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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batteriekasten für eine Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei einer derartigen Traktionsbatterie bzw. Hochvoltbatterie (zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterie) stellt sich das Problem der bauraumgünstigen Anordnung im Kraftfahrzeug, wobei je nach Fahrzeuggröße bzw. -gewicht und geforderter Leistung und Kapazität der Batterie unterschiedliche Größen der Batteriekästen bzw. unterschiedliche Anzahlen der Batteriemodule anzuordnen sind. Jedes Batteriemodul setzt sich aus einer Anzahl von Batteriezellen zusammen.
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Aus der
DE 600 06 369 T2 ist ein beispielhafter Batteriekasten bekannt, in dem mehrere Batteriemodule übereinander angeordnet sind. Der Batteriekasten weist U-profilförmige Längsstreben auf, die mit ihren offenen Profilseiten einander zugewandt angeordnet sind und jeweils die Batteriemodule aufnehmen. Die Profilböden der Längsstreben bilden zusammen eine nach außen geschlossene Batteriekasten-Seitenwand. Zudem weist der Batteriekasten beidseitig schmale Stirnbleche auf, die als Knotenelemente dienen, an denen die Längsstreben angebunden sind. Hierzu sind die beiden Stirnbleche mit entsprechenden Anschlusskonturen ausgeführt, und zwar mit abgewinkelten Blechlaschen, an denen die Längsstreben verschraubbar sind.
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Aus der
DE 43 19 654 A1 ist eine Batterieschrankordnung bekannt, die mehrere übereinander gestapelte Batteriefächer aufweist. Die Batteriefächer sind mit Hilfe von Anfügungseinrichtungen mit einem benachbarten Batteriefach verbunden. In jedem Batteriefach sind mehrere Batterien durch Festhalteeinrichtungen in ihrer Position gesichert.
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Die
DE 44 37 743 A1 zeigt einen rückführbaren und wiederverwendbaren Kasten, der aus einem Bodenteil, vier Rahmenteilen, die auf dem Bodenteil aufgestellt und daran befestigt sind, und Deckenteilen besteht. Der Kasten dient der Aufnahme von Kartonverpackungen.
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Aus der
DE 27 37 365 A1 ist ein Batterieträger bekannt. Die
JP H 09- 104 240 A offenbart eine gattungsgemäße Batterie-Rahmenstruktur für elektrische Fahrzeuge.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen in den konstruktiven Freiheitsgraden erweiterten und besonders einfach herstellbaren und montierbaren Batteriekasten für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem Patentanspruch 1 ist das erfindungsgemäße Knotenelement nicht nur mit einer Anschlusskontur zur Streben-Anbindung ausgeführt, sondern zusätzlich mit zumindest einer Tragkontur, mit der das im Batteriekasten vorgesehene Batteriemodul lagerichtig positionierbar ist.
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Das Batteriemodul setzt sich aus einer Anzahl von Batteriezellen zusammen, die miteinander elektrisch verschaltet sind. Aus Bauraumgründen ist das Batteriemodul quaderförmig, das heißt mit insgesamt acht Außenecken ausgebildet. Die Tragkontur des Knotenelementes ist geometrisch einfach ausgeführt, und zwar mit einem Inneneckbereich, der mit einer Außenecke des Batteriemoduls korrespondiert. Der Inneneckbereich der Tragkontur des Knotenelementes ist durch Begrenzungswände definiert, die in der Einbaulage in den Raumrichtungen, das heißt in der Fahrzeuglängsrichtung, -querrichtung und -hochrichtung verlaufen.
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Die Streben sind ähnlich einem Baukastensystem über die Knotenelemente verbunden, wodurch der Batteriekasten beliebig in der Fahrzeuglängsrichtung, -querrichtung oder - hochrichtung erweiterbar ist. Ein so aufgebauter Batteriekasten ermöglicht in einfacher Weise ausgehend beispielsweise von einem Batteriemodul definierter Größe eine Erweiterung in der Höhe, in der Breite und/oder in der Länge. Dazu können neben den Knotenelementen Streben beliebiger Länge verwendet werden, die dann bei einfacher Montage den gesamten Batteriekasten definieren. Die Knotenelemente und/oder die Streben können besonders bevorzugt aus einem zähharten und gegebenenfalls faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein, obwohl auch Stahl oder Leichtmetall insbesondere für die Streben zweckmäßig sein kann.
