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Die Erfindung betrifft ein Akkumulatormodul aufweisend mehrere Akkumulatorzellen, welche jeweils zwei Zellterminals aufweisen und welche mittels eines Zellverbinders miteinander verschaltet sind, wobei der Zellverbinder zumindest drei Anschlüsse aufweist, von denen ein jeder mit einem der Zellterminals verbunden ist.
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Ein Akkumulator für den Kraftfahrzeugbereich ist typischerweise aus mehreren im Wesentlichen identischen Akkumulatorzellen aufgebaut oder aus Akkumulatormodulen, die ihrerseits aus mehreren im Wesentlichen identischen Akkumulatorzellen aufgebaut sind. Dabei sind die Akkumulatorzellen, aus denen ein Akkumulator oder Akkumulatormodul aufgebaut ist, miteinander verschaltet, um auf diese Weise eine Betriebsspannung für den Akkumulator zu realisieren, die höher ist als die Betriebsspannung einer Akkumulatorzelle, und/oder um eine Ladekapazität für den Akkumulator zu realisieren, der höher ist als die Ladekapazität einer Akkumulatorzelle. Eine entsprechende Verschaltung von Akkumulatorzellen erfolgt dabei üblicherweise mithilfe von Zellverbindern.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaft ausgebildetes Akkumulatormodul anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Akkumulatormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten.
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Ein entsprechendes Akkumulatormodul weist dabei mehrere Akkumulatorzellen auf, welche typischerweise im Wesentlichen einheitlich ausgestaltet sind und jeweils zwei Zellterminals aufweisen. Die zwei Zellterminals einer Akkumulatorzelle dienen dabei als äußere Kontakte oder Anschlüsse, über die sich die Akkumulatorzelle elektrisch leitend mit einer äußeren Beschaltung beschalten und/oder mit weiteren Akkumulatorzellen zusammenschalten lässt.
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Eine solche Zusammenschaltung ist in dem hier beschriebenen Akkumulatormodul realisiert und infolgedessen bildet das Akkumulatormodul eine Art Batterieverbund oder einen Teil eines Batterieverbundes aus mehreren Akkumulatormodulen aus. Dieser Batterieverbund ist vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug ausgelegt und wird daher bevorzugt als Energiespeicher, beispielsweise als Traktionsakkumulator, in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Zur vollständigen Ausbildung einer entsprechenden Zusammenschaltung oder Verschaltung von Akkumulatorzellen kommen dabei typischerweise mehrere Zellverbinder, insbesondere mehrere gleichartige Zellverbinder, zum Einsatz und dementsprechend weist ein nachfolgend näher beschriebenes Akkumulatormodul typischerweise mehrere Zellverbinder, insbesondere mehrere gleichartige Zellverbinder, auf.
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Erfindungsgemäß ist die Zusammenschaltung dabei mithilfe eines Zellverbinders realisiert, welcher zumindest drei bevorzugt flache, plattenförmige Anschlüsse aufweist, von denen ein jeder mit einem der Zellterminals verbunden und insbesondere fest verbunden ist. Eine entsprechende Verbindung ist hierbei entweder als reversibel lösbare Verbindung ausgebildet, also beispielsweise als Schraubverbindung, oder als unlösbare Verbindung, also zum Beispiel als Lötverbindung oder Schweissverbindung. Infolgedessen verbindet der Zellverbinder zweckdienlicherweise mit den zumindest drei Anschlüssen Zellterminals von zumindest drei Akkumulatorzellen, so dass über den Zellverbinder oder mithilfe des Zellverbinders üblicherweise zumindest drei Akkumulatorzellen miteinander verschaltet sind. Hierbei weist der Zellverbinder weiter zumindest zwei Federelemente auf, die jeweils zwischen zwei der Anschlüsse angeordnet sind, so dass insbesondere über ein jedes Federelement zwei Anschlüsse mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. D. h. auch, dass typischerweise über ein jedes Federelement auch zwei Zellterminals elektrisch leitend und mechanisch miteinander verbunden sind. Dabei sind die zumindest zwei Federelemente jeweils durch einen Abschnitt eines einlagigen Profilblechs ausgebildet und zudem hinsichtlich ihrer federnden Wirkung unterschiedlich ausgebildet. Hierdurch sind die zumindest zwei Federelemente dann insbesondere unterschiedlich steif oder unterschiedlich weich ausgebildet und dementsprechend verformen sich die zumindest zwei Federelemente bei gegebener einwirkender Kraft unterschiedlich stark.
