Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a battery according to the features of the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2013 225 574 A1 beschrieben, ein elektrisches Energiespeichersystem mit einem Latentwärmespeicher bekannt. Der Latentwärmespeicher umfasst mindestens ein Phasenwechselmaterial, welches ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkane mit einer Kohlenstoffkettenlänge von ≥ 16 Kohlenstoffatomen bis ≤ 24 Kohlenstoffatomen und Mischungen davon, und/oder welches mit mindestens einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden, anorganischen Füllstoff gemischt ist.From the prior art, as in the DE 10 2013 225 574 A1 described, an electrical energy storage system with a latent heat storage known. The latent heat storage comprises at least one phase change material which is selected from the group of alkanes having a carbon chain length of ≥ 16 carbon atoms to ≤ 24 carbon atoms and mixtures thereof, and / or which is mixed with at least one thermally conductive, electrically insulating, inorganic filler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved battery.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a battery with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine Batterie umfasst zumindest einen Zellblock aus einer Mehrzahl von Einzelzellen, zumindest eine Kühleinheit und zumindest eine Temperiereinheit.A battery comprises at least one cell block of a plurality of individual cells, at least one cooling unit and at least one temperature control unit.
Erfindungsgemäß ist die auch als Kühlmasse oder passive Wärmesenke bezeichnete Kühleinheit durch ein Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur einmalig und irreversibel aktivierbar, wobei die Kühleinheit an einer der Temperiereinheit gegenüberliegenden Seite des Zellblocks angeordnet ist und wobei zwischen mindestens einem Paar benachbarter Einzelzellen ein Wärmeleitelement angeordnet ist, welches mit der Kühleinheit und der Temperiereinheit thermisch gekoppelt ist.According to the invention, the cooling unit, which is also referred to as a cooling mass or passive heat sink, can be activated once and irreversibly by exceeding a predetermined temperature, the cooling unit being arranged on a side of the cell block opposite the tempering unit, and a heat-conducting element being arranged between at least one pair of adjacent individual cells the cooling unit and the temperature control unit is thermally coupled.
Mittels der Kühleinheit werden die Einzelzellen bei einer zu starken Erwärmung, bei welcher die vorgegebene Temperatur überschritten wird, gekühlt, um eine exotherme Reaktion der Zellchemie und/oder eine massive Überhitzung der Einzelzellen und/oder ein Freisetzen von Gasen und Substanzen aus den Einzelzellen und/oder eine Explosion der Einzelzellen zu vermeiden. Derartige Reaktionen, welche auch als Thermal Runaway bezeichnet werden, sind beispielsweise die Folge einer Fehlfunktion, zum Beispiel einer Überladung, eines Kurzschlusses oder eines in die jeweilige Einzelzelle eindringenden elektrisch leitfähigen Fremdkörpers.By means of the cooling unit, the individual cells are cooled in an excessive heating, in which the predetermined temperature is exceeded, to an exothermic reaction of cell chemistry and / or massive overheating of the individual cells and / or release of gases and substances from the individual cells and / or to avoid an explosion of single cells. Such reactions, which are also referred to as thermal runaway, are for example the result of a malfunction, for example an overload, a short circuit or an electrically conductive foreign body penetrating into the respective individual cell.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Batterie, 1 a schematic representation of an embodiment of a battery,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 2 a schematic representation of another embodiment of a battery,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 3 a schematic representation of another embodiment of a battery,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 4 a schematic representation of another embodiment of a battery,
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 5 a schematic representation of another embodiment of a battery,
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 6 a schematic representation of another embodiment of a battery,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie, 7 a schematic representation of another embodiment of a battery,
8 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Wärmeleitelements, 8th schematically a perspective view of a heat conducting element,
9 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellhalters, 9 schematically a perspective view of a cell holder,
10 schematisch eine Querschnittdarstellung des Zellhalters aus 9, 10 schematically a cross-sectional view of the cell holder from 9 .
11 schematisch eine perspektivische Darstellung des Zellhalters aus den 9 und 10 und zweier in dem Zellhalter anzuordnender Einzelzellen, 11 schematically a perspective view of the cell holder from the 9 and 10 and two individual cells to be arranged in the cell holder,
12 schematisch eine perspektivische Darstellung des Zellhalters und der darin angeordneten Einzelzellen aus 11, 12 schematically a perspective view of the cell holder and the individual cells arranged therein 11 .