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Zur weiteren Fixierung des Batteriemoduls ist es von Vorteil, wenn die Begrenzungswände des Knotenelementes in Steckverbindung mit dem Batteriemodul bringbar sind. In einer einfachen technischen Realisierung kann die Steckverbindung an zumindest einer Begrenzungswand sowie dem Batteriemodul zueinander korrespondierende Steckaufnahmen aufweisen, in die beidseitig ein Verbindungsstift einsteckbar ist.
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In einer konstruktiv einfachen Ausführung, bei dem am Knotenelement nicht nur die Positionierung des Batteriemoduls über eine Steckverbindung erfolgen, sondern zudem auch die Anbindung der Streben an der Anschlusskontur des Knotenelementes in einer Steckverbindung erfolgen. Hier können die jeweiligen Steckpartner eine Steckaufnahme sowie eine dazu korrespondierende Steckzunge sein.
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Der erfindungsgemäße Batteriekasten ist somit als eine Strebenkonstruktion aufgebaut, bei der die Streben fachwerkartig unter Bildung von nach außen offenen Freiräumen verlaufen und lediglich am jeweiligen Knotenelement sternförmig zusammenlaufen. Die Streben bilden daher keine nach außen hin geschlossen flächige Batteriekasten-Seitenwand.
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Die den Inneneckbereich definierenden Begrenzungswände des Knotenelementes können nach außen an Außenkanten in abgewinkelte, schmale Randstege übergehen. Die Tragkontur zur Positionierung des Batteriemoduls sowie die Anschlusskontur zur Streben-Anbindung sind funktionell voneinander unabhängig. Daher ist es bevorzugt, die Tragkontur sowie die Anschlusskontur örtlich voneinander getrennt am Knotenelement vorzusehen. In einer bevorzugten technischen Realisierung kann die Anschlusskontur zur Streben-Anbindung in den oben erwähnten Randstegen des Knotenelementes ausgebildet sein, und zwar so, dass die Streben die Begrenzungswände des Knotenelementes nach außen verlängern.
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Bevorzugt ist jede der Außenecken des quaderförmigen Batteriemoduls von einem eigenen Knotenelement eingefasst. Die Anzahl der im Batteriekasten positionierten Batteriemodule ist je nach Bauraumsituation im Fahrzeug beliebig variierbar und kann beispielhaft bis zu acht Batteriemodule umfassen. Bei einer Anordnung eines ersten Batteriemoduls und eines zweiten Batteriemoduls im Batteriekasten kann das Knotenelement für die beiden Batteriemodule jeweils eine erste Tragkontur und eine zweite Tragkontur aufweisen. Die beiden Tragkonturen können im Hinblick auf eine bauraumreduzierte Knotenelement-Geometrie zumindest eine gemeinsame Begrenzungswand aufweisen. In diesem Fall bildet die gemeinsame Begrenzungswand der ersten Tragkontur und der zweiten Tragkontur einen Abstandhalter, der das erste und das zweite Batteriemodul voneinander trennt.
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Des Weiteren können die Aufnahmen für die Steckverbindungen zwischen den Knotenelementen und den Streben im Querschnitt L-förmig, T-förmig oder kreuzförmig ausgeführt sein, wodurch besonders formstabile Steckverbindungen insbesondere der Eckstreben sichergestellt sind und die Knotenelemente auf Umschlag universell verwendbar sind.
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Die Batteriemodule können in einer baulich einfachen Ausgestaltung über Verbindungsstifte gehalten sein, die in die korrespondierenden Aufnahmen an den Knotenelementen bzw. an den Batteriemodulen eingesetzt sind.
