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Die vorliegende Erfindung betrifft zum einen eine neuartige Temperierungs- und Entgasungsanordnung für Energiespeicherzellen eines Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie zum anderen einen Energiespeicher, insbesondere einen Energiespeicher für den Automotive-Bereich, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17 unter Verwendung des neuartigen Zellkontaktierungssystems.
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Technologischer Hintergrund
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Zentraler Punkt in der Entwicklung von elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmitteln, z. B. Elektrofahrzeugen, ist der Energiespeicher. Hierzu werden Energiespeicher mit einer hohen Leistungs- und Energiedichte benötigt. Energiespeicher bestehen regelmäßig aus einer Mehrzahl von einzelnen Energiespeicherzellen (z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen), die untereinander elektrisch verbunden sind. Energiespeicher benötigen in der Regel ein Temperaturmanagement, um ihren Betrieb in einem optimierten Temperaturbereich zu gewährleisten. Die Energiespeicherzellen haben üblicherweise einen engen Arbeitstemperaturbereich (z. B. zwischen +15 °C und +45 °C). Die funktionale Sicherheit, Lebensdauer und Zyklenfestigkeit der Energiespeicherzelle und damit auch die funktionale Sicherheit des gesamten Energiespeichers hängen wesentlich davon ab, dass die Energiespeicherzelle diesen Bereich nicht verlässt. Übersteigt die Temperatur eine kritische Marke, kommt es zum sogenannten „Thermal Runaway“. Beim Thermal Runaway wird eine unaufhaltsame Kettenreaktion in Gang gesetzt. Dabei steigt die Temperatur innerhalb von Millisekunden extrem an und die in der Energiespeicherzelle gespeicherte Energie wird schlagartig freigesetzt. So können Temperaturen bis zu 400 °C entstehen. Der Inhalt des Energiespeichers wird gasförmig und es kommt zu einem Brand, der mit herkömmlichen Mitteln schwierig zu löschen ist. Die Gefahr eines Thermal Runaway beginnt ab einer bestimmten Temperatur (z. B. 60 °C) und wird ab einer weiteren Temperaturschwelle (z. B. 100 °C) extrem kritisch. Infolgedessen wird bei Energiespeichern, insbesondere Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, ein Energiespeichermanagementsystem eingesetzt, mit dem nicht nur das Lade- und Entladeverhalten der Energiespeicherzellen gesteuert bzw. geregelt wird, sondern auch Maßnahmen in Bezug auf das Temperaturmanagement sowie Notfallmanagement im Falle eines Thermal Runaways getroffen werden. Um bei einem thermischen Durchgehen ein gezieltes Austreten von Gasen zu gewährleisten, können die gasdicht versiegelten Energiespeicherzellen Entgasungsöffnungen aufweisen. Die Entgasungsöffnungen können beispielsweise als Sollbruchstellen ausgeführt sein, die ab einem bestimmten Innendruck Gase aus dem Inneren der Energiespeicherzelle an die Umgebung entweichen lassen. Die austretenden Gase können Elektrolyte enthalten, die mit Wasser zu Flusssäure reagieren können. Um die Gefahr für umliegende Bauteile und/oder Personen zu reduzieren, müssen solche Gase kontrolliert und gezielt abgeführt werden.
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Zur elektrischen Verbindung der Energiespeicherzellen weisen Energiespeicher sogenannte Zellverbinder auf, die je nach Schaltungstyp zwei oder mehrere Pole von zwei oder mehreren Energiespeicherzellen elektrisch miteinander verbinden. Bei einer Reihenschaltung wird beispielsweise jeweils die Anode einer Energiespeicherzelle mit der Kathode einer anderen Energiespeicherzelle verbunden. Um den Ladezustand jeder Energiespeicherzelle überwachen und regeln zu können, kann jeder Zellverbinder elektrisch mit der Steuer- und/oder Regelungselektronik des Energiespeichers verbunden sein. Dadurch kann die Zellspannung jeder einzelnen Energiespeicherzelle gemessen und über die Zellspannung der Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzelle abgeleitet werden. Des Weiteren können auch Sensoren, z. B. Temperatursensoren zur Überwachung der Oberflächentemperatur der Energiespeicherzellen, vorgesehen sein, welche mit der Steuer- und/oder Regelungselektronik verbunden sind. Die Steuer- und/oder Regelungselektronik befindet sich bei bisherigen Lösungen in einer eigenständigen Baugruppe.
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Druckschriftlicher Stand der Technik
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Die
DE 10 2007 063 178 A1 offenbart eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie. Die Batterie umfasst eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Einzelzellen. Die Wärmeleitplatte weist Bohrungen und/oder Einschnitte im Bereich der Pole der Einzelzellen auf, durch welche die Pole der Einzelzellen hinein- bzw. hinausragen. Die Wärmeleitplatte ist zwischen den Einzelzellen und auf den Polen aufgesetzten Kontaktierungselementen angeordnet. Als Kontaktierungselemente sind zur elektrischen Verbindung der Pole der Einzelzellen polweise angeordnete elektrische Zellverbinder und/oder eine Zellverbinderplatine vorgesehen. Ferner können sich an der Oberseite der Wärmeleitplatte elastische Elemente und/oder Kontaktierungselemente befinden. Diese Folge dieser einzelnen Schichten muss bei der Montage über Schrauben mit den Einzelzellen verspannt werden. Die Montage ist demzufolge aufwendig.
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Die
DE 10 2009 046 385 A1 offenbart eine Batterie mit einem Entgasungssystem. Das Entgasungssystem befindet sich auf der den Polen der Batteriezellen gegenüberliegenden Seite. Dort befindet sich hierzu eine eigens hierfür vorgesehene Grundplatte mit Durchlässen für Entgasungsöffnungen sowie einem Sammelbecken zum Auffangen der Gase aus den Batteriezellen.
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Die
DE 10 2012 219 784 A1 offenbart ein Batteriemodul, das einen Gaskanal, eine Leiterplatte und ein Batteriemodulgehäuse, welches eine Vielzahl von Batteriezellen aufnimmt, aufweist. Der Gaskanal wird durch ein U-Profil mit Durchgangsöffnungen zu den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen sowie eine das U-Profil auf der den Entgasungsöffnungen abgewandten Seite verschließende Leiterplatte gebildet. Die Leiterplatte bildet somit eine Wand des Gaskanals und kann direkt in Berührung mit dem Gas kommen, wenn Gas aus einer Gasaustrittsöffnung einer Batteriezelle austritt. Bei der Montage wird die Leiterplatte direkt an den Stromschienen befestigt. Das U-Profil ist nicht direkt mit den Stromschienen verbunden. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass austretendes Gas die ungeschützte Platine zerstören kann. Eine Steuerung und/oder Regelung des Batteriemoduls ist in diesem Fall nicht mehr gewährleistet. Weiterhin ist keine aktive Temperierung der Batteriezellenoberfläche oder der Zellverbinder vorgesehen.
