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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mehrerer elektrischer Speicherelemente, insbesondere Akkupack, wobei ein einzelnes Speicherelement eine Länge L und einen gegenüber der Länge L kleineren Durchmesser D aufweist, und wobei in Richtung senkrecht zur Länge L mehrere Speicherelemente parallel nebeneinander in einer Lage angeordnet sind.
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In elektrischen Geräten sind Batterien, wiederaufladbar oder nicht wiederaufladbar, typischerweise in Längsrichtung hintereinander angeordnet, z. B. in Taschenlampen. Alternativ sind zwei oder drei Batterien parallel nebeneinander in einer Lage vorgesehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung mehrerer Speicherelemente, derart, dass ein zur Verfügung stehendes Volumen möglichst optimal ausgenutzt wird.
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Zur Lösung der Aufgabe weist die erfindungsgemäße Anordnung die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Insbesondere sind die Speicherelemente in mehreren Lagen angeordnet, und die Lagen sind derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass sich ein hexagonaler oder oktogonaler Querschnitt der Anordnung ergibt. Die Speicherelemente einer Lage liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene. Durch die Anordnung in Lagen ergibt sich eine ”liegende” Formation aller Speicherelemente, bei horizontalem Einbau derselben in ein Gerät.
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Die einzelnen elektrischen Speicherelemente (Batterien, insbesondere wiederaufladbar) weisen einen runden Querschnitt auf. Möglich ist aber auch die Verwendung von Speicherelementen mit polygonalem Querschnitt oder Quaderform. In diesem Fall bezieht sich der Durchmesser auf die größte Abmessung senkrecht zur Länge L. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung ergeben sich im Querschnitt mehrere Speicherelemente parallel nebeneinander in einer Lage und mehrere Lagen übereinander. Vorzugsweise sind alle oder zumindest randseitige Lagen relativ zur nächstliegenden Lage versetzt angeordnet, also ”auf Lücke”.
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Der sich ergebende Querschnitt ist nicht streng hexagonal oder oktogonal, da die Außenkonturen der jeweiligen Speicherelemente die Form der Ecken des Querschnitts mit bestimmen. Betrachtet man jedoch nur eine Querschnittskontur, welche durch Längsachsen der Speicherelemente verläuft, ergibt sich eine streng hexagonale oder oktogonale Form.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung können die Speicherelemente besonders platzsparend positioniert werden. Auch ist eine platzsparende Unterbringung in zylindrischen Behältnissen oder in Behältnissen mit ovalem Querschnitt gut möglich.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist Teil der Anordnung eine Umhüllung mit insbesondere hexagonalem oder oktogonalem Querschnitt. Die Umhüllung kann auch einen abweichenden Querschnitt aufweisen, zum Beispiel einen ovalen oder kreisrunden Querschnitt. Vorzugsweise umfasst die Umhüllung alle Speicherelemente der Anordnung. Es kann sich aber auch um eine Umhüllung für nur einen Teil der Speicherelemente handeln. Mit der Umhüllung ist die Anordnung als Paket von Speicherelementen handhabbar.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind mehrere Speicherelemente in Richtung der Länge L hintereinander vorgesehen. Dadurch kann die Anordnung eine fast beliebige Länge aufweisen, je nach Anzahl der in Längsrichtung hintereinander vorgesehenen Speicherelemente. Vorzugsweise erstrecken sich die in Längsrichtung hintereinander vorgesehenen Speicherelemente entlang gemeinsamer Längsachsen, also koaxial und nicht achsversetzt. Dadurch ergibt sich über die gesamte Länge der Anordnung ein gleichbleibender Querschnitt.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist wenigstens eine Halterung zur Aufnahme mehrerer Speicherelemente und zur Sicherung der Position der Speicherelemente relativ zueinander vorgesehen. Die über eine Halterung miteinander verbundenen Speicherelemente können so als Paket oder Gruppe gehandhabt werden. Vorzugsweise wird eine Gruppe von Speicherelementen durch zwei Halterungen aufgenommen und gesichert.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung nehmen die Halterungen Enden der Speicherelemente auf. Vorzugsweise ist jedem Ende eines Speicherelements eine Halterung zugeordnet. Das Speicherelement ist so zwischen zwei Halterungen positioniert.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung enthält eine Gruppe von Speicherelementen mehrere Lagen von Speicherelementen, wobei der Gruppe an einem Ende, an beiden Enden oder insgesamt eine oder mehrere Halterungen zugeordnet sind. Vorzugsweise ist an jedem Ende der Gruppe eine Halterung vorgesehen. Alternativ kann eine Halterung übergreifend für die gesamte Gruppe vorgesehen sein. Vorzugsweise sind innerhalb der Gruppe von Speicherelementen nicht mehrere Speicherelemente in deren Längsrichtung hintereinander vorgesehen.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind in Richtung der Länge L mehrere Gruppen hintereinander vorgesehen, vorzugsweise mit wenigstens einer oder zwei Halterungen je Gruppe.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung enthalten die Halterungen elektrische Anschlüsse und Leitungen zum Verbinden der Speicherelemente miteinander. Dadurch können die Speicherelemente beliebig miteinander verschaltet werden.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung weist die Halterung einer Gruppe elektrische Anschlüsse und Leitungen zum Verbinden mit einer anderen Gruppe auf. Vorzugsweise sind die Speicherelemente dadurch gruppenweise miteinander verbindbar.