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Die Federelemente sind dabei zweckdienlicherweise derart ausgelegt, dass die zu erwartenden Krafteinwirkungen oder zumindest die zu erwartenden häufig wiederkehrenden Krafteinwirkungen in guter Näherung lediglich zu einer elastischen Verformung führen. Das heißt, dass bevorzugt der elastische Anteil überwiegt und der plastische Anteil im Vergleich dazu gering ausfällt. Hierdurch wird dann eine Art Toleranzausgleich zwischen den einzelnen Zellterminals ermöglicht und es wird verhindert, dass es zu einer mechanischen Überbelastung kommt, durch die der Zellverbinder und/oder eine der Akkumulatorzellen beschädigt wird. Dabei gilt es zu bedenken, dass es im Laufe des Lebenszyklus eines Akkumulatormoduls, typischerweise durch den Betrieb oder aufgrund der Alterung, zu Volumenänderungen bei den Akkumulatorzellen kommt, wodurch der Abstand zwischen den Zellterminals üblicherweise variiert oder schwankt. Diese Schwankungen führen zu lokalen Krafteinwirkungen und werden mithilfe der Federelemente des Zellverbinders kompensiert. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Federelemente hinsichtlich ihrer federnden Wirkung wird zudem berücksichtigt, dass in einem Akkumulatormodul mit unterschiedlich starken lokalen Krafteinwirkungen zu rechnen ist.
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Insbesondere zugunsten einer einfachen Fertigung ist es dabei weiter von Vorteil, wenn der Zellverbinder einteilig und einstückig (monolithisch) ausgestaltet ist und wenn ein einlagiges Profilblech den Zellverbinder ausbildet. Jener einstückige und einteilige Zellverbinder weist dann die beiden Abschnitte auf, die die zumindest zwei Federelemente ausbilden. Mit Hilfe eines solchen Zellverbinders sind dann typischerweise zumindest drei Akkumulatorzellen miteinander verschaltet.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist ein derartiges Profilblech als Stanzbiegeblech ausgebildet und beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt.
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Alternativ ist der Zellverbinder aus mehreren Zellverbinderteilen zusammengesetzt, welche beispielsweise durch Verschrauben oder Verschweißen miteinander verbunden sind. In einem solchen Fall bildet dann typischerweise ein solches Zellverbinderteil ein Federelement aus.
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Unabhängig davon, ob der Zellverbinder einteilig oder mehrteilig ausgebildet ist, ist mithilfe des Zellverbinders bevorzugt eine Parallelschaltung von mehreren Akkumulatorzellen realisiert. Alternativ ist mit dem Zellverbinder eine Reihenschaltung oder eine Mischung aus Parallelschaltung und Reihenschaltung umgesetzt.
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Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend weist der Zellverbinder zumindest vier Anschlüsse auf sowie zumindest drei Federelemente, wobei wiederum jedes Federelement zwischen zwei Anschlüssen angeordnet ist, so dass insbesondere ein jedes Federelement zwei Anschlüsse und insbesondere auch zwei Zellterminals mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbindet. Weiter ist ein jedes Federelement auch bei dieser Ausführungsvariante durch einen Abschnitt eines einlagigen Profilblechs ausgebildet, welches nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten ausgestaltet ist. Hierbei sind die zumindest drei Federelemente in Reihe geschaltet, wodurch ein mittleres Federelement zwischen zwei äußeren Federelementen angeordnet ist. Dabei ist bevorzugt das mittlere Federelement steifer oder weniger weich ausgestaltet als die äußeren Federelemente, sodass sich die äußeren Federelemente bei einer gegebenen, auf die Federelemente einwirkenden Kraft stärker elastisch und/oder plastisch verformen als das mittlere Federelement.