13 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Mehrzahl von Einzelzellen und zweier Stromkollektorendplatten eines Zellblocks, 13 FIG. 2 schematically a perspective view of a plurality of individual cells and two current collector end plates of a cell block, FIG.
14 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks vor einem Verspannen von Einzelzellen, 14 FIG. 2 is a schematic perspective view of a cell block before clamping individual cells. FIG.
15 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks sowie einer daran anzuordnenden Kühleinheit, Wärmeleitfolie und Temperiereinheit, 15 1 is a perspective view of a cell block and a cooling unit to be arranged thereon, heat conducting foil and tempering unit,
16 schematisch eine perspektivische Darstellung des Zellblocks aus 15 mit daran angeordneter Kühleinheit, Wärmeleitfolie und Temperiereinheit, und 16 schematically a perspective view of the cell block 15 with it arranged cooling unit, heat conducting film and tempering unit, and
17 schematisch eine Längsschnittdarstellung des Zellblocks aus 16. 17 schematically a longitudinal sectional view of the cell block 16 ,
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die 1 bis 7 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen einer Batterie 1, d. h. eines elektrochemischen Energiespeichers. Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer solchen Batterie 1 sind in den 8 bis 17 nochmals detailliert dargestellt.The 1 to 7 show schematic representations of various embodiments of a battery 1 ie an electrochemical energy store. Components of an embodiment of such a battery 1 are in the 8th to 17 shown again in detail.
Eine derartige Batterie 1 ist insbesondere als eine Batterie 1 für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug ausgebildet, insbesondere als eine Traktionsbatterie, d. h. als eine Batterie 1 zur Speicherung elektrischer Energie, welche insbesondere für eine Energieversorgung zumindest eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Batterie 1 ist dabei zweckmäßigerweise als eine so genannte Hochvoltbatterie oder HV-Batterie ausgebildet. Das Fahrzeug, für welches eine solche Traktionsbatterie vorgesehen ist, ist beispielsweise als ein Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Batterie 1 beispielsweise auch für Stationäranwendungen vorgesehen sein, beispielsweise als Stromversorger oder -speicher.Such a battery 1 is especially as a battery 1 designed for a vehicle not shown in detail, in particular as a traction battery, ie as a battery 1 for storing electrical energy, which is provided in particular for a power supply of at least one electric drive motor of the vehicle. The battery 1 is expediently designed as a so-called high-voltage battery or HV battery. The vehicle for which such a traction battery is provided is designed, for example, as an electric vehicle or as a hybrid vehicle. Alternatively or additionally, the battery 1 for example, be provided for stationary applications, for example as a power supplier or storage.
Derartige Batterien 1 umfassen mindestens eine Einzelzelle 2, zweckmäßigerweise jedoch eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen 2, welche in einem Zellblock 3 oder in mehreren Zellblöcken 3 angeordnet sind, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen 2 sowie Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, zur elektrischen Kontaktierung und gegebenenfalls zur Temperierung, d. h. zur Kühlung und/oder Heizung, aufweisen. Der Zellblock 3 oder die Zellblöcke 3 ist/sind zweckmäßigerweise in einem hier nicht näher dargestellten stabilen Batteriegehäuse angeordnet, welches zusätzlich erforderliche Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie 1, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und/oder Strommesser, sowie Anschlüsse nach außen aufweist, beispielsweise Anschlüsse zur Stromzuleitung und -ableitung, zur Kühlmittelzuführung und -abführung und/oder ein Anschluss einer Batteriesteuerung.Such batteries 1 comprise at least one single cell 2 , but expediently a plurality of individual cells electrically connected in series and / or in parallel with one another 2 which is in a cell block 3 or in several cell blocks 3 are arranged, each containing a certain number of single cells 2 as well as devices for their mechanical fixation, for electrical contacting and optionally for tempering, ie for cooling and / or heating. The cell block 3 or the cell blocks 3 is / are expediently arranged in a stable battery housing not shown here, which additionally required facilities for electrical control and protection of the battery 1 , For example, a battery management system, contactors for switching on and off of the power, fuses and / or ammeters, and outward connections, such as connections for power supply and discharge, for coolant supply and discharge and / or a connection of a battery control.