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Die Streben können ferner je nach Verwendungszweck im Querschnitt L-förmig (an den Eckbereichen) und/oder rechteckförmig (nur als Verbindungsstreben bzw. zur Abstandshaltung) ausgebildet sein.
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Zu einer vorteilhaften Festlegung des Batteriekastens und der darin befindlichen Batteriemodule wird vorgeschlagen, dass die eingesetzten Batteriemodule durch Ausnehmungen an den Eckstücken hindurch mit dem Aufbau des Kraftfahrzeugs verschraubbar sind. Damit wird mit wenigen Befestigungsmitteln und vereinfachtem Montageaufwand eine für die Anforderungen in Kraftfahrzeugen zuverlässige Halterung des gesamten Batteriekastens mit integrierten Batteriemodulen erreicht.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Batteriekasten mittels eines oder mehrerer, die Streben umschließende Spannbänder am Aufbau des Kraftfahrzeugs befestigbar sein.
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Erfindungsgemäß sind mehrere, durch die Streben umfasste Batteriemodule vorgesehen. Dabei sind mehrere, in den Raumrichtungen übereinander und/oder hintereinander angeordnete Batteriemodule vorgesehen, die durch Versatz zueinander in der Fahrzeugquer- oder - längsrichtung eine gegenüber einer Vertikalen geneigte Einbaukontur im Kraftfahrzeug aufweisen und somit an konstruktive Einbaugegebenheiten verbessert anpassbar sind. Dies kann zum Beispiel bei einer Anordnung der Traktionsbatterie bzw. des Batteriekastens hinter geneigten Rücksitzlehnen der Sitze von Kraftfahrzeugen der Fall sein.
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Der Versatz der Batteriemodule kann insbesondere durch Verbindungsbohrungen in den die Batteriemodule in der Hochrichtung unterteilenden Streben und/oder durch die Eckstücke der Streben verbindende, entsprechend gestaltete Aufnahmeschienen hergestellt sein.
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Schließlich kann in einer alternativen Anordnung des Batteriekastens dieser durch eine gegenüber einer Horizontalen geneigte Ausbildung des den Batteriekasten aufnehmenden Fahrzeugbodens des Kraftfahrzeugs in eine gegenüber einer Vertikalen geneigte Einbaukontur positioniert sein.
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In den obigen Ausführungsformen ist der Batteriekasten speziell für die Anordnung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung in einem Fahrzeug beschränkt. Alternativ kann der Batteriekasten auch ein fahrzeugunabhängiger Bestandteil eines Speichersystems zur Speicherung elektrischer Energie sein. Beispielhaft können in einem solchen Speichersystem gebrauchte Traktionsbatterien verwendet werden, die aufgrund ihres reduzierten SOC nicht mehr im Fahrzeug einsetzbar sind.
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Bislang werden solche gebrauchten Traktionsbatterien aufwendig recycelt. Mit der Erfindung können die gebrauchten Traktionsbatterien in einfacher Weise elektrisch zusammengeschaltet werden und große Verbraucher versorgen oder Strom zwischenspeichern. Mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem würde ein solches Energiespeichersystem beliebig erweiterbar bzw. reduzierbar sein.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 in einer raumbildlichen Darstellung einen baukastenförmig aufgebauten, hälftig dargestellten Batteriekasten für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, der sich aus Längs-, Quer- und Vertikalstreben zusammensetzt, die an Knotenelementen über Steckverbindungen miteinander verbunden sind;
- 2 die zum Aufbau des Batteriekastens verwendeten Einzelteile mit unterschiedlich konfigurierten Knotenelementen, Streben und mit einem stiftförmigen Verbinder zum Aufnehmen der Batteriemodule der Traktionsbatterie;
- 3 eine vergrößerten Detailansicht, die das in der 2a gezeigten Knotenelement in der Zusammenbaulage zeigt;
- 4a bis 4f eine beispielhafte Montagefolge des Zusammenbaus des Batteriekastens nach 1 mit integrierten Batteriemodulen;
- 5 eine Anordnung des Batteriekastens am Gepäckraumboden des Kraftfahrzeugs hinter dessen Fondsitze;
- 6 einen Schnitt gemäß Linie V - V der 5 durch eine mögliche Befestigung des Batteriekastens am Gepäckraumboden des Kraftfahrzeugs mittels Schrauben;
- 7 einen Batteriekasten in skizzenhafter Seitenansicht mit mehreren, übereinander gestapelten Batteriemodulen, die zur Bildung einer schrägen Einbaukontur zueinander versetzt angeordnet sind; und
- 8 ebenfalls skizzenhaft einen Batteriekasten mit mehreren, übereinander angeordneten Batteriemodulen, deren schräge Einbaukontur durch eine Schrägstellung des gesamten Batteriekastens erzielt ist.
