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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Zellmodulen einer Batterie mittels zumindest eines elektrischen Verbinders nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10 der Erfindung. Gemäß Anspruch 9 der Erfindung betrifft dieselbe ferner eine Batterie mit einer solchen Anordnung.
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Die
US 2011/0104566 A1 beschreibt ein wiederaufladbares elektrisches Speicherelement in Form einer Sekundärzelle, hier als Sekundärbatterie bezeichnet, mit einer in einem Gehäuse angeordneten Elektrodenanordnung und mit Stromsammelplatten an den jeweiligen Enden der Elektrodenanordnung, die eine positive und eine negative Elektrode ausbilden. Außerhalb des Gehäuses gehen die positive und negative Elektrode in je einen Niet über, welcher mit je einer Sammelschiene durch Reibrührschweißen oder durch Laserstrahlschweißen stoffschlüssig verbunden ist. Dabei wird Reibrührschweißen für Fügepartner eingesetzt, welche aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie Aluminium und Kupfer, bestehen, wogegen Laserstrahlschweißen für werkstoffeinheitliche Fügepartner, wie Aluminium oder Kupfer, eingesetzt wird. Die
DE 10 2009 047 490 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kontaktstift und einem Querverbinder an Batteriezellen eines Batterie-Packs. Auch hier wird vorgeschlagen, Fügepartner mit artgleichen Werkstoffen (Aluminium bzw. Kupfer) durch Laserstrahlschweißen untereinander zu verbinden. Um auch Fügepartner aus unterschiedlichen Werkstoffen nach besagtem stoffschlüssigen Fügeverfahren untereinander verbinden zu können, wird vorgeschlagen, den Querverbinder mit einer Beschichtung aus dem Werkstoff des Kontaktstiftes zu versehen.
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Es ist allgemein bekannt, einzelne Batteriezellen zu einem sogenannten Batteriemodul in einem Modulgehäuse zusammenzufassen und dieselben mittels Sammelschienen, auch als Verbinder bezeichnet, untereinander elektrisch zu verbinden, woraus ein negativer und ein positiver Elektrodenanschluss des Batteriemoduls resultieren. Durch elektrische Verbindung einer Mehrzahl derartiger Batteriemodule ist beispielsweise eine als Traktionsbatterie für Elektrofahrzeuge verwendbare HV-Batterie (HV = Hochvolt) herstellbar. Die elektrische Verbindung zwischen besagten Batteriemodulen wird unter Verwendung elektrischer Verbinder erzielt, die ihrerseits unter Vermittlung von Steckkontakten oder Adapterbauteilen aus Kupfer mit dem Batteriemodul verbunden werden. Hieraus resultiert sicherlich eine dauerstabile elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen, welche jedoch relativ kostenintensiv ist, insbesondere auch im Hinblick auf eine Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe, wie Aluminium und Kupfer, für die Ausbildung der Elektrodenanschlüsse der Batteriemodule. Um diesem nachteiligen Umstand zu begegnen, ist aus der WO 2013/ 176 914 A1 ein Batteriemodul mit Batteriezellen bekannt, deren elektrische Anschlüsse untereinander mittels Zellverbindern durch beispielsweise Laserschweißen elektrisch verbunden sind. Hierzu weisen z.B. die Zellverbinder eine Bimetallstruktur aus Aluminium und Kupfer derart auf, dass die zwei verschiedenen leitfähigen Materialien untereinander durch Schweißen, Verkleidung oder andere Verfahren verbunden sind. In Abhängigkeit des jeweils zu verzeichnenden Materials der elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen, nämlich Aluminium oder Kupfer, werden zwischen denselben und dem Verbinder Fügeverbindungen gleichartigen Materials durch Schweißen realisiert. Die