Eine mechanische Fixierung der Einzelzellen 2 zur Bildung des Zellblocks 3 erfolgt beispielsweise durch Zellhalter 4 in Rahmen-, Schalen- oder Gestellform, die zwischen den Einzelzellen 2 angeordnet sind und/oder diese jeweils am Rand umschließen. Quaderförmige Einzelzellen 2 mit dazwischen angeordneten Zellhaltern 4 sind im Zellblock 3 beispielsweise über durchgehende Spannelemente 5, zum Beispiel Zuganker, Gewindestangen, Spannbänder und/oder aufgeschweißte Verbindungsbleche, gegeneinander verpresst. Eine Einleitung der Spannkräfte in den Zellblock 3 erfolgt durch an stirnseitigen Enden desselben befindliche Druckbrillen 6. Die Zellhalter 4 fixieren die Einzelzellen 2 vorzugsweise kraftschlüssig durch Druck auf einen umlaufenden Rand und/oder auf eine Seitenfläche eines Zellgehäuses der jeweiligen Einzelzelle 2. In einer anderen Ausführungsform sind die Einzelzellen 2 auf die Zellhalter 4 aufgeklebt. Zur elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung der Einzelzellen 2 sind Zellpole 7 der Einzelzellen 2 direkt oder über einen elektrisch leitfähigen Zellverbinder verbunden.A mechanical fixation of the individual cells 2 to form the cell block 3 for example, by cell holder 4 in frame, shell or frame form, between the individual cells 2 are arranged and / or enclose them each at the edge. Rectangular single cells 2 with interposed cell holders 4 are in the cell block 3 for example, through continuous clamping elements 5 , For example, tie rods, threaded rods, straps and / or welded connection plates, pressed against each other. An introduction of the tension forces in the cell block 3 is done by at the front ends thereof located pressure goggles 6 , The cell holders 4 fix the single cells 2 preferably non-positively by pressure on a peripheral edge and / or on a side surface of a cell housing of the respective single cell 2 , In another embodiment, the single cells are 2 on the cell holder 4 glued. For electrical series and / or parallel connection of the individual cells 2 are cell poles 7 of the single cells 2 connected directly or via an electrically conductive cell connector.
Durch eine Überladung, einen Kurzschluss oder durch einen eindringenden elektrisch leitfähigen Fremdkörper, welches im Rahmen einer Erprobung/Zertifizierung durch den sogenannten Nageltest simuliert wird, kann es zu einer schlagartigen Freisetzung in der jeweiligen Einzelzelle 2 enthaltener Energie mit der Folge einer starken Wärmeentwicklung kommen. Bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur setzt eine exotherme Reaktion der Zellchemie ein, wobei unter anderem Sauerstoff aus in der Zellchemie enthaltenen Metalloxiden freigesetzt wird. Dies kann zu einer massiven Überhitzung und durch Ausgasungen bzw. durch verdampfende Materialien zur Explosion der jeweiligen Einzelzelle 2 führen. Dieser Vorgang wird auch als Thermal Runaway bezeichnet.An overcharge, a short circuit or a penetrating electrically conductive foreign body, which is simulated by the so-called nail test as part of a test / certification, can lead to a sudden release in the respective individual cell 2 contained energy with the result of a strong heat. When a certain temperature is exceeded, an exothermic reaction of cell chemistry sets in, inter alia, releasing oxygen from metal oxides contained in the cell chemistry. This can lead to massive overheating and outgassing or by evaporating materials to the explosion of the respective single cell 2 to lead. This process is also known as thermal runaway.
Bei der aus Bauraumgründen erforderlichen hohen Packungsdichte innerhalb eines Zellblocks 3 können die sich dicht nebenan befindenden benachbarten Einzelzellen 2 ebenfalls überhitzt werden, mit der Folge eines Thermal Runaway der gesamten Batterie 1.In the case of space reasons required high packing density within a cell block 3 may be the adjacent single cells adjacent to each other 2 also overheating, resulting in a thermal runaway of the entire battery 1 ,
Zu Lösung dieses Problems wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, zwischen den Einzelzellen 2 thermische Isolationselemente, zum Beispiel aus Glas- oder Keramikfasern oder Mineralwolle, anzuordnen, wie in 6 der DE 10 2008 034 699 B4 gezeigt, oder zwischen den Einzelzellen 2 Luftspalte vorzuhalten.To solve this problem has been proposed in the prior art, between the individual cells 2 thermal insulation elements, for example of glass or ceramic fibers or mineral wool, to be arranged, as in 6 of the DE 10 2008 034 699 B4 shown, or between the individual cells 2 Air gaps.