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Die Halterungen können elektrische und elektronische Komponenten zur Steuerung der Ladung und/oder Entladung der Speicherelemente. Dadurch werden zusätzliche Bauteile außerhalb der Anordnung vermieden.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Gruppen von Speicherelementen vorgesehen, wobei die Speicherelemente innerhalb einer/jeder Gruppe elektrisch parallel geschaltet sind, insbesondere mit zehn Gruppen und vier Speicherelementen je Gruppe.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind in Richtung der Länge L mehrere aufeinanderfolgende Gruppen von Speicherelementen vorgesehen, wobei wenigstens innerhalb einer Gruppe die Speicherelemente so angeordnet sind, dass sich ein hexagonaler oder oktogonaler Querschnitt mit einer Querschnittsfläche F1 ergibt, und wobei wenigstens eine weitere Gruppe vorgesehen ist, deren Querschnitt eine Querschnittsfläche F2, mit F2 < F1, aufweist und insbesondere trapezförmig ist. Wenigstens eine Gruppe von Speicherelementen in hexagonaler oder oktogonaler Anordnung ist somit kombiniert mit wenigstens einer Gruppe mit einer anderen, vorzugsweise polygonalen Anordnung mit kleinerer Querschnittsfläche.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fahrrad mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Vorzugsweise handelt es sich um ein Fahrrad mit Elektroantrieb, ein sogenanntes E-Bike. Dabei ist die Anordnung der Speicherelemente insbesondere in einen Rahmen des Fahrrades integriert.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Anordnung von Speicherelementen in perspektivischer Darstellung,
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2 einen Querschnitt durch eine Anordnung von Speicherelementen,
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3 einen Querschnitt durch eine Anordnung von Speicherelementen gemäß 1,
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4 einen weiteren Querschnitt durch eine Anordnung von Speicherelementen,
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5 einen weiteren Querschnitt durch eine Anordnung von Speicherelementen,
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6a eine weitere Anordnung von Speicherelementen in perspektivischer Darstellung,
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6b die Anordnung gemäß der 6a, mit Batteriemanagementsystem,
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7 eine Anordnung von Speicherelementen analog 3, mit Halterungen an beiden Stirnseiten,
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8 einen Schaltplan zur Darstellung der elektrischen Verschaltung von Speicherelementen,
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9a ein Herren-Elektrofahrrad,
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9b ein Damen-Elektrofahrrad.
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Gemäß 1 besteht eine Anordnung 10 mehrerer elektrischer Speicherelemente 11 zur Bildung eines Akkupacks aus vier Gruppen 12, 13, 14, 15 von Speicherelementen 11. Innerhalb jeder Gruppe 12, 13, 14, 15 sind mehrere Speicherelemente 11 parallel zueinander ausgerichtet.
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Jedes Speicherelement 11 ist zylindrisch ausgebildet, mit einer Länge L und einem Durchmesser D, analog zu Batterien der Typen ”AA” und ”AAA”. Innerhalb einer jeden Gruppe 12, 13, 14, 15 sind die Speicherelemente 11 dicht gepackt, nämlich in zueinander versetzten Lagen 16, 17, 18, 19. Vorgesehen sind hier 10 Speicherelemente 11 je Gruppe 12, 13, 14, 15. Entsprechend sind in der oberen Lage 16 zwei Speicherelemente 11, in den beiden mittleren Lagen 17, 18 je drei Speicherelemente 11 und der unteren Lage 19 wieder zwei Speicherelemente 11 enthalten.