JP 2014-229 564 A offenbart des Weiteren einen elektrischen Verbinder zur Verbindung der Elektrodenanschlüsse von Energiespeichermodulen, wobei besagter Verbinder einen Grundkörper aus einer Aluminiumlegierung aufweist. Um eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers zu vermeiden, weist dieser zusätzlich eine Plattier- oder galvanisch aufgebrachte Schicht aus Zinn auf. Darüber hinaus weist der Grundkörper einenends eine Bohrung auf. Die Elektrodenanschlüsse weisen jeweils einen Innengewindebohrung auf. Der Verbinder ist mittels einer Befestigungsschraube, die besagte Bohrung durchsetzt und in die korrespondierende Gewindebohrung eingeschraubt ist, mit einem negativen Elektrodenanschluss verbunden. Das gegenüberliegende Ende des Verbinders weist besagte Bohrung nicht auf und ist mit einem positiven Elektrodenanschluss verschweißt. Im Hinblick darauf wird auch ausgeführt, dass bezüglich des positiven Elektrodenanschlusses auf besagte Innengewindebohrung verzichtet werden kann. Ist ein negativer Elektrodenanschluss aus Kupfer zu verzeichnen, soll die Verbindung zwischen demselben und dem Verbinder ebenfalls mittels besagter Befestigungsschraube bewirkt sein. Durch vorstehende Maßnahmen soll der Übergangswiderstand zwischen dem Verbinder und den Elektrodenanschlüssen gemindert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von Zellmodulen einer Batterie zu schaffen, welche bei Gewährleistung einer dauerstabilen elektrischen Verbindung aufwandsreduziert ist und auch in einem Reparatur- oder Notfall eine sichere Kontaktierung von Zellmodulen ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit einer solchen Anordnung zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Zellmodulen einer Batterie anzugeben.
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Ausgehend von einer Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von Batteriemodulen einer Batterie mittels zumindest eines elektrischen Verbinders, welcher einstückig ausgebildet ist und einenends einen Kontaktierungsabschnitt zur Kontaktierung eines negativen Elektrodenanschlusses eines Batteriemoduls und anderenends einen Kontaktierungsabschnitt zur Kontaktierung eines positiven Elektrodenanschlusses eines anderen Batteriemoduls aufweist, wobei die Elektrodenanschlüsse der Zellmodule aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen, und wobei der elektrische Verbinder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Kontaktierungsabschnitte desselben jeweils stoffschlüssig mit dem zugeordneten Elektrodenanschluss der Batteriemodule verbunden sind, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass je Kontaktierungsabschnitt eine erste Durchgangsbohrung vorgesehen ist, die mit einer zweiten Durchgangsbohrung im zugeordneten Elektrodenanschluss und in einem den Elektrodenanschluss tragenden oder abstützenden Gehäuseabschnitt eines Modulgehäuses des Batteriemoduls korrespondiert.
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Durch diese Maßnahme ist zum einen mit geringem Material- und Kostenaufwand eine dauerstabile elektrische Verbindung zwischen einem elektrischen Verbinder und einem Elektrodenanschluss eines Batteriemoduls geschaffen, die auch einen vollautomatischen Fügeprozess ermöglicht. Zum anderen sind durch die miteinander korrespondierenden ersten und zweiten Durchgangsbohrungen die Voraussetzungen für eine insbesondere in einem etwaigen Reparatur- oder Notfall nicht stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen einem elektrischen Verbinder und den zu verbindenden Elektrodenanschlüssen geschaffen.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Danach ist vorgesehen, dass der Kontaktierungsabschnitt des Verbinders, der einen Elektrodenanschluss eines Batteriemoduls aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kontaktiert, zusätzlich eine Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Fügestellen der Fügepartner aus artgleichen Werkstoffen, nämlich Aluminium oder Kupfer bestehen, woraus eine besonders innige Fügeverbindung resultiert. Bevorzugt ist die besagte Beschichtung durch Plattieren oder galvanisch auf den betreffenden Kontaktierungsabschnitt aufgebracht. Unter Plattieren versteht der Fachmann ein mechanisches Aufbringen einer Metallauflage, hier Kupfer oder eine Kupferlegierung, auf ein Grundmaterial, hier Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung. Demgegenüber werden bei einem galvanischen Aufbringen einer Metallschicht auf besagtes Grundmaterial in einem elektrolytischen Bad mittels elektrischem Strom Metallionen von einer sogenannten Verbrauchselektrode abgelöst und auf einem als Kathode fungierenden Werkstück abgelagert. Weiter bevorzugt sind die Kontaktierungsabschnitte des Verbinders jeweils durch Laserstrahlschweißen mit dem