Bei quaderförmigen Einzelzellen 2, zum Beispiel bei so genannten Pouchzellen, prismatischen Hardcasezellen oder bipolaren Rahmenflachzellen, können zur technischen Umsetzung der thermischen Isolation der Einzelzellen 2 gegeneinander in den Zellhaltern 4 beispielsweise brandmauerartige Schottwände angeordnet sein, die jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Einzelzellen 2 im Zellblock 3 angeordnet sind. Des Weiteren können mattenartige Materialien flächig zwischen den Einzelzellen 2 angeordnet sein und schädliche Wärme beispielsweise durch eine eingebrachte Kühlmasse aufnehmen, welche sich chemisch umwandelt.For cuboidal single cells 2 For example, in the case of so-called pouch cells, prismatic hardcase cells or bipolar frame flat cells, technical implementation of the thermal insulation of the individual cells is possible 2 against each other in the cell holders 4 For example, firewall-like bulkheads may be arranged, each after a certain number of individual cells 2 in the cell block 3 are arranged. Furthermore, mat-like materials can be flat between the individual cells 2 be arranged and absorb harmful heat, for example, by an introduced cooling mass, which is chemically converted.
Nachteilig ist, dass die oben genannten Lösungen eine Länge des Zellblocks 3 vergrößern bzw. dass sich in dem in Längsrichtung zur Verfügung stehenden Bauraum im Zellblock 3 nur relativ dünne Isolationselemente oder wenige Schottwände einbringen lassen, die keine hinreichende thermische Isolationswirkung erzielen und/oder wodurch in einem jeweiligen thermisch abgeschotteten Bereich zu viele Einzelzellen 2 angeordnet sind, die gegeneinander nicht thermisch abgeschottet sind.The disadvantage is that the solutions mentioned above a length of the cell block 3 enlarge or that in the longitudinal direction available space in the cell block 3 allow only relatively thin insulation elements or a few bulkheads bring in, which do not achieve a sufficient thermal insulation effect and / or which in a respective thermally sealed area too many individual cells 2 are arranged, which are not thermally sealed against each other.
Die 1 bis 17 zeigen eine wesentlich vorteilhaftere Lösung dieses Problems. Hierzu ist seitlich am Zellblock 3, d. h. an einer oberen, unteren oder seitlichen Längsseite, zumindest eine Kühleinheit 8 angeordnet, auch als Kühlmasse oder passive Wärmesenke bezeichnet, wie in den 1 bis 7 und 15 bis 17 gezeigt. Bei mehreren Kühleinheiten 8 können diese alle auf einer Seite des Zellblocks 3 angeordnet sein, wie in den 1 bis 5 gezeigt, oder auf verschiedenen Seiten des Zellblocks 3 angeordnet sein. Die zumindest eine Kühleinheit 8 ist zweckmäßigerweise über zumindest ein Wärmeleitelement 9, das vorzugsweise zwischen Flächen benachbarter Einzelzellen 2 angeordnet ist, thermisch an die Einzelzellen 2 angekoppelt. Alternativ oder zusätzlich kann/können an einer stirnseitigen Einzelzelle 2 oder an beiden stirnseitigen Einzelzellen 2 des Zellblocks 3, jeweils an einer stirnseitigen Seite der jeweiligen Einzelzelle 2, ebenfalls ein solches Wärmeleitelement 9 angeordnet sein.The 1 to 17 show a much more advantageous solution to this problem. For this purpose is laterally on the cell block 3 , ie at an upper, lower or lateral longitudinal side, at least one cooling unit 8th arranged, also referred to as a cooling mass or passive heat sink, as in the 1 to 7 and 15 to 17 shown. For several cooling units 8th These can all be on one side of the cell block 3 be arranged as in the 1 to 5 shown, or on different sides of the cell block 3 be arranged. The at least one cooling unit 8th is expediently via at least one heat conducting element 9 , preferably between areas of adjacent single cells 2 is arranged, thermally to the individual cells 2 coupled. Alternatively or additionally, can / can on a frontal single cell 2 or on both end individual cells 2 of the cell block 3 , in each case on a front side of the respective single cell 2 , also such a heat conducting element 9 be arranged.