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In der 1 ist hälftig ein Batteriekasten 1 für eine Traktionsbatterie bzw. Hochvoltbatterie (zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterie) für ein Kraftfahrzeug dargestellt, in dem als Beispiel vier Batteriemodule 2 (nur in der 5 teilweise dargestellt) oder sechs Batteriemodule (nur in den 7 und 8 gezeigt) angeordnet sind. Die sich jeweils aus einer Anzahl von Batteriezellen zusammensetzenden Batteriemodule 2 sind in nicht dargestellter Weise elektrisch miteinander verschaltet und verkabelt. Die 4f und 5 zeigen den Batteriekasten 1 als Ganzes.
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Der gerüstartige Batteriekasten 1 setzt sich zusammen aus Längsstreben 3, 4, aus Querstreben 5, 6 und aus Vertikalstreben 7, 8, die an Knotenelementen 9 über später beschriebene Steckverbindungen formstabil miteinander verbunden sind. Die Knotenelemente 9 sind je nach Positionierung in der fachwerkartigen Strebenkonstruktion des Batteriekastens 1 unterschiedlich konfiguriert. In der Strebenkonstruktion verlaufen die Streben 3 bis 8 fachwerkartig unter Bildung von nach außen offenen Freiräumen 27 (1) und sind die Streben 3 bis 8 lediglich an den Knotenelementen 9 sternförmig zusammengeführt.
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Ferner sind die Längsstreben, die Querstreben und die Vertikalstreben an den Außenkanten des Batteriekastens 1 im Querschnitt L-förmig und dazwischenliegend rechteckförmig bzw. bandförmig ausgebildet. Das heißt dass die Längsstreben 3, die Querstreben 5 und die Vertikalstreben 7 im Querschnitt L-förmig und die übrigen Streben 4, 6, 8 als einfache Abstandshalter bandförmig ausgeführt sind.
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In den 2a bis 2k sind sämtliche Bauteile des Batteriekastens 1 jeweils in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge weist der Batteriekasten 1 gemäß den 2a bis 2d unterschiedliche konfigurierte Knotenelemente 9 auf. Zusätzlich weist der Batteriekasten 1 unterschiedlich profilierte Längs-, Quer- und Vertikalstreben 3 bis 8 auf, wie es aus den 2e bis 2j hervorgeht. In der 2k ist zudem ein später beschriebener Verbindungsstift 13 gezeigt, mit eine Steckverbindung zwischen einem Knotenelement 9 und dem Batteriemodul 2 herstellbar ist.
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Nachfolgend wird anhand der 2a und 3 das Knotenelement 9 in seiner einfachsten Konfiguration beschrieben. In der 2a ist das Knotenelement 9 in Alleinstellung gezeigt. Gemäß der 3 bildet das Knotenelement 9 eine Außenecke des Batteriekastens 1, die in der 1 mit dem Bezugszeichen I gekennzeichnet ist und in der 3 in einer vergrößerten Detailansicht dargestellt ist.