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Die
EP 3 316 384 A1 offenbart eine Platinenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist eine starre Platine für eine Steuer- und/oder Regelungselektronik vorgesehen, an der direkt Zellverbinder zum Verbinden der Energiespeicherzellen flächig aufgebracht sind. Durch diese direkte Verbindung der Zellverbinder mit der Steuer- und/oder Regelungselektronik findet eine direkte Wärmeübertragung von den elektrischen Anschlüssen der Energiespeicherzellen zur Steuer- und/oder Regelungselektronik statt. Eine solche Anordnung führt zu unvermeidbaren Messabweichungen bei der Spannungs- und Temperaturmessung. Ferner ist eine C-förmige, flexible, ein Temperatursensorelement tragende Leiterplatte an der starren Platine fixiert. Die flexible Leiterplatte erstreckt sich durch eine schlitzförmige Durchgangsöffnung in der starren Platine hindurch. Die Konstruktion ist, sowohl was die Herstellung der Einzelteile anbelangt als auch was die Endmontage anbelangt, aufwendig und kostspielig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Temperierungs- und Entgasungsanordnung für Energiespeicherzellen zur Verfügung zu stellen, die den Montageaufwand reduziert und einen geringen Bauraum benötigt.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 17 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Erfindungsgemäß umfasst die Trägerstruktur mindestens einen Trägerstruktur-integrierten Entgasungskanal zur Ableitung von aus den Energiespeicherzellen austretenden Gasen. Der mindestens eine Entgasungskanal und der mindestens eine Temperierungskanal bilden somit einen integralen Bestandteil der Trägerstruktur und somit ein integriertes kompaktes, skalierbares Zellkontaktierungssystem. Dadurch, dass sowohl der mindestens eine Temperierungskanal als auch der Entgasungskanal integraler Bestandteil der Trägerstruktur ist, kann der Montageaufwand bei der Komplettierung eines Energiespeichers erheblich reduziert werden. Darüber hinaus wird die Funktionssicherheit des Energiespeichers erhöht und eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums erreicht. Der Entgasungskanal ermöglicht einen gezielten Abtransport von heißen Gasen während eines thermischen Durchgehens des Energiespeichers. Darüber hinaus bietet die Trägerstruktur die Möglichkeit, zusätzliche Funktionsteile (wie z.B. eine Platine oder bedruckte Schaltung), die die Steuer- und Regelungselektronik des Energiespeichers bzw. der einzelnen Energiespeicherzellen tragen, auf der Rückseite des Entgasungskanals befestigen zu können. Im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen kann die Teilevielzahl reduziert werden.
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In vorteilhafter Weise sind der mindestens eine Entgasungskanal sowie der mindestens eine Temperierungskanal jeweils in die Trägerstruktur eingeformt. Hierdurch ist die Trägerstruktur als Einzelbauteil ausgestaltet und kann in einem einzigen Fertigungsschritt produziert werden. Zudem wird aufgrund der Einstückigkeit mangels Verbindungsstellen der verschiedenen Kanäle eine höhere Funktionssicherheit erreicht.
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Zweckmäßiger Weise kann der Entgasungskanal an der ersten Seite der Trägerstruktur offen ausgestaltet ist. Der Entgasungskanal ist somit als einseitig offene Ausnehmung der Trägerstruktur ausgebildet, wobei im montierten Zustand die Oberseite des Energiespeichers bzw. seiner Energiespeicherzellen dem Entgasungskanal gegenüberliegen. Bei einer Entgasung können somit bei einfacher Konstruktion der Trägerstruktur ohne zusätzliche Bauteile austretende Gase im Entgasungskanal aufgefangen und abgeleitet werden. Im Bereich des Entgasungskanals befinden sich an den Energiespeicherzellen entsprechende Sollbruchstellen, die dafür sorgen, dass bei einem thermischen Durchgehen gezielt an diesen Stellen Gase austreten und über den Entgasungskanal abgeführt werden können. Die Oberfläche der Energiespeicherzellen begrenzt somit den Entgasungskanal an der der Trägerstruktur gegenüberliegenden Seite des Entgasungskanals. Die Trägerstruktur benötigt somit keine Öffnungen, die den Sollbruchstellen örtlich zugeordnet sind.
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Zweckmäßigerweise weist die Trägerstruktur eine den Entgasungskanal begrenzende Wand auf, deren dem Entgasungskanal gegenüberliegende Seite als Montagegrund für weitere Bauteile dient. Die vorgenannte Seite der Wand kann somit zur Montage weiterer Komponenten des Zellkontaktierungssystems, beispielsweise zur Montage einer Platine oder gedruckten Schaltung, die die Steuer- und/oder Regelungselektronik umfasst, und/oder zur Montage von Sensoranordnungen, beispielsweise Sensoranordnungen zur Bestimmung der Temperatur des Energiespeichers, dienen. Die Wand erfüllt daher eine Doppelfunktion. Durch die Wand ist z.B. die Platine oder gedruckte Schaltung vor thermischen und/oder chemischen Einflüssen geschützt.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Wand zwischen zwei Temperierungskanälen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Wand einen eine Montageausnehmung bildenden Versatz aufweist. Die weiteren Komponenten des Zellkontaktierungssystems können dadurch versenkt in der Montageausnehmung montiert werden. Diese sind dadurch geschützt. Gleichzeitig wird hierdurch der Bauraum reduziert und gleichzeitig die mechanische Stabilität der Trägerstruktur erhöht.
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Zweckmäßigerweise kann die Trägerstruktur, vorzugsweise im Bereich der Montageausnehmung, Befestigungs- und/oder Zentrierungsmittel und/oder Durchgangsöffnungen und/oder Abstandshalter für eine Platine bzw. gedruckte Schaltung aufweisen. Diese dienen zur Erleichterung der Montage, erhöhen die Sicherheit der montierten Anordnung bzw. gewährleisten eine Beabstandung der Steuer- und/oder Regelungselektronik bzw. deren Platine an deren Unterseite hin zur Wand.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Innenseite des Entgasungskanals eine Schutzschicht insbesondere gegen Hitze und/oder abrasive Medien und/oder chemische Einflüsse (z.B. durch Säuren) auf. Zusätzlich kann auch die Unterseite des jeweiligen Temperierungskanals eine Schutzschicht aufweisen.
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Die Schutzschicht kann eine aufgetragene Beschichtung (z.B. eine flüssige aushärtbare Beschichtung, z. B. Lacke unter Zugabe von Keramikpartikel, aufgeschäumte und ausgehärtete Beschichtung oder z.B. eine Pulverschichtung) oder eine auf die Wand bzw. den betreffenden Wandabschnitt aufgesetzte und/oder mit ihr verbundene Schicht (z.B. eine Mica-Platte, eine Keramikfaser-, eine Glasfaser-, eine Kohlenstoff-Matte oder eine Korkplatte) sein.
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Der mindestens eine Temperierungskanal sowie Temperierungsleitungen, die an den mindestens einen Temperierungskanal anschließen, sind vorzugsweise an allen Schnittstellen dicht ausgeführt.
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Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Wand zwischen zwei oder mindestens zwei Temperierungskanälen. Die Temperierungskanäle befinden sich vorzugsweise jeweils im äußeren Bereich der Trägerstruktur.
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Die Trägerstruktur ermöglicht es auch, dass sich zwischen zwei randseitigen Temperierungskanälen ein dritter oder ein dritter und vierter Temperierungskanal befindet. Hierdurch kann vorteilhaft zusätzlich eine Temperierung der an der Oberseite der Trägerstruktur angeordneten Platine erfolgen.
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Die Trägerstruktur ermöglicht es, dass die Zellverbinder sowie die Trägerstruktur zu einer gemeinsam montierbaren Baugruppe verbunden sein können. Die Zellverbinder dienen dazu, eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen herbeizuführen und werden daher an den Polkontakten derselben fixiert, z.B. angeschweißt oder verschraubt. Indem die Zellverbinder sowie die Trägerstruktur zu einer gemeinsam montierbaren Baugruppe verbunden sind, kann somit eine vorkonfektionierte Baugruppe geschaffen werden. Durch die Montage der Zellverbinder an den Energiespeicherzellen kann die Trägerstruktur mit dem Entgasungskanal, den Temperierungskanälen und der Platine in einem einzigen Arbeitsgang montiert werden. Das Zellkontaktierungssystem kann somit vorteilhaft als vorkonfektionierte Montagebaugruppe vorgehalten werden.