Unter einer passiven Wärmesenke wird dabei ein Stoff oder ein Stoffgemisch, d. h. eine Kühlmasse, verstanden, welcher/welches kapazitiv oder ablativ Wärme aufnimmt, wobei vorzugsweise ein Phasenübergang eintritt, zum Beispiel durch Verdampfung oder Sublimation oder welcher/welches Kälte durch einen endothermen chemischen Prozess erzeugt, zum Beispiel durch eine aktivierte Kältemischung aus Wasser und Salz, wie Wasser und Ammoniumthiocyanat oder aus zwei Salzen, wie Bariumhydroxid-Octahydrat und Ammoniumchlorid.Under a passive heat sink is a substance or mixture of substances, d. H. a cooling mass, understood which / which capacitively or ablatively absorbs heat, wherein preferably a phase transition occurs, for example by evaporation or sublimation or which / which generates cold by an endothermic chemical process, for example by an activated cold mix of water and salt, such as Water and ammonium thiocyanate or two salts, such as barium hydroxide octahydrate and ammonium chloride.
Der Stoff oder das Stoffgemisch kann beispielsweise als ein Phasenwechselmaterial (PWM) ausgebildet sein, auch als Phase Change Material (PCM) bezeichnet.The substance or the substance mixture can be formed, for example, as a phase change material (PWM), also referred to as phase change material (PCM).
Beruht die Wirkung der Kühleinheit 8, d. h. der passiven Wärmesenke, auf einem einmaligen Prozess, zum Beispiel Ausdampfung, Sublimation oder ein irreversibler chemischer Prozess, dann wird die Kühleinheit 8 zweckmäßigerweise erst bei unzulässig hohen Temperaturen, zum Beispiel über 80°C, aktiviert, d. h. die Kühleinheit 8 ist vorteilhafterweise durch ein Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur einmalig und irreversibel aktivierbar.Is based on the effect of the cooling unit 8th ie the passive heat sink, on a one-time process, for example evaporation, sublimation or an irreversible chemical process, then the cooling unit becomes 8th expediently activated only at unacceptably high temperatures, for example above 80 ° C, ie, the cooling unit 8th is advantageously by a predetermined temperature exceeded once and irreversibly activated.
Enthält das Stoffgemisch zur Kühlung eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, dann ist diese Flüssigkeit vorzugsweise chemisch gebunden, beispielsweise als so genanntes Kristallwasser in Hydraten, wie zum Beispiel Natriumsulfat-Decahydrat bzw. Glaubersalz, oder das Stoffgemisch ist von einer Umhüllung umgeben, beispielsweise von einem Beutel aus einer dünnen Kunststofffolie, von einer Kunststoffumspritzung oder Kunststoffbeschichtung. Die Umhüllung ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sie ein Ausdampfen der Flüssigkeit in einem Normalbetrieb der Batterie 1 im Wesentlichen verhindert und erst bei höheren Temperaturen aufgelöst wird, zweckmäßigerweise bei der oben genannten vorgegebenen Temperatur, bei deren Überschreiten die Kühleinheit 8 aktiviert werden soll.Contains the mixture for cooling a liquid, for example water, then this liquid is preferably chemically bonded, for example as so-called water of crystallization in hydrates, such as sodium sulfate decahydrate or Glauber's salt, or the mixture is surrounded by an envelope, for example of a Bag made of a thin plastic film, a plastic extrusion or plastic coating. The enclosure is expediently designed such that it evaporates the liquid during normal operation of the battery 1 essentially prevented and only dissolved at elevated temperatures, expediently at the abovementioned predetermined temperature, when exceeded, the cooling unit 8th should be activated.
Da die Kühleinheit 8, d. h. die passive Wärmesenke, am Zellblockrand angeordnet ist, d. h. seitlich am Zellblock 3, vergrößert sich dessen Länge nicht.Because the cooling unit 8th , ie, the passive heat sink, is located on the cell block edge, ie laterally on the cell block 3 , its length does not increase.