zugeordneten Elektrodenanschluss der Batteriemodule verbunden. Bei dem Laserstrahlschweißen, auch als Laserschweißen bezeichnet, erfolgt die Energiezufuhr zum Schweißen über einen Laserstrahl, welcher bei hohen Schweißgeschwindigkeiten schmale Schweißnahtformen bei minimiertem thermischen Verzug der Fügepartner ermöglicht. Je Kontaktierungsabschnitt ist zumindest eine Fügestelle stoffschlüssiger Art vorgesehen. Bevorzugt jedoch sind zwei dezentral und zueinander beabstandet angeordnete Fügestellen stoffschlüssiger Art vorgesehen. Was die zweite Durchgangsbohrung anbelangt, kann diese in einer im besagten Gehäuseabschnitt ausgebildeten Aufnahmetasche für eine Einlegemutter enden, welcher eine die erste Durchgangsbohrung und die zweite Durchgangsbohrung durchsetzende Befestigungsschraube zugeordnet oder zuordenbar ist. Alternativ kann die zweite Durchgangsbohrung auch ein Innengewinde für eine die erste Durchgangsbohrung und die zweite Durchgangsbohrung durchsetzende Befestigungsschraube aufweisen oder ausbilden, um eine Fügeverbindung mittels eines mechanischen Befestigungselements zu erzeugen. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf den erwähnten Reparaturfall bzw. auf eine Notfalllösung, sondern erfasst auch eine zur stoffschlüssigen Fügeverbindung zusätzlich vorgesehene Fügeverbindung mittels Befestigungsschraube, um beispielsweise elektrische Messinstrumente lösbar kontaktieren zu können.
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Die Erfindung betrifft auch eine Batterie mit einer Anordnung der vorbeschriebenen Art.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Batteriemodulen einer Batterie mittels elektrischer Verbinder, welche jeweils einstückig ausgebildet sind und einenends einen Kontaktierungsabschnitt zur Kontaktierung eines negativen Elektrodenanschlusses eines Batteriemoduls und anderenends einen Kontaktierungsabschnitt zur Kontaktierung eines positiven Elektrodenanschlusses eines anderen Batteriemoduls aufweisen, wobei die Elektrodenanschlüsse der Batteriemodule aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehen, wobei zur besagten elektrischen Kontaktierung neben elektrischen Verbindern, die ausschließlich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, auch elektrische Verbinder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Montage bereitgestellt werden, die im Hinblick auf einen Elektrodenanschluss aus Kupfer oder einer Kupferlegierung im Bereich des zugeordneten Kontaktierungsabschnitts eine Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweisen, wobei in Abhängigkeit des aktuell zu verzeichnenden Werkstoffes der Elektrodenanschlüsse der zu verbindenden Batteriemodule aus den bereitgestellten elektrischen Verbindern ein Verbinder derart ausgewählt wird, dass eine Kontaktierung artgleicher Werkstoffe zwischen den Kontaktierungsabschnitten des Verbinders und dem Elektrodenanschluss des jeweils zugeordneten Batteriemoduls erfolgt, und wobei ein jeder Kontaktierungsabschnitt des Verbinders stoffschlüssig, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, mit dem Elektrodenanschluss des zugeordneten Batteriemoduls verbunden wird, zeichnet sich dadurch aus, dass im Hinblick auf eine Reparatur oder auf einen Notfall je Kontaktierungsabschnitt eine erste Durchgangsbohrung vorgesehen ist, welche mit einer zweiten Durchgangsbohrung im zugeordneten Elektrodenanschluss und in einem den Elektrodenanschluss tragenden oder abstützenden Gehäuseabschnitts eines Modulgehäuses des Batteriemoduls korrespondiert, wobei im Falle besagten Reparaturfalls oder Notfalls der Verbinder im Bereich seiner Kontaktierungsabschnitte getrennt und auf die vom Verbinder getrennten Kontaktierungsabschnitte ein neuer Verbinder mit seinen Kontaktierungsabschnitten aufgesetzt wird, und wobei mittels Befestigungsschrauben die elektrische Verbindung zwischen dem neuen Verbinder und den Elektrodenanschlüssen derart bewerkstelligt wird, dass die betreffende Befestigungsschraube die erste und zweite Durchgangsbohrung durchsetzend in eine innerhalb einer sich an die zweite Durchgangsbohrung anschließenden Aufnahmetasche angeordnete Einlegemutter oder in ein Innengewinde der zweiten Durchgangsbohrung eingeschraubt wird.