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Wie aus der 2a hervorgeht, weist das Knotenelement 9 einen im Wesentlichen würfelförmigen Grundkörper aus einem zähharten Kunststoff auf, in dem ein Inneneckbereich 19 ausgespart ist. Der Inneneckbereich 19 bildet eine Tragkontur, die in der Zusammenbaulage eine korrespondierende Außenecke 12 (in der 3 strichpunktiert angedeutet) des Batteriemoduls 2 formschlüssig umfasst. Der Inneneckbereich 19 ist durch vertikale und horizontale Begrenzungswände 21 definiert. In jedem dieser Begrenzungswände 21 sind Steckaufnahmen 22 ausgebildet, von denen zumindest eine Steckaufnahme 22 in Flucht mit einer dazu korrespondierenden, nicht gezeigten Steckaufnahme des Batteriemoduls 2 angeordnet ist. In diesen fluchtend zueinander ausgerichteten Steckaufnahmen ist der in der 2k gezeigte Verbindungsstift 13 beidseitig eingesteckt.
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Wie aus der 2a weiter hervorgeht, gehen die Begrenzungswände 21 des Inneneckbereiches 19 nach außen an Außenkanten 29 in abgewinkelte schmale Randstege 31 über. In den Randstegen 31 sind weitere Steckaufnahmen 10 vorgesehen, die die Anschlußkontur zur Streben-Anbindung bilden. In den Steckaufnahmen 10 sind die korrespondierenden Steckzungen 25 der Streben 3 bis 8 einsteckbar. In der 2a sind die Steckaufnahmen 10 L-förmig profiliert. Die Steckaufnahmen 10 und der Inneneckbereich 19 sind örtlich voneinander getrennt am Knotenelement 9 ausgebildet.
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In Abhängigkeit von der Positionierung in der Strebenkonstruktion wird eines der in der 2a bis 2d gezeigten Knotenelemente 9 verwendet. In der 2b ist das Knotenelement 9 mit einem oberen und einem unteren Inneneckbereich 19 ausgeführt, die durch eine gemeinsame, horizontal verlaufende Begrenzungswand 21 voneinander getrennt sind. In der 2c ist das Knotenelement 9 mit vier kreuzförmig angeordneten Inneneckbereichen 19 ausgebildet, die jeweils durch horizontale und vertikale Begrenzungswände 21 voneinander getrennt sind. In der 2d ist das Knotenelement 9 mit insgesamt acht Inneneckbereichen 19 ausgebildet. In jedem dieser Inneneckbereiche 19 ist in der Zusammenbaulage eine korrespondierende Außenecke 12 des jeweiligen Batteriemoduls 2 eingesetzt.
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Die in den Randstegen 31 ausgebildeten Steckaufnahmen 23 sind je nach Konfiguration entweder L-förmig, T-förmig oder geradlinig ausgeführt und so gegen ein Verdrehen formschlüssig gesichert.
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Der Zusammenbau des Batteriekastens 1 gemäß den 1 oder 5 ist in den 4a bis 4f veranschaulicht. Demzufolge werden zunächst gemäß der 4a die unteren Längsstreben 3 (vier Stück) und 4 (zwei Stück) und die Querstreben 5 (vier Stück) und 6 (zwei Stück) mittels der Knotenelemente 9 zu einem Grundrahmen zusammengesteckt.
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Danach werden gemäß der 4b die Verbindungsstifte 13 (sechzehn Stück, nur teilweise ersichtlich) in die Steckaufnahmen 22 der Knotenelemente 9 eingesteckt und sodann die vier Batteriemodule 2 (4c) auf die Verbindungsstifte 13 aufgesteckt.
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Anschließend werden gemäß der 4d die Vertikalstreben 7 und 8 in die Steckaufnahmen 10 der Knotenelemente 9 des Grundrahmens (4a) aufgesteckt und mit weiteren Knotenelementen 9 unter Einfügung der die Batteriemodule 2 fixierenden Verbindungsstifte 13 bestückt, wonach wiederum die einen Zwischenrahmen bildenden Längs- und Querstreben 3, 4, 5, 6 aufgesteckt werden können (4e).
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Danach kann eine weitere (oder noch mehrere) Lage(n) von Batteriemodulen 2 wie vorbeschrieben aufgesetzt und montiert werden, bis schließlich ein abschließender, oberer Rahmen (4f) analog zum Grundrahmen gemäß 4a (in umgestürzter Anordnung) montiert wird.