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Ferner kann der mindestens eine Temperierungskanal seitlich zu seiner Längsachse angeordnete Durchgangsöffnungen aufweisen. Diese können dazu dienen, die Zellverbinder und/oder umspritzte Kühlgeometrien der Zellverbinder aufzunehmen und/oder diese dort zu fixieren.
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Dadurch, dass die Trägerstruktur als Formteil, vorzugsweise als Spritzgussteil oder als Strangpressteil ausgebildet ist, können die erforderlichen Geometrien einfach umgesetzt werden.
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Kunststoff bietet eine hohe Korrosionsbeständigkeit, thermische Isolationsfähigkeit sowie elektrische Isolationsfähigkeit bei geringem Gewicht. Außerdem kann ein elektrisch leitfähiges Fluid in den Temperierungskanälen verwendet werden. Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung bieten den Vorteil einer erhöhten mechanischen Beständigkeit. Bei Verwendung von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung ist jedoch ein nicht elektrisch leitfähiges Fluid zur Temperierung zu verwenden.
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Beispielsweise handelt es sich bei der Trägerstruktur um eine Profilstruktur, vorzugsweise eine Hohlprofilstruktur.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Erfindungsgemäß umfasst der Energiespeicher ein Zellkontaktierungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichers mit einem Zellkontaktierungssystem;
- 2 eine perspektivische Längsschnittdarstellung des Ausführungsbeispiels des Energiespeichers aus 1 entlang der Schnittlinie A-A;
- 3 eine stirnseitige Ansicht des Ausführungsbeispiels des Zellkontaktierungssystems aus 1;
- 4a eine perspektivische Darstellung der Trägerstruktur des Zellkontaktierungssystems aus 1;
- 4b eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Trägerstruktur;
- 4c eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Trägerstruktur;
- 5 eine perspektivische Darstellung des Zellkontaktierungssystems aus 1 als montierbare Baugruppe;
- 6a eine perspektivische Darstellung der die Steuer- und Regelungselektronik der Energiespeicherzellen bzw. des Energiespeichers umfassenden Platine des Zellkontaktierungssystems aus 1 mit daran fixierten Temperatursensoranordnungen;
- 6b eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Platine des Zellkontaktierungssystems mit daran fixierten Temperatursensoranordnungen;
- 7a eine perspektivische Darstellung einer Temperatursensoranordnung des Zellkontaktierungssystems aus 1;
- 7b eine Schnittdarstellung der Temperatursensoranordnung aus 7a;
- 8a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperatursensoranordnung für ein Zellkontaktierungssystem;
- 8b eine Schnittdarstellung der Temperatursensoranordnung aus 8a;
- 9a eine perspektivische Detaildarstellung der Temperatursensoranordnung aus 7a bzw. 7b im montierten Zustand;
- 9b eine perspektivische Detaildarstellung der Temperatursensoranordnung aus 7b im montierten Zustand;
- 10a eine perspektivische Darstellung der Platinenanordnung aus Platine und Zusatzplatine des Zellkontaktierungssystems aus 1;
- 10b eine perspektivische Darstellung der Platinenanordnung aus Platine und Zusatzplatine des Zellkontaktierungssystems aus 1;
- 11a eine Draufsicht auf das Zellkontaktierungssystem aus 1 unter Weglassung der Trägerstruktur;
- 11b eine perspektivische Darstellung des Zellkontaktierungssystems aus 1 unter Weglassung der Trägerstruktur;
- 12a eine perspektivische Teildarstellung der Platinenanordnung aus 1 im Bereich der Abstandshalter;
- 12b eine perspektivische Teildarstellung der Platinenanordnung aus 1 im Bereich der Verbindung von Platine und Zusatzplatine;
- 12c eine perspektivische Teildarstellung einer alternativen Ausgestaltung der Platinenanordnung im Bereich der Verbindung von Platine und Zusatzplatine;
- 13a eine perspektivische Detaildarstellung eines Zellverbinders aus 1;
- 13b eine perspektivische Detaildarstellung eines anschlussseitigen Zellverbinders aus 1;
- 14a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperierstruktur eines Zellverbinders;
- 14b eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperierstruktur eines Zellverbinders;
- 14c eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperierstruktur eines Zellverbinders;
- 14d eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperierstruktur eines Zellverbinders;
- 15a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Zellverbinders;
- 15b eine Seitenansicht des Zellverbinders nach 15a;
- 16a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Zellverbinders;
- 16b eine Seitenschnittansicht des Zellverbinders nach 16a;
- 17a eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Zellverbinders; sowie
- 17b eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Zellverbinders ohne Temperierstruktur.
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Die Bezugsziffer 3 in 1 bezeichnet einen Energiespeicher 3 in seiner Gesamtheit. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Batterie z. B. für ein Elektrofahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. Der Energiespeicher 3 weist eine Mehrzahl von in einer Reihenschaltung aneinandergereihten Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z auf. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet ein Beispiel eines Zellkontaktierungssystems, welches dazu vorgesehen ist, die einzelnen Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z untereinander elektrisch zu verbinden.
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Die Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z weisen jeweils zwei Polkontakte 22a, 22b auf (von denen in 2 lediglich ein Polkontakt 22a zu sehen ist), nämlich einen Polkontakt 22a für eine Anode sowie einen Polkontakt 22b für eine Kathode. Die Polkontakte 22a, 22b können eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweisen bzw. als Plättchen ausgebildet sein.
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Das Zellkontaktierungssystem 1 umfasst ferner eine Trägerstruktur 13 sowie an der Trägerstruktur 13 angebrachte Zellverbinder 11a, 11b, die zur elektrischen Kontaktierung und Verbindung der einzelnen Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z dienen. Des Weiteren ist auf der Trägerstruktur 13 eine Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 positioniert, die elektrisch über Verbindungselemente 15 mit den Zellverbindern 11a, 11b verbunden ist. Die Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 umfasst eine mit entsprechenden elektronischen Bauteilen 162 bestückte Platine 161 a, die mit der Trägerstruktur 13 verbunden ist.
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Da die Zellverbinder 11a, 11b mit dem Zellkontaktierungssystem 1 verbunden sind, kann das komplette Zellkontaktierungssystem 1 über die Zellverbinder 11a, 11b an den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z des Energiespeichers 3 befestigt werden. Die Zellverbinder 11a, 11b können hierzu beispielsweise mit den Polkontakten 22a, 22b verschweißt werden. Das Zellkontaktierungssystem 1 kann hierdurch als zusammengesetzte Baugruppe vorgehalten werden und im Rahmen einer automatisierten Fertigungsstraße als eine Einheit in einem Arbeitsschritt auf den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z montiert werden.
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Das Zellkontaktierungssystem 1 umfasst jeweils nachstehend näher beschriebene Temperierungskanäle 131 sowie einen Entgasungskanal 132, die erfindungsgemäß in die Trägerstruktur 13 integriert sind. Die Temperierungskanäle 131 dienen dazu, ein (in den Figuren nicht dargestelltes) gasförmiges oder flüssiges Fluid zur Temperierung des Energiespeichers 3 durch Letztere hindurchzuleiten. Der Entgasungskanal 132 dient dazu, bei einem sog. „thermischen Durchgehen“ (engl. „thermal runaway“) des Energiespeichers 3 freiwerdende Gase kontrolliert abzuführen. Eine Entgasungsöffnung 21 ist aus 2 ersichtlich. Sie mündet in den Entgasungskanal 132. Die Entgasungsöffnung 21 kann beispielsweise als Sollbruchstelle ausgebildet sein, sodass im Fall des „thermischen Durchgehens“ die im Inneren der Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z entstehenden Gase an dieser Stelle entweichen können.