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Eine entsprechende federnde Wirkung ist dabei je nach Ausführungsvariante beispielsweise dadurch realisiert, dass ein ein Federelement ausbildendender Abschnitt, zumindest im Profil oder Querschnitt betrachtet, eine Bogenform aufweist. Hierbei weist der Zellverbinder typischerweise eine Längausdehnung auf und die Enden der Bogenform sind in Richtung der Längausdehnung räumlich voneinander beanstandet. Jene Längsausdehnung erstreckt sich weiter bevorzugt in einer Verbindungsrichtung, entlang derer auch die Zellterminals nebeneinander angeordnet sind, welche über den Zellverbinder insbesondere unlösbar miteinander verbunden und zweckdienlicherweise miteinander verschaltet sind.
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Alternativ weist ein ein Federelement ausbildendender Abschnitt, zumindest im Profil oder Querschnitt betrachtet, eine V-Form oder Dreieck-Form, eine eckige U-Form oder Viereck-Form oder eine Mäander-Form auf. Auf diese Weise ist dann quasi jeweils eine Art lokale Stauchung im Profilblech realisiert, die insbesondere quer zur Richtung der Längsausdehnung des Profilblechs ausgedehnt ist, also weg von den Akkumulatorzellen oder hin zu den Akkumulatorzellen. Je nach Anwendungsfall sind auch MischFormen aus diesen Grundformen vorgesehen. Typisch ist dabei ein Profil oder Querschnitt eines ein Federelement ausbildendenden Abschnitts in Richtung der Längsausdehnung des Profilblechs, welches bzw. welcher zumindest eine Biegung und/oder einen Knick aufweist.
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Zur Realisierung unterschiedlicher federnder Wirkungen weisen die die Federelemente ausbildenden Abschnitte dann beispielsweise unterschiedliche Blechstärken auf und/oder unterschiedliche Breiten. Als Breite ist hierbei insbesondere die Ausdehnung eines Abschnittes in Querrichtung quer zur Verbindungsrichtung und somit quer zur Längsausdehnung des Zellverbinders anzusehen. Die Querrichtung ist dabei typischerweise parallel zur Oberseite eines Zellterminals ausgerichtet, auf der ein Anschluss des Zellverbinders aufliegt.
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Weist der Zellverbinder in unterschiedlichen Abschnitten, also insbesondere in den Abschnitten die die Federelemente ausbilden, unterschiedliche Breiten auf, so ist einer Ausführung bevorzugt, bei der die größte Breite des Zellverbinders größer als das 1,1-fache, weiter bevorzugt als das 1,2-fache und insbesondere als das 1,5-fache, der kleinsten Breite des Zellverbinders ist. Hierbei weist die kleinste Breite typischerweise eine Ausdehnung auf, die typischerweise im Bereich von etwa 30 mm bis etwa 60 mm liegt. Die unterschiedlichen Breiten sind dabei insbesondere in den Abschnitten des Zellverbinders und somit des Profilblechs ausgebildet, mit denen die Federelemente realisiert sind. D. h., dass ein Federelement die kleinste Breite aufweist und ein Federelement die größte Breite.
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Wie bereits zuvor dargelegt, ist es von Vorteil, wenn ein jeder ein Federelement ausbildender Abschnitt eine Bogenform aufweist. Eine solche Bogenform erstreckt sich dann typischerweise in einer Bogenrichtung quer zur Verbindungrichtung und quer zur Querrichtung, wobei die Bogenrichtung bevorzugt von den Akkumulatorzellen weg zeigt. Die Bogenhöhe einer Bogenform entspricht dann insbesondere der Ausdehnung der Bogenform in Bogenrichtung und zwar unabhängig davon, ob die Bogenrichtung von den Akkumulatorzellen weg zeigt oder in Richtung der Akkumulatorzellen zeigt. Einer Ausführungsvariante entsprechend weisen die Federelemente zur Realisierung unterschiedlicher federnder Wirkungen Bogenformen mit unterschiedlichen Bogenhöhen auf oder Bogenformen, die sich hinsichtlich ihrer Geometrien unterscheiden. Dabei sind unterschiedliche Geometrien zum Beispiel durch unterschiedliche Krümmungen umgesetzt.