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Der so vormontierte Batteriekasten 1 kann in nicht weiter dargestellter Weise nach dessen Verkabelung und Anbringen einer Abdeckkappe oder Hülle in das Kraftfahrzeug eingebaut werden.
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In der 5 ist der Batteriekasten 1 an einem Gepäckraumboden 14 im Heck eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs und beispielsweise hinter den Rückenlehnen 15a von Fondsitzen 15 angeordnet und, wie in der 6 gezeigt, angeschraubt. Die von unten (oder von oben) eingesetzten Schrauben 16 sind, abweichend vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, ohne Verwendung der Verbindungsstifte 13 durch die dafür vorgesehenen Steckaufnahmen 22 der Knotenelemente 9 sowie durch die korrespondierenden Bohrungen in den Batteriemodulen 2 erstrecken und durch Schraubenmuttern (nicht dargestellt) festgelegt.
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Anstelle der Schraubenbefestigung oder zusätzlich dazu kann der Batteriekasten 1 mittels eines oder mehrerer Spannbänder 17 (5) am Gepäckraumboden 14 gehalten sein, wobei das Spannband 17 den Batteriekasten 1 umschließend über nicht näher dargestellte Schraubverbindungen 18 am Gepäckraumboden 14 angeschraubt ist.
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In den 7 und 8 sind weitere Ausführungsbeispiele gezeigt. In jedem dieser Ausführungsbeispiele sind mehrere, in der Hochrichtung z übereinander gestapelte Batteriemodule 2 im Batteriekasten 1 vorgesehen. Die Batteriemodule 2 sind aus Platzgründen mit ihrer an die Rückenlehnen 15a angrenzenden Einbaukontur (gestrichelte Linie) gegebenenfalls an die Neigung der Rückenlehnen 15a angepasst.
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Dies wird in der 7 dadurch erreicht, dass die übereinander gestapelten Batteriemodule 2 zueinander in der Fahrzeuglängsrichtung x mit Bezug zum Kraftfahrzeug bzw. nach hinten versetzt angeordnet sind.
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Dabei können die Batteriemodule 2 entweder durch in die Querstreben 5 und 6 versetzt eingebrachte Verbindungsbohrungen (nicht dargestellt) entsprechend verlagert werden oder es können anstelle der Querstreben 5 und 6 Aufnahmeschienen 19 vorgesehen sein, die durch entsprechend versetzt angeordnete Steckzungen 19a einen Versatz der Knotenelemente 9 des Batteriekastens 1 bewirken.
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Die 8 zeigt einen Batteriekasten 1 mit ebenfalls mehreren, übereinander gestapelten Batteriemodulen 2, bei dem die an die Rückenlehnen 15a der Fondsitze 15 des Kraftfahrzeugs angepasste Einbaukontur (gestrichelte Linie) dadurch hergestellt ist, dass der Gepäckraumboden 14 wie skizzenhaft dargestellt nach vorne schräg ansteigend ausgeführt ist, zum Beispiel mittels eines Zwischenblechs.
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Der Batteriekasten 1 kann, wie vorstehend ausgeführt, mittels Schraubverbindungen 16 und/oder mittels Spannbänder 17 am Gepäckraumboden 14 oder an anderer geeigneter Stelle im Kraftfahrzeug befestigt sein.
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Der im Baukastenprinzip konzipierte Batteriekasten 1 kann wie ohne weiteres ersichtlich ist bei Verwendung der im Wesentlich gleichen Bauteile gemäß 2 sowohl in der Längsrichtung x des Kraftfahrzeugs, in dessen Querrichtung y als auch in dessen Hochrichtung z beliebig erweitert werden, wobei die Knotenelemente 9 sowie die Verbindungsstifte 13 als Gleichteile in beliebiger Anzahl verwendbar sind und entsprechend viele Batteriemodule 2 einschließen können. Die Streben 3 bis 8 können dabei in ihrer Länge entsprechend an die Abmaße der Batteriemodule 2 angepasst sein.