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Die obere Lage 16 ist versetzt zur darunterliegenden Lage 17 angeordnet, ebenso die untere Lage 19 zur darüberliegenden Lage 18. Ohne Versatz zueinander sind die beiden mittleren Lagen 17 und 18 angeordnet. Die Bezeichnungen ”oben” und ”unten” ergeben sich anhand der Darstellung der Figuren und sind nicht absolut zu verstehen. Je nach Ansicht der Anordnung 10 können die Lagen 16 und 19 auch ”links” und ”rechts” innerhalb der betreffenden Gruppe gehalten sein.
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In jeder Lage 16 bis 19 bilden die zugehörigen Speicherelemente 11 eine Ebene, so dass in der Darstellung gemäß 1 entsprechend der Anzahl Lagen 16, 17, 18, 19 vier Ebenen übereinander erkennbar sind. Die Speicherelemente innerhalb derselben Lage bzw. Ebene sind bündig und parallel zueinander ausgerichtet.
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Jede Gruppe 12 bis 15 weist hier zwei Halterungen 20, 21 auf, die jeweils Enden der Speicherelemente 11 aufnehmen und halten. Innerhalb der Halterungen 20, 21 sind elektrische Leitungen und Anschlüsse (nicht gezeigt) vorgesehen, mit denen die Speicherelemente einer jeden Lage oder Gruppe miteinander verschaltet sind. Vorzugsweise sind die Speicherelemente 11 innerhalb jeder Gruppe 12, 13, 14, 15 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Gruppen 12 bis 15 sind parallel zueinander geschaltet.
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Möglich ist auch eine gemischte Schaltung, beispielsweise derart, dass gruppenübergreifend Speicherelemente miteinander in Reihe geschaltet sind zur Bildung einer Schaltungsgruppe, die größer oder kleiner ist als die Anzahl der parallel nebeneinander und übereinander vorgesehenen Speicherelemente 11 innerhalb der durch räumliche Anordnung gebildeten Gruppen 12, 13, 14, 15.
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Die Halterungen 20, 21 können außerdem elektrische und elektronische Komponenten (nicht gezeigt) zur Steuerung der Ladung und/oder Entladung der Speicherelemente enthalten. Ebenfalls in 1 und 6a nicht gezeigt sind vorhandene Anschlüsse der Anordnung 10 an elektrische Leitungen oder Kontakte.
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Gemäß 1 sind alle Gruppen 12, 13, 14, 15 gleich groß und in gleicher Weise ausgebildet.
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Die in der 1 dargestellte Anordnung weist einen im Wesentlichen oktogonalen Querschnitt auf. Dieser ist auch in 3 erkennbar. Dort ist die Anordnung 10 zusätzlich mit einer Umhüllung 22 versehen, welche ebenfalls einen oktogonalen Querschnitt aufweist und die Speicherelemente 11 vorzugsweise zumindest entlang ihrer Längsseiten umschließt. Durch die vorgesehenen Halterungen 20, 21 (in 3 nicht gezeigt) sind die Speicherelemente mit geringem (queraxialem) Abstand zueinander gehalten und berühren einander nicht. Dies erleichtert die Wärmeabfuhr.
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Der Querschnitt der Anordnung 10 ist nicht streng oktagonal, sondern entsprechend der zylindrischen Form der Speicherelemente im Bereich der Ecken gerundet. Eine streng oktagonale Form 23 ergibt sich bei Betrachtung eines Querschnitts durch Längsachsen der jeweils äußeren Speicherelemente, siehe 3.
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2 zeigt eine gegenüber 3 in der Anzahl reduzierte Gruppe von Speicherelemente 11 im hexagonalen Querschnitt, nämlich mit drei Lagen und insgesamt sieben Speicherelementen 11. Eine obere und eine untere Lage 16, 19 mit je zwei Speicherelementen 11 schließen eine mittlere Lage mit drei Speicherelementen ein.
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Eine weitere Abwandlung gegenüber 3 zeigt 4. Hier ist eine zusätzliche mittlere Lage 24 vorgesehen, die genau zwischen den weiteren Lagen 16, 17 (oben) und 18, 19 (unten) positioniert ist. Dadurch ergeben sich in einer Gruppe dreizehn Speicherelemente 11, wobei mittig neun Speicherelemente in quadratischem Querschnitt angeordnet sind. Lediglich die obere Lage 16 und die untere Lage 19 sind versetzt ”auf Lücke” zur jeweils benachbarten Lage 17, 18 positioniert.