Das zumindest eine Wärmeleitelement 9 ist beispielsweise in Blechform, d. h. als Kühlblech, oder in Stabform, d. h. als Kühlstab, ausgebildet, zweckmäßigerweise aus Metall, zum Beispiel aus Aluminium. Dieses zumindest eine Wärmeleitelement 9 transportiert die Wärme von der Einzelzelle 2 oder von mehreren Einzelzellen 2 zu der am Rand des Zellblocks 3, d. h. an dessen Seite, angeordneten und als passive Wärmesenke ausgebildeten Kühleinheit 8.The at least one heat conducting element 9 is for example in sheet form, ie as a cooling plate, or in rod form, that is designed as a cooling rod, suitably made of metal, for example aluminum. This at least one heat conducting element 9 transports the heat from the single cell 2 or of several single cells 2 to the edge of the cell block 3 , ie on its side, arranged and designed as a passive heat sink cooling unit 8th ,
Diese Lösung wird vorzugweise bei so genannten Pouchzellen eingesetzt, da eine Zellhülle derartiger Pouchzellen aus einer Pouchfolie nicht in der Lage ist, Wärme in Querrichtung abzuleiten. In einer möglichen Ausführungsform ist zwischen jedem Paar benachbarter Einzelzellen 2 jeweils ein Wärmeleitelement 9 angeordnet, wie in 1 gezeigt. Des Weiteren ist an einer Stirnseite des Zellblocks 3 ebenfalls ein Wärmeleitelement 9 angeordnet. In 1 ist jedes Wärmeleitelement 9 mit einer eigenen Kühleinheit 8 thermisch gekoppelt.This solution is preferably used in so-called pouch cells, since a cell envelope of such pouch cells from a pouch foil is not able to dissipate heat in the transverse direction. In one possible embodiment, there is between each pair of adjacent single cells 2 one heat-conducting element each 9 arranged as in 1 shown. Furthermore, on one end face of the cell block 3 also a heat-conducting element 9 arranged. In 1 is every heat conducting element 9 with its own cooling unit 8th thermally coupled.
In den 1 bis 7 sind die zu stark erwärmten und mittels der zumindest einen Kühleinheit 8 zu kühlenden Einzelzellen 2 jeweils schraffiert dargestellt und die jeweils aktivierte Kühleinheit 8 oder die jeweils aktivierten Kühleinheiten 8 sind mit wellenförmigen Linien markiert. Ein Wärmefluss ist durch Pfeile angedeutet.In the 1 to 7 are the too heated and by means of at least one cooling unit 8th to be cooled single cells 2 each hatched and the respective activated cooling unit 8th or the respective activated cooling units 8th are marked with wavy lines. A heat flow is indicated by arrows.
In einer anderen Ausführungsform sind jeweils zwei Einzelzellen 2 auf einem gemeinsam genutzten Wärmeleitelement 9 angeordnet, wie in 2 gezeigt. D. h. zwischen jeweils zwei Einzelzellen 2, welche ein Paar bilden, ist ein Wärmeleitelement 9 angeordnet, zwischen benachbarten Paaren ist jedoch kein Wärmeleitelement 9 angeordnet. Das jeweilige Wärmeleitelement 9 ist zweckmäßigerweise in den jeweiligen Zellhalter 4, welcher das jeweilige Paar von Einzelzellen 2 aufnimmt, integriert. Die Zellhalter 4 sind somit als Doppelzellhalter zur Aufnahme von jeweils zwei Einzelzellen 2 ausgebildet. In 2 ist ebenfalls jedem Wärmeleitelement 9, welches mit zwei Einzelzellen 2 thermisch gekoppelt ist, eine eigene Kühleinheit 8 zugeordnet.In another embodiment, two individual cells each 2 on a shared heat conducting element 9 arranged as in 2 shown. Ie. between each two single cells 2 . which form a pair is a heat conducting element 9 however, there is no heat conducting element between adjacent pairs 9 arranged. The respective heat-conducting element 9 is suitably in the respective cell holder 4 which is the respective pair of single cells 2 absorbs, integrates. The cell holders 4 are thus as a double cell holder for receiving two single cells 2 educated. In 2 is also every heat conduction element 9 , which with two single cells 2 thermally coupled, a separate cooling unit 8th assigned.