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Unterscheiden sich die Federelemente hinsichtlich der Bogenhöhe, so ist weiter eine Ausführungsvariante bevorzugt, bei der die größte Bogenhöhe des Zellverbinders größer als das 1,1-fache, weiter bevorzugt als das 1,2-fache und insbesondere als das 1,5-fache, der kleinsten Bogenhöhe des Zellverbinders ist. Typisch ist dabei ein Wert für die kleinste Bogenhöhe, der im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 15 mm liegt. Die Differenz zwischen der größten Bogenhöhe und der kleinsten Bogenhöhe ist dann bevorzugt größer gleich 1 mm. Das Prinzip der unterschiedlichen Bogenhöhen oder allgemeiner unterschiedlicher Höhen ist hierbei auch auf Federelemente übertragbar, die anstatt einer Bogenform eine V-Form oder Dreieck-Form, eine eckige U-Form oder Viereck-Form oder eine Mäander-Form aufweisen.
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Die unterschiedlichen federnden Wirkungen der Federelemente lassen sich typischerweise zumindest in erster Näherung mathematisch beschreiben, indem jedem Federelement des Zellverbinders eine Federkonstante D zugewiesen wird. Jene Federkonstante D ist dabei eine Proportionalitätskonstante, mit der das Verhältnis F/Δx zwischen einer in Verbindungsrichtung auf ein Federelement einwirkenden Kraft F und der Änderung der Ausdehnung des Federelements in Verbindungsrichtung oder der Änderung des Abstandes Δx zwischen zwei benachbarten Zellterminals, die über das Federelement miteinander verbunden sind, in Verbindungsrichtung. Hierbei ist bevorzugt die größte Federkonstante des Zellverbinders größer als das 1,1-fache, weiter bevorzugt als das 1,2-fache und insbesondere als das 1,5-fache, der kleinsten Federkonstante.
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Je nach Anwendungsfall weist der Zellverbinder desweiteren zumindest fünf Anschlüsse auf sowie zumindest vier Federelemente. Jedes Federelement ist dabei wiederum durch einen Abschnitt eines Profilblechs, also eines einlagigen Profilblechs, ausgebildet und zwischen zwei Anschlüssen angeordnet, so dass insbesondere ein jedes Federelement drei Anschlüsse und insbesondere auch zwei Zellterminals mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbindet. D. h., dass in den meisten Fällen fünf Akkumulatorzellen oder mehr mit einem einzigen Zellverbinder miteinander verbunden oder miteinander verschaltet werden.
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Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführung des Zellverbinders, bei der dieser mehr als zwei unterschiedlich federnde Federelemente aufweist. D. h. insbesondere das der Zellverbinder zumindest drei Federelemente mit drei verschiedenen Breiten, Blechstärken und/oder Bogenhöhen aufweist.
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Ein so ausgestaltetes Akkumulatormodul ist dann bevorzugt für ein Kraftfahrzeug ausgelegt und ausgebildet. Hierbei bildet das Akkumulatormodul dann beispielsweise einen Energiespeicher oder einen Teil eines Energiespeichers für den Antrieb oder Vortrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs aus.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführung eines Akkumulatormoduls mit einem ersten Zellverbindertyp,
- 2 in einer vergrößerten Seitenansicht die erste Ausführung des Akkumulatormoduls mit dem ersten Zellverbindertyp,
- 3 in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht die erste Ausführung des Akkumulatormoduls mit dem ersten Zellverbindertyp,
- 4 in der vergrößerten perspektivischen Ansicht eine zweite Ausführung des Akkumulatormoduls mit einem zweiten Zellverbindertyp sowie
- 5 in der vergrößerten Draufsicht die zweite Ausführung des Akkumulatormoduls mit dem zweiten Zellverbindertyp.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Akkumulatormodul 2 weist sechs Akkumulatorzellen 4 auf, die in einer Verbindungsrichtung 6 nebeneinander angeordnet und aneinandergereiht sind. Dabei weist jede Akkumulatorzelle 4 zwei Zellterminals 8 auf, die die äußeren Anschlüsse der entsprechenden Akkumulatorzelle 4 ausbilden, also quasi den Pluspol und den Minuspol.
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Zur Parallelschaltung der sechs Akkumulatorzellen 4 weist das Akkumulatormodul 2 weiter einen Zellverbinder 10 auf mit einer Längsausdehnung in Verbindungsrichtung 6, wobei der Zellverbinder 10 durch ein einlagiges und einstückiges (monolithisches) Profilblech beispielsweise aus Aluminium ausgebildet ist.