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Schließlich zeigt 5 eine weitere Anordnung mit nochmals vergrößerter Anzahl von Speicherelementen 11 innerhalb einer Gruppe. Ausgehend von der Anordnung gemäß 3 sind hier in 5 mittig zwei zusätzliche Lagen 25, 26 mit je vier Speicherelementen 11 zusätzlich vorgesehen. Insgesamt sind dadurch in der Gruppe achtzehn Speicherelemente 11 zusammengefasst. Die beiden mittleren Lagen 24, 25 sind relativ zueinander nicht versetzt angeordnet aber versetzt zu den jeweils benachbarten Lagen 17, 18. Ebenso wie in den 3 und 4 ist ein oktogonaler Querschnitt erkennbar.
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Anhand der 2 bis 5 sind Anordnungen mit im Querschnitt 2-3-2, 2-3-3-2, 2-3-3-3-2 und 2-3-4-3-2 Speicherzellen gezeigt. Andere Anordnungen mit ebenfalls hexagonalem oder oktagonalem Querschnitt sind möglich, beispielsweise 2-3-4-3-2 oder 2-3-4-5-4-3-2 oder weitere.
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6a zeigt eine Kombination verschiedener Querschnitte. An drei Gruppen 12, 13, 14 entsprechend 1 und 3 schließen in Längsrichtung zwei Gruppen 27, 28 an. Die Gruppen 27, 28 bestehen jeweils aus nur der halben Anzahl an Speicherelementen 11, hier aus je 5 Speicherelementen. Dadurch ergibt sich für die Gruppen 27, 28 ein trapezförmiger Querschnitt. Die Gruppen 27, 28 sind in Längsrichtung hintereinander angeordnet. Dabei schließt die Gruppe 27 in Längsrichtung an eine untere Hälfte der Gruppe 14 an. Auf diese Weise ist oberhalb der Gruppen 27, 28 in Fortsetzung der Gruppen 12 bis 14 ein freier Raum gebildet, der auf andere Weise, etwa durch Anordnung elektrischer oder elektronischer Komponenten genutzt werden kann. Auch die Gruppen 27, 28 sind mit den Halterungen 20, 21 versehen.
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6b entspricht 6a mit einer Ergänzung. Gezeigt ist ein Batteriemanagementsystem 29 als flacher, länglicher, quaderförmiger Kasten auf den beiden Gruppen 27, 28. Das Batteriemanagementsystem 29 ist etwa so breit wie die Gruppe 27 und etwas kürzer als die beiden Gruppen 27, 28 zusammen. Die Höhe ist etwas niedriger als der Durchmesser eines Speicherelements 11. Das Batteriemanagementsystem 29 überwacht in an sich bekannter Weise Zustand und Funktion der Speicherelemente 11. Hierfür vorhandene elektrische Leitungen sind nicht gezeigt.
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In 7 sind die Halterungen 20, 21 an den Stirnseiten einer der Gruppen 12 bis 14 am Beispiel der Gruppe 13 detaillierter dargestellt. Jede Halterung 20, 21 weist einen Zellhalter 30 aus Kunststoff und Leiterbleche 31, 32, 33 auf. Jeder Zellhalter 30 ist mit 10 zylindrischen Aufnahmen 34 zum Einstecken von Enden der Speicherelemente 11 versehen. Mittels der Zellhalter 30 sind in jeder der Gruppen 12 bis 14 je zehn Speicherelemente 11 als physikalische Gruppe oder Einheit zusammengefasst. Unabhängig von der physikalischen Bildung und Anordnung der Gruppen sind die Speicherelemente elektrisch zu Gruppen zusammengefasst, nämlich in Gruppen zu je vier Speicherelementen 11. Entsprechend kontaktieren die Leiterbleche 32, 33 je vier Speicherelemente 11, so dass die zugehörigen Speicherelemente zueinander parallel geschaltet sind.
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Die Anordnungen der 6a, 6b zeigen insgesamt 40 Speicherelemente 11. Da hier je vier Speicherelemente 11 elektrisch parallel geschaltet sind und die derart gebildeten elektrischen Gruppen miteinander in Reihe verschaltet sind, ergeben sich zehn in Reihe zu schaltende Gruppen. Hierzu weisen die Leiterbleche in 7 entsprechende Kontakte für nicht gezeigte Leitungen auf. Die Kontakte sind je nach Position der Leiterbleche 31, 32, 33 unterschiedlich angeordnet und ausgerichtet. Am Leiterblech 31 ist ein Kontakt 34 den Speicherelementen zugewandt. Das Leiterblech 32 weist an einer Seite zwei Kontakte 35, 36 auf, die von den Speicherelementen 11 abgewandt sind. Hierzu gegenüberliegend ist am Leiterblech 32 ein Kontakt 37 von den Speicherelementen 11 abgewandt.