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Im Ausführungsbeispiel sind beispielhaft vierzehn Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z dargestellt, die durch das Zellkontaktierungssystem 1 in einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Die Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z sind hierzu jeweils gedreht zueinander angeordnet, sodass dem Polkontakt 22a der Anode der Energiespeicherzelle 2a der Polkontakt 22b der Kathode der danebenliegenden Energiespeicherzelle 2b gegenüberliegt bzw. dem Polkontakt 22b der Kathode der Energiespeicherzelle 2b der Polkontakt 22a der Anode der danebenliegenden Energiespeicherzelle 2a gegenüberliegt. Der Polkontakt 22b der Kathode der ersten Energiespeicherzelle 2a ist mit dem endständigen Zellverbinder 11b verbunden. Der Polkontakt 22a der Anode der ersten Energiespeicherzelle 2a ist über den Zellverbinder 11a mit dem Polkontakt 22b der Kathode der danebenliegenden, zweiten Energiespeicherzelle 2b verbunden. Der Polkontakt 22a der Anode der zweiten Energiespeicherzelle 2b ist wiederum über einen Zellverbinder 11a mit dem Polkontakt 22b der Kathode der dritten Energiespeicherzelle verbunden, usw. Der Polkontakt 22a der Anode der letzten Energiespeicherzelle 2z ist mit dem Zellverbinder 11b verbunden. Die Zellverbinder 11b sind dazu vorgesehen, den Energiespeicher 3 elektrisch mit einem nicht dargestellten elektrischen Verbraucher, z. B. dem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs, zu verbinden. Die beiden Zellverbinder 11b bilden somit die Energiespeicheranschlüsse, d. h. die Kathode und Anode des gesamten Energiespeichers 3.
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In alternativen Ausgestaltungen eines Energiespeichers 3 kann auch eine andere Anzahl von Energiespeicherzellen vorgesehen sein und/oder die Energiespeicherzellen können durch das Zellkontaktierungssystem 1 parallel geschaltet werden. Hierzu können die Zellverbinder 11a, 11b beispielsweise die elektrischen Anschlüsse 22a der Anoden von zwei oder mehr Energiespeicherzellen bzw. die elektrischen Anschlüsse 22b der Kathoden von zwei oder mehr Energiespeicherzellen miteinander verbinden. Die Energiespeicherzellen können auch gleich orientiert, d. h. nicht gedreht, aneinandergereiht angeordnet sein, sodass die elektrischen Anschlüsse der Kathoden der Energiespeicherzellen des Energiespeichers 3 entlang einer ersten Linie angeordnet sind und die elektrischen Anschlüsse der Anoden der Energiespeicherzellen entlang einer parallel zur ersten Linie verlaufenden zweiten Linie angeordnet sind.
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3 zeigt das Zellkontaktierungssystem 1 in stirnseitiger Ansicht. Die Trägerstruktur 13 weist eine erste, dem Energiespeicher 3 bzw. den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z zugewandte Seite 137, die als Montageseite auf dem (in 3 nicht dargestellten) Energiespeicher 3 bzw. den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z dient, sowie eine dem Energiespeicher 3 bzw. den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z abgewandte zweite Seite 138 auf. Weiterhin weist die Trägerstruktur 1 zwei seitliche im Bereich der Zellverbinder befindliche Temperierungskanäle 131 auf. Dazwischen befindet sich der Entgasungskanal 132. Die Temperierungskanäle 131 und der Entgasungskanal 132 sind erfindungsgemäß in die Trägerstruktur 1 eingeformt.
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Der Entgasungskanal 132 wird durch die seitlichen, einander gegenüberliegenden Temperierungskanäle 131 sowie durch eine Wand 139, die zwischen den Temperierungskanälen 131 verläuft, gebildet. Der Entgasungskanal 132 ist an der ersten Seite 137 der Trägerstruktur 13 in Richtung der Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z, hin offen. Dadurch können im montierten Zustand des Zellkontaktierungssystems 1 Gase aus den Entgasungsöffnungen 21 der Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z in den Entgasungskanal 132 gelangen und von dort kontrolliert abgeführt werden. Hierdurch wird der Schutz von Fahrzeuginsassen erhöht.
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Die Trägerstruktur 13 ist, wie aus 4a ersichtlich, als Formteil, insbesondere als Spritzgussteil oder Strangpressteil, vorzugsweise insbesondere als ein Kunststoffspritzgussteil oder ein Kunststoffstrangpressteil ausgestaltet. Die Trägerstruktur 13 kann als Profilstruktur, vorzugsweise als Hohlprofilstruktur, ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Zellkontaktierungssystem 1 mit einem vergleichsweise niedrigen Gewicht geschaffen werden.
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Die Trägerstruktur 13 ist im Bereich der ersten Seite 137 mit einer Schutzschicht 133 (siehe 3) insbesondere gegen Hitze und/oder abrasive Medien und/oder chemische Einflüsse (z. B. durch Säuren) versehen. Die Schutzschicht 133 kann aus einem hitze- und/oder säurebeständigem Material bestehen. Die Schutzschicht 133 kann entweder eine aufgetragene Beschichtung (z. B. eine flüssige, aushärtbare Beschichtung, z. B. ein Lack unter Zugabe von Keramikpartikel, eine aufgeschäumte und ausgehärtete Beschichtung oder eine Pulverschichtung) oder eine auf die Wand aufgesetzte Schicht (z. B. Mica-Platten, Keramikfaser-, Glasfaser- oder Kohlenstoff-Matten oder Korkplatten) sein oder eine Kombination davon sein. Die Schutzschicht kann (wie aus den Figuren nicht ersichtlich) bei Bedarf auch zusätzliche unter den Temperierungskanälen 131a, 131b vorgesehen sein.
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Die Temperierungskanäle 131 sind jeweils durch eine Hohlkammer gebildet. Die Temperierungskanäle 131 weisen, wie aus 3 ersichtlich, seitliche Durchgangsöffnung 140 auf, in welche mit einer Kühlstruktur 12 umspritzte Zellverbinder 11a, 11b eingesetzt und befestigt sind. Die Kühlstruktur 12 kann z. B. mit der Trägerstruktur 1 verklebt und/oder verschweißt sein. Die Durchgangsöffnung 140 ist auf diese Weise dicht verschlossen. Die Kühlstruktur 12 der Zellverbinder 11a, 11b wird von dem Fluid zur Temperierung in den Temperierungskanälen 131 umspült und stehen in thermischem Kontakt mit dem Fluid.