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Dies hat den Vorteil, dass bei einem kostensparenden Einsatz von Aluminium als Grundwerkstoff für einen Grundkörper des elektrischen Verbinders und demgemäß minimierter Masse eine schnelle, gegebenenfalls automatisierte elektrische Kontaktierung zwischen den Verbindern und den Elektrodenanschlüssen der betreffenden Batteriemodule durch insbesondere Laserstrahlschweißen mit einer einfachen und kostengünstigen Reparatur- bzw. Notfalllösung durch nicht stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen einem elektrischen Verbinder und den zu verbindenden Elektrodenanschlüssen kombiniert ist. Es können somit bei Beibehaltung der besagten Vorteile nach Belieben sowohl Batteriemodule mit Elektrodenanschlüssen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung durch Stoffschluss untereinander und darüber hinaus in beispielsweise einem Notfall oder Reparaturfall mittels Befestigungsschraube elektrisch verbunden werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
- 1 eine mit Batteriemodulen bestückte Unterschale eines Batteriegehäuses, mit elektrischen Verbindern, die zum Fügen zur Verfügung gestellt sind,
- 2 die Unterschale nach 1, deren Batteriemodule mittels besagter Verbinder untereinander durch Stoffschluss elektrisch verbunden sind, wobei je Kontaktierung eine Fügestelle vorgesehen ist,
- 3 eine Einzelansicht eines elektrischen Verbinders,
- 4 eine Detailansicht einer elektrischen Kontaktierung, welche mittels zweier Fügestellen bewirkt ist und überdies vorteilhaft weitergebildet ist, und
- 5 eine Darstellung bezüglich des technischen Hintergrundes besagter Weiterbildung nach 4.
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1 zeigt zunächst eine mit Batteriemodulen 1 bestückte Unterschale 2 eines Batteriegehäuses einer Batterie 3, welche beispielsweise eine als Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, einsetzbare HV-Batterie 3 ist. Ein jedes Batteriemodul 1 besteht im Allgemeinen aus zwei oder mehr Batteriezellen, die in einem Modulgehäuse 4 des Batteriemoduls 1 zusammengefasst und untereinander elektrisch verbunden sind (nicht zeichnerisch dargestellt). Ein jedes Batteriemodul 1 weist einen negativen Elektrodenanschluss 5 und einen positiven Elektrodenanschluss 6 auf. Mittels sogenannter elektrischer Verbinder 7 sind ein negativer Elektrodenanschluss 5 eines Batteriemoduls 1 mit einem positiven Elektrodenanschluss 6 eines anderen Batteriemoduls 1 untereinander elektrisch verbindbar.
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Die elektrischen Verbinder 7 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem Profilstab ausgebildet sowie einstückig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Sie weisen beidenends je einen Kontaktierungsabschnitt 8, 9 zur stoffschlüssigen Verbindung derselben mit dem zugeordneten Elektrodenanschluss 5, 6 auf. Der Bereich zwischen den Kontaktierungsabschnitten 8, 9 eines jeden Verbinders 7 weist eine elektrische Isolierung 10 auf, welche bevorzugt aus einem Kunststoff besteht (vgl. 1-3).
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Die Kontaktierungsabschnitte 8, 9 werden bevorzugt durch Laserstrahlschweißen mit dem jeweils zugeordneten Elektrodenanschluss 5, 6 der Batteriemodule 1 verbunden. 2 zeigt insoweit die gefügten Verbinder 7, wobei hier jeweils eine einzige Fügestelle 11 vorgesehen ist. Im vorliegenden Fall bestehen die Elektrodenanschlüsse 5, 6 der Batteriemodule 1 ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, so dass ein ausreichend fester Fügeverbund zwischen den Fügepartnern gewährleistet werden kann.