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Das Leiterblech 33 weist unterhalb der Kontakte 35, 36 einen, den Speicherelementen 11 abgewandten Kontakt 38 und hierzu gegenüberliegend einen Kontakt 39 auf. Die Kontakte 34, 35, 36 und 38 sind an nicht gezeigte elektrische Leitungen zur Verschaltung der elektrischen Gruppen angeschlossen. Demgegenüber sind an die Kontakte 37, 39 nicht gezeigte elektrische Leitungen zur Verbindung mit dem Batteriemanagementsystem 29 angeschlossen.
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Die Leiterbleche 31, 32, 33 sind mit den zugehörigen Speicherelementen 11 fest leitend verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt.
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An der in 7 dem Betrachter abgewandten Stirnseite der Gruppe 13 sind ebenfalls Zellhalter 30 und Leiterbleche 31, 32, 33 vorgesehen. Deren Kontakte sind jedoch ausschließlich den Speicherelementen 11 zugewandt.
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8 zeigt die elektrische Verschaltung der Speicherelemente gemäß den 6a, 6b. Gut erkennbar ist die Aufteilung in physikalische Gruppen 12, 13, 14, 27, 28 einerseits und durch elektrische Verschaltung gebildete zehn Gruppen von je vier zueinander parallelen Speicherelementen 11 andererseits.
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Jede der drei physikalischen Gruppen 12, 13, 14 enthält 2½ elektrische Gruppen. Entsprechend enthalten die kleineren physikalischen Gruppen 27, 28 nur 1¼ elektrische Gruppen. Aus den Gruppen 12, 13, 14 sind jeweils zwei Speicherelemente 11 zusammen mit je einem Speicherelement 11 aus den beiden Gruppen 27, 28 zu insgesamt zwei elektrischen Gruppen verschaltet, siehe die Speicherelemente 11 im oberen Teil der 8.
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Die elektrische Verschaltung gemäß 8 bezieht sich auf eine an sich bekannte Kombination von 40 Speicherelementen 11 zu zehn seriell geschalteten Gruppen von vier parallelen Speicherelementen 11, eine sogenannte 10s4p-Schaltung von Speicherelementen 11. Die dargestellte elektrische Verschaltung ist nur ein Beispiel und kann auch anders gewählt werden, je nach Vorgaben und/oder Konfiguration des Batteriemanagementsystems 29 und bestmöglicher Verlegung der Leitungen.
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Anstelle der bekannten elektrischen Verschaltung 10s4p sind auch andere Verschaltungen möglich. Vorteilhaft ist eine elektrische Verschaltung 8s5p, gegebenenfalls in Verbindung mit einer etwas anderen Spannung je Speicherelement 11, bzw. angeordnet in mehreren physikalischen Gruppen, wobei zwei elektrische Gruppen mit je fünf Speicherelementen 11 in einer physikalischen Gruppe von zehn Speicherelementen 11 enthalten sind.
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Die komplette Anordnung 10 kann raumsparend im Unterrohr eines Elektrofahrrads 41, 42 untergebracht werden. Das Unterrohr 40 kann zu diesem Zweck etwas voluminöser ausgeführt sein.
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Möglich ist auch die Aufnahme der Anordnung 10 im Oberrohr 43 und/oder im Sattelrohr (Sitzrohr) 44, siehe 9a und 9b.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anordnung
- 11
- Speicherelemente
- 12
- Gruppe
- 13
- Gruppe
- 14
- Gruppe
- 15
- Gruppe
- 16
- Lage
- 17
- Lage
- 18
- Lage
- 19
- Lage
- 20
- Halterung
- 21
- Halterung
- 22
- Umhüllung
- 23
- oktogonale Form
- 24
- Lage
- 25
- Lage
- 26
- Lage
- 27
- Gruppe
- 28
- Gruppe
- 29
- Batteriemanagementsystem
- 30
- Zellhalter
- 31
- Leiterblech
- 32
- Leiterblech
- 33
- Leiterblech
- 34
- Kontakt
- 35
- Kontakt
- 36
- Kontakt
- 37
- Kontakt
- 38
- Kontakt
- 39
- Kontakt
- 40
- Unterrohr
- 41
- Elektrofahrrad
- 42
- Elektrofahrrad
- 43
- Oberrohr
- 44
- Sattelrohr
- D
- Durchmesser
- L
- Länge