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Des Weiteren weist die Trägerstruktur 13 an der zweiten, zum Entgasungskanal 132 gegenüberliegenden Seite 138 eine Montageausnehmung 135 auf. Diese wird durch einen Versatz der Wand 139 gebildet. Die Montageausnehmung 135 dient zur besonders platzsparenden Positionierung der Steuer- und/oder Regelungselektronik 16. An dem Montagegrund der Montageausnehmung 139 können Befestigungs- und/oder Zentrierungsmittel 136 zur Befestigung und/oder Zentrierung der Platine der Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 vorgesehen sein. Es können zudem Abstandshalter 136a vorgesehen sein, die eine Beabstandung der Unterseite der Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 bzw. deren Platine 161a zum Montagegrund der Montageausnehmung 139 bewirken. Durch die Montageausnehmung 135 wird ein flacher Aufbau des Zellkontaktierungssystems 1 ermöglicht. Der die Montageausnehmung 135 bildende Versatz der Wand 139 dient auch dazu, die mechanische Stabilität der Trägerstruktur 13 zu erhöhen. Der Versatz wirkt dabei wie eine Sicke, d. h. eine rinnenförmige Versteifung, wodurch das Flächenträgheitsmoment der Trägerstruktur 13 erhöht wird. Die Trägerstruktur 13 kann damit beispielsweise einer bei einer Entgasung der Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z auftretenden Druckerhöhung im Entgasungskanal 132 besser standhalten. Weiterhin weist die Wand 139 Durchgangsöffnungen 141 für Temperatursensoranordnungen 17a, 17b und/oder für eine Kontaktierung einer Sensorplatine 18a, 18b auf.
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Die Platine 161a weist beispielsweise Bohrungen auf, über die die Platine 161a auf die Befestigungs- und/oder Zentrierungsmittel 136, im Ausführungsbeispiel als „Dome“ ausgestaltet, aufgesteckt wird. Die Enden der Dome können anschließend zu Pilzköpfen gestaucht werden, wodurch die Platine 161a auf der Trägerstruktur 13 befestigt wird.
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Bei Bedarf können auch mehr als zwei Temperierungskanäle 131 in die Trägerstruktur 13 eingeformt sein. Beispielsweise kann sich, wie in 4b dargestellt, ein zusätzlicher Temperierungskanal 131 in der Mitte an der Unterseite der Wand 139 befinden, wodurch die Wand 139 zwischen den beiden äußeren Temperierungskanälen 131 und damit eine an der Oberseite befindliche Platine zusätzlich temperiert werden kann.
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Gemäß der Ausgestaltung nach 4c ist jeweils im Seitenbereich ein zweiter Temperierungskanal 131 vorgesehen.
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5 zeigt das erfindungsgemäße Zellkontaktierungssystem 1 als vormontierte die Zellverbinder 11a, 11b, die Temperierungskanäle 131, den Entgasungskanal 132 sowie die Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 mitumfassende Baugruppe. Das Zellkontaktierungssystem 1 vereinfacht die Fertigung von Energiespeichern 3 ganz erheblich, indem lediglich eine Montage der Zellverbinder an den Energiespeicherzellen z. B. über eine Verschweißung erfolgen kann.
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Alternativ können die Zellverbinder auch mit den Energiespeicherzellen verschraubt oder verlötet sein.
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An den Zellverbindern 11a, 11b können Durchgangsöffnungen 111, beispielsweise Durchgangsbohrungen, vorgesehen sein. Diese können als Revisionsöffnungen dienen. Weiterhin können durch diese Durchgangsöffnungen 111 bei Bedarf auch Messleitungen an unter den Durchgangsöffnungen 111 befindlichen Gewindebohrungen an den Polkontakten 22a, 22b angebracht werden. Dadurch kann beispielsweise die Kontaktierung der Zellverbinder 11a, 11b mit den Polkontakten 22a, 22b geprüft werden.
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Alternativ könnten die Zellverbinder 11a, 11b bei Bedarf auch über die Durchgangsöffnungen 111 mit den Polkontakten 22a, 22b verbunden, z.B. verschraubt, werden.
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Die 6a und 6b zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Temperatursensoranordnungen 17a, 17b zur Erfassung der Temperatur an einer nicht dargestellten Oberseite 23 einer Energiespeicherzelle 2a, 2b, 2z. In den Ausführungsbeispielen ist die Temperatursensoranordnung 17a an der Platine 161a und die Temperatursensoranordnung 17b an der Platine 161b über je eine Schnappverbindung montiert. Die Platine 161b kann auch für Temperatursensoranordnungen 17a vorgesehen sein.
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Die 7a und 7b zeigen eine perspektivische Darstellung sowie eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Temperatursensoranordnung 17a.
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Die Temperatursensoranordnung 17a weist eine flexible Sensorplatine 176a mit einem auf der Sensorplatine 176a integrierten Sensorelement 171a sowie ein Gehäuseformelement 172a zur Montage an der Platine 161a, 161b aus den 6a, 6b auf.
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Das Gehäuseformelement 172a umfasst eine Führungsrinne 179a für die flexible Sensorplatine 176a und dient damit der Positionierung und Halterung des Sensorelements 171a. Weiterhin weist das Gehäuseformelement 172a eine Basis 178a mit Verbindungsmitteln 175a und einen elastisch auslenkbaren Federarm 177a auf. Die Verbindungsmittel 175a sind als Schnappverbindung mit zwei federnden Rastarmen ausgestaltet. Sie dienen zur Verbindung mit der Platine 161a aus 6a. An den Verbindungsmitteln 175a sind ferner Stufen 178c vorgesehen, die als Anlage an der Unterseite der Platine 161a dienen.
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Die Sensorplatine 176a besitzt elektrische Anschlüsse 174a, die über nicht dargestellte Leiterbahnen elektrisch mit dem Sensorelement 171a verbunden sind.
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Zudem ist ein elastisches, thermisch leitendes Kontaktelement 173a an der Unterseite der Temperatursensoranordnung 17a im Bereich des Sensorelements 171a vorgesehen, um Spaltbildung zu vermeiden und die zu erfassende Temperatur der Energiespeicherzellen auf das Sensorelement 171a zu übertragen.
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9a zeigt die Temperatursensoranordnung 17a der 7a und 7b im montierten Zustand ohne die Trägerstruktur 13. Die Rastarme durchgreifen an der Platine 161a vorgesehene Aussparungen und bewirken so eine mechanische Verbindung mit der Platine 161a. Der Federarm drückt das Sensorelement 171a auf die Oberseite 23 der Energiespeicherzelle 2a. Die elektrischen Anschlüsse 174a erstrecken sich durch die Platine 161a durch eine schlitzförmige Aussparung 162a und sind mit der Platine 161a verbunden, beispielsweise über Lötflächen verlötet.
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Bei der Montage der Temperatursensoranordnung 17a kann zunächst das Gehäuseformelement 172a mit der Sensorplatine 161a verbunden werden. Die Sensorplatine 176a kann anschließend von der dem Gehäuseformelement 172a gegenüberliegenden Seite durch die schlitzförmige Aussparung 162a der Platine 161a in die Führungsrinne 179a des Gehäuseformelements 172a eingeführt werden. Nachdem die Sensorplatine 176a in der Führungsrinne 179a positioniert ist, können die elektrischen Anschlüsse 174a der Sensorplatine 176a mit der Platine 161a verbunden werden. Dadurch wird die Handhabung erleichtert. Zudem kann die Montage dadurch automatisiert werden.
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Wie aus 3 ersichtlich, erstreckt sich die Temperatursensoranordnung 17a durch die Durchgangsöffnung 141 (vgl. 4a) der Trägerstruktur 13 hindurch und kann auf diese Weise im Entgasungskanal 132 positioniert werden. Die Trägerstruktur 13 bewirkt eine thermische Trennung der Platine 161a von dem Sensorelement 171a. Dadurch bleibt die Platine 161a selbst bei einer thermischen Zerstörung der Temperatursensoranordnung 17a intakt und der Defekt der Temperatursensoranordnung 17a, 17b kann von der Steuer- und/oder Regelungselektronik 16 noch detektiert werden. Die Stufen 178c liegen an der Unterseite der Platine 161a an.