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Teil des Zellverbinders 10 sind dabei sechs flache, plattenförmige Abschnitte des Profilblechs, welche Anschlüsse 12 ausbilden. Hierbei liegt ein jeder Anschluss 12 auf einem Zellterminal 8 auf und ist mit diesem Zellterminal 8 bevorzugt unlösbar verbunden, also zum Beispiel verklebt, verlötet oder verschweißt. Alternativ sind diese Verbindungen als reversibel lösbare Verbindungen ausgebildet, beispielsweise als Schraubverbindungen.
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Desweiteren weist der Zellverbinder 10 Abschnitte mit einer Bogenform auf, wobei ein jeder solcher Abschnitt ein Federelement 14 ausbildet und zwei unmittelbar benachbarte Anschlüsse 12 mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbindet. D. h., dass der Zellverbinder 12 im Ausführungsbeispiel durch mehrere Anschlüsse 12 und mehrere Federelemente 14 ausgebildet ist, die im Wechsel in Verbindungsrichtung 6 nebeneinander angeordnet sind. Die Bogenformen erstrecken sich hierbei im Ausführungsbeispiel nach oben oder von den Akkumulatorzellen 4 weg. Alternativ sind die Bogenformen nach unten hin zu den Akkumulatorzellen 4 gerichtet.
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Die Federelemente 14 unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihrer federnden Wirkung, wobei im Ausführungsbeispiel drei unterschiedlich federnde Wirkungen und somit drei unterschiedlich steife Federelemente realisiert sind. Jene unterschiedlich federnden Wirkungen sind dabei im Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 durch unterschiedliche Bogenhöhen H1,H2,Hx bei den Bogenformen der Federelemente 14 realisiert, also durch unterschiedliche Ausdehnungen der Bogenformen der Federelemente 14 in eine Bogenrichtung 16 quer zur Verbindungsrichtung 6.
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Hierbei entspricht im Ausführungsbeispiel die größte Bogenhöhe H1 etwa dem doppelten der kleinsten Bogenhöhe H2. Zwischen dem Federelement 14 mit der größten Bogenhöhe H1 und dem Federelement 14 mit der kleinsten Höhe H2 ist zudem noch ein Federelement 14 mit einer mittleren Bogenhöhe Hx angeordnet.
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Eine alternative Ausführungsvariante des Zellverbinders 10 und somit des Akkumulatormoduls 2 ist in den Darstellungen 4 und 5 wiedergegeben. Hier weisen die Bogenformen der Federelemente 14 des Zellverbinders 10 einheitliche Bogenhöhen auf. Die unterschiedlichen federnden Wirkungen der Federelemente 14 sind stattdessen durch unterschiedliche Breiten B1,B2,Bx der Federelemente 14 realisiert, also durch unterschiedliche Ausdehnungen der Federelemente 14 in eine Querrichtung 18 quer zur Bogenrichtung 16 quer zur Verbindungsrichtung 6.
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Dabei entspricht im Ausführungsbeispiel die größte Breite B1 etwa dem doppelten der kleinsten Breite B2. Zwischen dem Federelement 14 mit der größten Breit B1 und dem Federelement 14 mit der kleinsten Breite B2 ist zudem noch ein Federelement 14 mit einer mittleren Breite Bx angeordnet.
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Unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Zellverbinders 10 und insbesondere der Federelemente 14 des Zellverbinders 10 werden der mittels der Federelemente 14 Krafteinwirkungen, die beispielsweise durch Volumenänderungen bei den Akkumulatorzellen 4 hervorgerufen werden, kompensiert und kleinere Schwankungen bei den Abständen x zwischen zwei unmittelbar benachbarten und über den Zellverbinder 10 miteinander verbundenen Zellterminals 8 ermöglicht, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Zellverbinder 10 oder eine der Akkumulatorzellen 4 beschädigt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Akkumulatormodul
- 4
- Akkumulatorzelle
- 6
- Verbindungsrichtung
- 8
- Zellterminal
- 10
- Zellverbinder
- 12
- Anschluss
- 14
- Federelement
- 16
- Bogenrichtung
- 18
- Querrichtung
- H1
- größte Bogenhöhe
- H2
- mittlere Bogenhöhe
- H2
- kleinste Bogenhöhe
- B1
- größte Breite
- Bx
- mittlere Breite
- B2
- kleinste Breite
- X
- Abstand zwischen zwei Zellterminals
