der Einzelzellen 1 und der Halteelemente 3.
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Dabei wird eine Ausrichtung der Druckplatten 5, der Einzelzellen 1 und der Halteelemente 3 mittels als Leisten ausgebildeten Ausrichtelementen 8 durchgeführt. Mittels der außen an den Druckplatten 5, den Einzelzellen 1 und den Halteelementen 3 anliegenden Ausrichtelementen 8 ist es nicht erforderlich, Aussparungen A einzubringen.
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An Positionen, an welchen die Ausrichtelemente 8 in Bezug auf die Druckplatten 5, die Einzelzellen 1 und die Halteelemente 3 angeordnet sind, weisen diese jeweils eine Ausrichtungsstruktur auf, die miteinander korrespondieren. D. h. in diesen Bereichen liegen die Druckplatten 5, die Einzelzellen 1 und die Halteelemente 3 bündig aufeinander auf.
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In 18 ist gezeigt, dass eine Oberkante des Halteelementes 3 unterhalb einer Unterkante eines gebogenen Zellpoles 1.3 der Einzelzelle 1 liegt, wobei das Halteelement 3 und die Einzelzelle 1 in Richtung des entsprechenden Ausrichtelementes 8 geschoben sind.
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Die Vorrichtung zur Montage eines Zellblockes 2 ist unabhängig von einer Ausführungsform der Einzelzellen 1 zur Ausrichtung der Druckplatten 5, der Einzelzellen 1 und der Halteelemente 3 einsetzbar. Beispielsweise können Einzelzellen 1 mit einem vergleichsweise stabilen Gehäuse, die in halbschalenförmigen Halteelementen 3 angeordnet sind, verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 1.1
- Gehäusehälfte
- 1.2
- Randbereich
- 1.3
- Zellpol
- 2
- Zellblock
- 3
- Halteelement
- 4
- elastisches Element
- 5
- Druckplatte
- 6
- Metalleinsatz
- 7
- Zuganker
- 8
- Ausrichtelement
- 9
- Grundplatte
- 10
- Haltevorrichtung
- A
- Aussparung
- P
- Pfeil
- S
- Siegelnaht