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Die Basis 178a ist dazu vorgesehen, die Durchgangsöffnung 141 der Trägerstruktur an deren erster Seite 137 abzudecken bzw. zu verschließen. Ein Durchströmen von Gasen durch die Durchgangsöffnung 141 wird so verhindert oder zumindest reduziert.
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Die 8a und 8b zeigen eine perspektivische Darstellung sowie eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Temperatursensoranordnung 17b.
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Die Temperatursensoranordnung 17b weist ein Sensorelement 171b sowie ein Gehäuseformelement 172b auf. Das Gehäuseformelement 172b umfasst eine Basis 178b mit Verbindungsmitteln 175b und einer Stufe 178d, die einen entsprechenden Aufbau und die gleiche Funktion wie die Basis 178a, die Verbindungsmittel 175a und die Stufe 178c der Temperatursensoranordnung 17a gemäß 7a und 7b aufweisen.
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Das Gehäuseformelement 172b der Temperatursensoranordnung 17b weist bei dieser Ausgestaltung eine Kammer 176b zur Positionierung des Sensorelements 171b auf. Die Kammer 176b ist auf der der Platine 161a, 161b, 161c zugewandten Seite offen. Dadurch kann das Sensorelement 171b in die Kammer 176b geschoben werden.
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Das Sensorelement 171b kann ein bedrahtetes elektronisches Bauelement für eine Durchsteckmontage (engl. through-hole technology, THT) mit zwei elektrischen Anschlüssen 174b sein.
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An der den elektrischen Anschlüssen 174b abgewandten Seite des Gehäuseformelements 172b befindet sich ein Kontaktelement 173b, das das Sensorelement 171a zumindest teilweise umschließt. Das Kontaktelement 173b besteht aus einem elastischen, wärmeleitfähigem Material. Ferner wird das Kontaktelement 173b von der Kammer 176b teilweise umschlossen und liegt an einem Absatz in der Kammer 176b an.
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9b zeigt die Temperatursensoranordnung 17b aus den 8a und 8b im montierten Zustand ohne die Trägerstruktur 13.
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Die Temperatursensoranordnung 17b ist mechanisch per Schnappverbindung über die Verbindungsmittel 175b mit der Platine 161b verbunden.
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Zur Verbindung der elektrischen Anschlüsse 174b kann die Platine 161b beispielsweise Kontaktlöcher mit Kontaktnieten aufweisen. Durch diese können die elektrischen Anschlüsse 174b gesteckt und von der dem Sensorelement 171b gegenüberliegenden Seite mit der Platine 162b verlötet werden.
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Das in 9b durch das Gehäuseformelement 172b verdeckte Kontaktelement 173b wird gestaucht bzw. komprimiert. Dadurch kann das Sensorelement 171b mit einer gewissen Anpresskraft auf die Oberseite 23 der Energiespeicherzelle 2a drückend installiert werden.
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Die Temperatursensoranordnung 17b kann als zusammengestellte Baugruppe an der Platine 161b montiert werden.
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Durch das Andrücken der Temperatursensoranordnungen 17a, 17b wird ein guter thermischer Kontakt gewährleistet. Zudem können beispielsweise Fertigungstoleranzen, thermische Ausdehnungen oder Relativbewegungen der Bauteile zueinander ausgeglichen werden.
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In dem Zellkontaktierungssystem 1 kann eine der beiden Temperatursensoranordnungen 17a, 17b oder eine Kombination beider vorgesehen sein.
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Bei einer Platine kann es sich um eine Leiterplatte, d. h. eine gedruckte Schaltung (engl. printed circuit board) zum Tragen von elektronischen Bauteilen handeln.
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Die 10a und 10b zeigen eine Platinenanordnung des Zellkontaktierungssystems 1 in Form der Platine 161a mit einer Zusatzplatine 18a, auf der sich Sensorelemente 181b und in 10b von Kontaktelementen 173c verdeckte Sensorelemente 181a, wie z. B. Temperatursensorelemente, Gassensorelemente, Feuchtigkeitssensorelemente oder Drucksensorelemente, befinden. 2 und 3 zeigen die Positionierung der Platinenanordnung gemäß den 10a und 10b auf den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z des Energiespeichers 3.
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Die 11a und 11b zeigen die Positionierung der Platinenanordnung gemäß den 10a und 10b auf den Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z eines Energiespeichers 3 unter Weglassung der Trägerstruktur 13 aus Darstellungsgründen. Mit der Platinenanordnung können Sensoren für unterschiedliche Parameter, z. B. für Temperatur, für Gas, für Druck und/oder für Feuchtigkeit, entlang der Oberfläche des Energiespeichers 3 positioniert werden.
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Die 12a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Zusatzplatine 18a gemäß den 10a und 10b im Bereich des Abstandshalters 19.
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Die 12b zeigt die Kontaktierungsmittel 182a zwischen Platine 161a und Zusatzplatine 18a in einer vergrößerten Darstellung.
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Die 12c zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Platine 161c und einer Zusatzplatine 18b mit alternativen Kontaktierungsmitteln 182b.
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Die Zusatzplatine 18a und die Platine 161a sind gemäß 10a bzw. 10b zueinander beabstandet, vertikal zueinander versetzt und über Kontaktierungsmittel 182a elektrisch miteinander verbunden. Die Kontaktierungsmittel 182a erstrecken sich im montierten Zustand des Zellkontaktierungssystems 1 durch eine Durchgangsöffnung 141 der Trägerstruktur 13 (s. 3). In vorteilhafter Weise kann dadurch die Zusatzplatine 18a auf der dem Energiespeicher zugewandten Seite 137 der Trägerstruktur 13 innerhalb des Entgasungskanals 132 positioniert werden. Dadurch erfolgt eine thermische Trennung der Zusatzplatine 18a von der Platine 161a durch die Wand 139 und /oder die Schutzschicht 133 der Trägerstruktur 13.
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Die Zusatzplatine 18a in 10a, 10b ist plattenförmig ausgestaltet und über Abstandshalter 19 mechanisch mit der Trägerstruktur 13 verbunden. Die Abstandshalter 19 weisen gemäß 12a auf der der Zusatzplatine 18a zugewandten Seite und auf der der Trägerstruktur 13 zugewandten Seite jeweils Verbindungsmittel 191 auf. Die Verbindungselemente 191 können als Schnappverbindung mit zwei Rastarmen ausgestaltet sein. Die Rastarme sind federnde Elemente, die jeweils die Zusatzplatine 18a und die Trägerstruktur 13 durchgreifen können, um eine mechanische Verbindung mit der Zusatzplatine 18a und der Trägerstruktur 13 zu bewirken. Die Zusatzplatine 18a kann hierzu Aussparungen 184 und die Trägerstruktur 13 kann hierzu Aussparungen 142 (siehe 2) aufweisen, in die die Verbindungselemente 191 eingreifen können.
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Auf der Zusatzplatine 18a sind Sensorelemente 181a, 181b vorgesehen, die über nicht dargestellte Leiterbahnen und über die Kontaktierungsmittel 182a, 181b elektrisch mit der Platine 161a verbunden sind. Die Sensorelemente 181a, 181b können beispielsweise SMD-Bauteile sein, die an Lötflächen mit der Zusatzplatine 18a verlötet sind.
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Gemäß 10a befindet sich das Sensorelement 181b auf der der Platine 161a zugewandten Seite der Zusatzplatine 18a. Das Sensorelement 181b kann beispielsweise ein einen Umgebungsparameter messendes Sensorelement sein, z. B. ein Temperatursensorelement, ein Gassensorelement, ein Feuchtigkeitssensorelement oder ein Drucksensorelement. Das Sensorelement 181b steht im montierten Zustand des Zellkontaktierungssystems 1 nicht in direktem Kontakt mit einer Energiespeicherzelle. Dadurch kann mit dem Sensorelement 181b beispielweise eine Gastemperatur, eine Gaszusammensetzung, eine Feuchtigkeit oder ein Druck im Entgasungskanal 132 gemessen werden. Das Sensorelement 181b kann ebenso ein elektronisches Bauteil sein, das eine Mehrzahl von Umgebungsparametern erfassen kann.