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In der Praxis werden jedoch auch Batteriemodule 1 verbaut, deren Elektrodenanschlüsse 5, 6 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Ferner sind auch Batteriemodule 1 bekannt, welche zwei Elektrodenanschlüsse 5, 6 aus voneinander abweichendem Werkstoff aufweisen. Um auch diese Konstellationen berücksichtigen zu können, werden neben elektrischen Verbindern 7, die ausschließlich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, ferner auch elektrische Verbinder 7 bereitgestellt, deren Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung im Hinblick auf einen Elektrodenanschluss 5, 6 eines Batteriemoduls 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung im Bereich des zugeordneten Kontaktierungsabschnitts 8, 9 eine nicht zeichnerisch dargestellte Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist. Die Beschichtung wird, wie oben bereits erwähnt, bevorzugt durch Plattieren oder galvanisch auf den betreffenden Kontaktierungsabschnitt 8, 9 des Verbinders 7 aufgebracht.
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Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach 4 unterscheidet sich zum vorbeschriebenen zum einen dadurch, dass zwei dezentral und zueinander beabstandet angeordnete Fügestellen 11a, 11b vorgesehen sind. Zum anderen ist im Kontaktierungsabschnitt 8, 9 des Verbinders 7 zwischen den beiden Fügestellen 11a, 11b desselben eine erste, zentrale Durchgangsbohrung 12 ersichtlich. Die erste Durchgangsbohrung 12 korrespondiert mit einer nicht zeichnerisch dargestellten zweiten Durchgangsbohrung im zugeordneten Elektrodenanschluss 5, 6, vorliegend dem positiven Elektrodenanschluss 6, und in einem den besagten Elektrodenanschluss 6 abstützenden Gehäuseabschnitt des Modulgehäuses 4 des Batteriemoduls 1. Die zweite Durchgangsbohrung endet in einer im besagten Gehäuseabschnitt ausgebildeten Aufnahmetasche 13 für eine nicht zeichnerisch dargestellte Einlegemutter.
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Gesetzt den Fall, es ist beispielsweise in einem Reparaturfall oder als Notfalllösung beabsichtigt oder erforderlich, einen Austausch eines Batteriemoduls 1 vorzunehmen, so ist es gemäß 5 ermöglicht, einen neuen Verbinder 7 mittels eines mechanischen Befestigungselementes, vorliegend einer nicht zeichnerisch dargestellten Befestigungsschraube, mit dem betreffenden Elektrodenanschluss 5, 6 elektrisch leitend zu verbinden. Hierzu wird zunächst der „alte“ Verbinder 7 im Bereich seiner Kontaktierungsabschnitte 8, 9 getrennt, so dass lediglich diese am zugeordneten Elektrodenanschluss 5, 6 verbleiben. Im Anschluss daran wird ein „neuer“ Verbinder 7 mit seinen Kontaktierungsabschnitten 8', 9' auf die ursprünglichen Kontaktierungsabschnitte 8, 9 aufgesetzt und schließlich mittels besagter Befestigungsschrauben mit dem jeweiligen Elektrodenanschluss 5, 6 verschraubt. Hierbei durchdringen die Befestigungsschrauben jeweils die ersten Durchgangsbohrungen 12 der Kontaktierungsabschnitte 8, 8', 9, 9' sowie die korrespondierenden zweiten Durchgangsbohrungen und werden in je eine Einlegemutter eingeschraubt (nicht zeichnerisch dargestellt). Alternativ können die Befestigungsschrauben auch von einer als Gewindebohrung ausgebildeten zweiten Durchgangsbohrung aufgenommen sein. Besagte Einlegemutter ist demnach entbehrlich (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf den erwähnten Reparaturfall bzw. auf eine Notfalllösung, sondern erfasst auch eine zur stoffschlüssigen Fügeverbindung zusätzlich vorgesehene Fügeverbindung mittels Befestigungsschraube, um beispielsweise elektrische Messinstrumente lösbar kontaktieren zu können (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Unterschale
- 3
- Batterie
- 4
- Modulgehäuse
- 5
- Elektrodenanschluss
- 6
- Elektrodenanschluss
- 7
- Verbinder
- 8
- Kontaktierungsabschnitt
- 8'
- Kontaktierungsabschnitt
- 9
- Kontaktierungsabschnitt
- 9'
- Kontaktierungsabschnitt
- 10
- Isolierung
- 11
- Fügestelle
- 11a
- Fügestelle
- 11b
- Fügestelle
- 12
- Durchgangsbohrung
- 13
- Aufnahmetasche