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Wie in 12a gezeigt, befindet sich das Sensorelement 181a auf der der Platine abgewandten bzw. der den Energiespeicherzellen zugewandten Seite der Zusatzplatine 18a. Das Sensorelement 181a kann beispielsweise ein Temperatursensorelement, z. B. ein als SMD-Bauteil ausgestalteter Pt-100-Widerstand, sein. Auf dem Sensorelement 181a befindet sich ein Kontaktelement 173c, das mit dem Sensorelement 181a in Kontakt steht (in 12a vergrößert und beabstandet dargestellt). Das Kontaktelement 173c besteht aus einem thermisch leitfähigen, elastischen Material. Bei der Montage des Zellkontaktierungssystems 1 auf den Energiespeicherzellen des Energiespeichers 3 kann das Kontaktelement 173c gestaucht bzw. komprimiert werden. Dadurch kann das Sensorelement 181a mit einer gewissen Anpresskraft auf die Oberseite 23 der Energiespeicherzelle gedrückt werden. Dazu können sich die Sensorelemente 181a in vorteilhaften Weise im Bereich der Abstandshalter 19 befinden. Durch das Anpressen des Sensorelements 181a wird ein thermischer Kontakt gewährleistet. Zudem können beispielsweise Fertigungstoleranzen, thermische Ausdehnungen oder Relativbewegungen der Bauteile zueinander ausgeglichen werden.
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Die Kontaktierungsmittel 182a, 182b sind gemäß 12b sowie 12c emporragende Leiterstege 183a, 183b, die beispielsweise mit Lötflächen auf der Zusatzplatine 18a, 18b verlötet sein können.
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Gemäß 12b weist die Platine 161a Durchgangsöffnungen für die Kontaktierungsmittel 182a sowie eine Kontaktierungsleiste 163a auf. Die Kontaktierungsleiste 163a kann mit der Platine 161a verlötet sein. Die Leiterstege 183a können in die Kontaktierungsleiste 163a gesteckt sein. Die Kontaktierungsleiste 163a kann hierzu beispielsweise Federkontakte aufweisen.
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Gemäß 12c weist die Platine 161c Press-fit-Durchgangsöffnungen für die Kontaktierungsmittel 182b auf. Die Leiterstege 183b können in die Press-fit-Durchgangsöffnungen gepresst werden.
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Die Zusatzplatine 18b ist im Bereich der Kontaktierungsmittel 182b anders ausgestaltet als die Zusatzplatine 18a.
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Die 13a und 13b zeigen Zellverbinder 11a, 11b zur elektrischen Kontaktierung der Polkontakte 22a, 22b der Energiespeicherzellen 2a, 2a, 2z. Im Ausführungsbeispiel sind zwei endständige Zellverbinder 11b sowie dreizehn Zellverbinder 11a gezeigt.
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Die Zellverbinder 11a sind dazu vorgesehen, jeweils einen Polkontakt 22a einer Energiespeicherzelle, z. B. 2a, mit einem Polkontakt 22b von einer benachbarten Energiespeicherzelle, z. B. 2b, miteinander elektrisch zu verbinden. Die Zellverbinder 11a weisen hierfür einen Grundkörper 110 mit einer ersten Kontaktfläche 112a und einer zweiten Kontaktfläche 112b auf, die jeweils mit einem Polkontakt 22a, 22b verbunden, z. B. verschweißt, werden.
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Die beiden Zellverbinder 11b sind dafür vorgesehen, an der ersten Energiespeicherzelle 2a und der letzten Energiespeicherzelle 2z ein Kontaktierungsmittel zu einem nicht dargestellten elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs, oder zu einem benachbarten Energiespeicher bereitzustellen. Die Zellverbinder 11b weisen einen Grundkörper 113 mit einer Kontaktfläche 112a auf, die mit dem Polkontakt 22b der Kathode der ersten Energiespeicherzelle 2a bzw. dem Polkontakt 22a der Anode der letzten Energiespeicherzelle 2z verbunden, z. B. verschweißt, ist. Weiterhin weist der Grundkörper 113 einen Stromabgriff 110d auf. Die Stromabgriffe 110d der beiden Zellverbinder 11b bilden damit die Anschlüsse der Anode und Kathode des Energiespeichers 3.
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Der Grundkörper 110, 113 des Zellverbinders 11a, 11b besteht aus einem elektrisch leitendenden Flachmaterial mit vorzugsweise gleichbleibender Schichtdicke, z. B. einem Blech. Der Grundkörper 110, 113 weist eine erste Seite S1, S1' und eine zweite Seite S2, S2' auf und ist jeweils im Bereich der zweiten Seite S2, S2' in einem Teilbereich 110a mit einer die Oberfläche des Zellverbinders 11 a, 11b vergrößernden Temperierstruktur 12 umspritzt. Die Temperierstruktur 12 weist beispielsweise eine Mehrzahl von zueinander parallel verlaufenden Temperierrippen 124a auf.
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Bei der Temperierstruktur 12 handelt es sich vorzugsweise um ein thermisch leitendes, elektrisch isolierendes Material, insbesondere um Kunststoff.
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Bei dem Zellverbinder 11a erstreckt sich die Temperierstruktur 12 entlang der gesamten Länge L1 der ersten Seite S1. Bei dem Zellverbinder 11b erstreckt sich die Temperierstruktur 12 lediglich entlang der Länge L2 der ersten Seite S1` im Bereich der Kontaktfläche 112a.
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Zwischen den Kontaktflächen 112a, 112b des Zellverbinders 11a kann eine Aussparung 114 vorgesehen sein. Einerseits wird durch diese Aussparung der Stromfluss und die dadurch entstehende Wärme in den von der Temperierstruktur 12 umspritzten Teilbereich 110a verlagert. Andererseits weist der Grundkörper 110 dadurch eine höhere Elastizität auf. Thermische Ausdehnungen oder Relativbewegungen der benachbarten Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z zueinander können dadurch besser ausgeglichen werden.
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Ferner können die Grundkörper 110, 113 der Zellverbinder 11a, 11b Aussparungen 115, in Form von z. B. halbmondförmigen Durchgangsöffnungen, aufweisen. Diese erhöhen ebenfalls die Elastizität der Grundkörper 110, 113.
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Die 14a bis 14d zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Temperierstruktur 12. Als Temperierstruktur können Temperierwellenstrukturen 124b, Temperiernoppen 124c, Temperierstifte 124d oder Temperierstege 124e vorgesehen sein.
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Die 15a, 15b, 17a, 17b, 17a, 17b zeigen alternative Ausgestaltungen von Zellverbindern 11a, bei denen ein zusätzliches Kontaktelement 121a, 121b, 121c vorgesehen ist, das mit der Oberseite 23 der Energiespeicherzelle über eine Kontaktfläche 122a, 122b, 122c in unmittelbarem Kontakt steht. Dadurch kann eine Temperierung der Energiespeicherzellen 2a, 2b, 2z erfolgen.
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Das Kontaktelement 121a der Temperierstruktur 12 von 15a und 15b ist hierbei derart um den Endbereich des Grundkörpers 110 gespritzt, dass dessen Kontaktfläche 122a auf der Oberfläche der Energiespeicherzellen 2a, 2b aufliegt bzw. die Höhe der Polkontakte 22a, 22b, vgl. 15a, 15b überbrückt.
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16a und 16b sowie die 17a und 17b zeigen zwei weitere alternative Ausgestaltungen von Zellverbindern 11a mit einem Kontaktelement 121b, 121c, beispielsweise einem Kontaktblech.
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Gemäß 16a und 16b ist das Kontaktelement 121b von der Temperierstruktur 12 umspritzt und weist einen Versatz 127a auf. Der Versatz 127a kann im Wesentlichen die gleiche Höhe wie die Polkontakte 22a, 22b bezüglich der Oberfläche 23 aufweisen. Dadurch können der Grundkörper 110 und das Kontaktelement 121b z. B. auf einer Ebene miteinander verbunden werden mit der Folge, dass das Kontaktelement 121b unmittelbar auf der Oberseite der Energiespeicherzellen aufliegt. Zwischen dem Grundkörper 110 und dem Kontaktelement 121b ist ein Spalt 129a vorgesehen, sodass der Grundkörper 110 und das Kontaktelement 121b nicht in direktem Kontakt zueinanderstehen. Der Grundkörper 110 und das Kontaktelement 121b sind über die Temperierstruktur 12 miteinander verbunden. Durch eine elektrisch nicht leitende Temperierstruktur 12 können der Grundkörper 110 und das Kontaktelement 121b, 121c somit elektrisch voneinander isoliert werden. Bei dem Kontaktelement 121b kann es sich um dasselbe Material wie beim Grundkörper 110 handeln.
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Die Variante der 17a und 17b weist einen zusätzlichen Versatz 127b zwischen den beiden Kontaktflächen 112a, 112b auf. Das Kontaktelement 121c erstreckt sich bis zu den Entgasungsöffnungen 21 und umgibt die Polkontakte 22a, 22b der Energiespeicherzellen 2a, 2b. Durch den zusätzlichen Versatz 127b kann die Wärmeleitung zwischen dem Kontaktelement 121c und der Temperierstruktur 12 sowie die mechanische Stabilität des Zellverbinders 11a zusätzlich erhöht werden.
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Der Versatz 127a, 127b kann beispielsweise durch zwei Abkantungen eines plattenförmigen Rohmaterials, z. B. einem Blech, erzeugt werden, wie sich dies aus 17b ergibt, in der die Temperierstruktur aus darstellerischen Gründen weggelassen ist.
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Der Grundkörper 110 und die Kontaktelemente 121b, 121c können vorteilhaft aus einem gemeinsamen plattenförmigen Rohling hergestellt, beispielsweise geschnitten oder gestanzt, werden.
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Bei den endständigen Zellverbindern 11b können ebenso entsprechende Kontaktelemente vorgesehen sein. Die Geometrie des Kontaktelements für einen Zellverbinder 11b kann in einfacher Weise an die Geometrie des Zellverbinder 11b angepasst werden.
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Die Zellverbinder 11a, 11b können eine Schnittstelle zu einem Temperierungskanal 131 aufweisen und mit diesem vorzugsweise im Bereich der Temperierstruktur 12 verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt, sein. Die Durchgangsöffnungen 140 der Trägerstruktur 13 können hierfür seitlich in Richtung der Polkontakte und/oder in Richtung des Entgasungskanals und/oder in Richtung der Batteriespeicherzellen angeordnet sein.
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Die Temperierstruktur 12 der Zellverbinder kann die Durchgangsöffnungen 140 der Trägerstruktur 13 verschließen. Zudem kann die Temperierstruktur 12 das Grundelement 110, 113 und/oder das Kontaktelement 121b, 121c von einem in dem Temperierungskanal 131 befindlichen Temperierfluid isolieren. Dadurch kann beispielsweise ein Fluid aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit vorgesehen sein. Die Temperierstruktur 12 kann ebenso das Grundelement 110, 113 und/oder das Kontaktelement 121b, 121c von der Trägerstruktur 13 isolieren. Alternativ könnte das Trägerelement bei dieser Variante beispielsweise aus einem Metall, z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen.
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Alternativ können die Ausgestaltungen der Zellverbinder 11a, 11b auch ohne einen Temperierungskanal 131 genutzt werden. Dabei kann beispielsweise die Umgebungsluft zur Temperierung dienen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Zellkontaktierungssystem
- 2a
- erste Energiespeicherzelle
- 2b
- zweite Energiespeicherzelle
- 2z
- letzte Energiespeicherzelle
- 3
- Energiespeicher
- 4a
- Platinenanordnung
- 4b
- Platinenanordnung
- 11a
- Zellverbinder
- 11b
- Zellverbinder
- 111
- Durchgangsöffnung
- 110
- Grundkörper
- 113
- Grundkörper
- 110a
- Teilbereich
- 110d
- Stromabgriff
- 112a
- Kontaktfläche
- 112b
- Kontaktfläche
- 12
- Temperierstruktur
- 121a
- Kontaktelement
- 121b
- Kontaktelement
- 121c
- Kontaktelement
- 122a
- Kontaktfläche
- 122b
- Kontaktfläche
- 122c
- Kontaktfläche
- 124a
- Temperierrippen
- 124b
- Temperierwellenstruktur
- 124c
- Temperiernoppen
- 124d
- Temperierstifte
- 124e
- Temperierstege
- 127a
- Versatz
- 127b
- Versatz
- 129a
- Spalt
- 129b
- Spalt
- 13
- Trägerstruktur
- 131
- Temperierungskanal
- 132
- Entgasungskanal
- 133
- Schutzschicht
- 135
- Montageausnehmung
- 136
- Befestigungs- und/oder Zentrierungsmittel
- 136a
- Abstandshalter
- 137
- erste Seite
- 138
- zweite Seite
- 139
- Wand
- 140
- Durchgangsöffnung
- 141
- Durchgangsöffnung
- 142
- Aussparung
- 15
- Verbindungselemente
- 16
- Steuer- und/oder Regelungselektronik
- 161a
- Platine
- 161b
- Platine
- 161c
- Platine
- 162
- Elektronische Bauelemente
- 162a
- Aussparung
- 163a
- Kontaktierungsleiste
- 17a
- Temperatursensoranordnung
- 17b
- Temperatursensoranordnung
- 171a
- Temperatursensorelement
- 171b
- Temperatursensorelement
- 172a
- Gehäuseformelement
- 172b
- Gehäuseformelement
- 173a
- Kontaktelement
- 173b
- Kontaktelement
- 173c
- Kontaktelement
- 174a
- Anschlüsse
- 174b
- Anschlüsse
- 175a
- Verbindungsmittel
- 175b
- Verbindungsmittel
- 176a
- Platine
- 177a
- Federarm
- 178a
- Basis
- 178b
- Basis
- 178c
- Stufe
- 178d
- Stufe
- 179a
- Führungsrinne
- 18a
- Zusatzplatine
- 18b
- Zusatzplatine
- 181a
- Sensorelement
- 181b
- Sensorelement
- 182a
- Kontaktierungsmittel
- 182b
- Kontaktierungsmittel
- 183a
- Leiterstege
- 183b
- Leiterstege
- 184
- Aussparungen
- 19
- Abstandshalter
- 191
- Verbindungsmittel
- 21
- Entgasungsöffnung
- 22a
- Polkontakt
- 22b
- Polkontakt
- 23
- Oberseite
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063178 A1 [0004]
- DE 102009046385 A1 [0005]
- DE 102012219784 A1 [0006]
- EP 3316384 A1 [0007]