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Wärmeleitelemente 9 nach einer vorgegebenen Anzahl von Einzelzellen 2 im Zellblock 3 angeordnet, wie in 3 gezeigt, so dass erst an diesen Stellen des Zellblocks 3, an welchen sich das jeweilige Wärmeleitelement 9 befindet, ein auftretender Thermal Runaway gestoppt wird. Auch in diesem Beispiel gemäß 3 ist jedem Wärmeleitelement 9 eine eigene Kühleinheit 8 zugeordnet. Wie in 3 anhand der Schraffierungen der Einzelzellen 2 ersichtlich, kann dabei der Fall eintreten, dass die Einzelzelle 2, welche sich aufgrund einer Fehlfunktion erwärmt (in 3 stark schraffiert gekennzeichnet) und nicht direkt über das Wärmeleitelement 9 mit der Kühleinheit 8 oder mit einer der Kühleinheiten 8 thermisch gekoppelt ist, zunächst benachbarte Einzelzellen 2 erwärmt (in 3 schwach schraffiert dargestellt), so dass über die benachbarten Einzelzellen 2 die unzulässige Wärme an die Wärmeleitelemente 9 und über diese an die Kühleinheit 8 oder Kühleinheiten 8 abgegeben wird.In a further embodiment, the heat conducting elements 9 after a given number of single cells 2 in the cell block 3 arranged as in 3 shown so that only at these points of the cell block 3 to which the respective heat-conducting element 9 is stopped, an occurring thermal runaway is stopped. Also in this example according to 3 is every heat-conducting element 9 a separate cooling unit 8th assigned. As in 3 based on the hatching of the individual cells 2 can be seen, it may be the case that the single cell 2 which heats up due to malfunction (in 3 marked strongly hatched) and not directly over the heat-conducting element 9 with the cooling unit 8th or with one of the cooling units 8th is thermally coupled, initially adjacent single cells 2 heated (in 3 weakly hatched), so that over the neighboring single cells 2 the impermissible heat to the heat-conducting elements 9 and via this to the cooling unit 8th or cooling units 8th is delivered.
Das als Kühlblech ausgebildete Wärmeleitelement 9 ist vorzugsweise in einen jeweiligen Zellhalter 4 integriert, zum Beispiel als ein mit Kunststoff umspritztes Teil. Das Wärmeleitelement 9, insbesondere das Kühlblech, erstreckt sich zweckmäßigerweise in Richtung der Kühleinheit 8 aus dem Zellblock 3 heraus. Ein sich aus dem Zellblock 3 heraus erstreckender Abschnitt des Wärmeleitelements 9 ist zweckmäßigerweise zu einem zwischen dem Paar benachbarter Einzelzellen 2 angeordneten Abschnitt bzw. zu dem an der äußeren Einzelzelle 2 des Zellblocks 3 anliegenden Abschnitt des Wärmeleitelements 9 im Wesentlichen rechtwinklig abgewinkelt.The trained as a heat sink heat conduction 9 is preferably in a respective cell holder 4 integrated, for example as a molded plastic part. The heat-conducting element 9 , in particular the cooling plate, expediently extends in the direction of the cooling unit 8th from the cell block 3 out. An out of the cell block 3 out extending portion of the Wärmeleitelements 9 is suitably to a between the pair of adjacent single cells 2 arranged portion or to the outer single cell 2 of the cell block 3 adjacent portion of the Wärmeleitelements 9 essentially angled at right angles.
Besteht ein jeweiliges Zellgehäuse der Einzelzellen 2 aus Metall, wie beispielsweise bei prismatischen oder runden Hardcasezellen oder bei bipolaren Rahmenflachzellen, dann kann die Wärme auch durch das Zellgehäuse abgeleitet werden, welches dazu zweckmäßigerweise zumindest partiell entsprechend aufgedickt ausgebildet ist, wie in 4 gezeigt. D. h. bei derartigen Einzelzellen 2 sind zusätzliche Wärmeleitelemente 9 nicht unbedingt erforderlich, da die Wärmeleitfunktion durch das Zellgehäuse übernommen wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist jeder Einzelzelle 2 eine eigene Kühleinheit 8 zugeordnet. Zur elektrischen Isolation ist zwischen benachbarten Einzelzellen 2 jeweils eine Isolationsfolie 10 angeordnet.Is there a respective cell housing of the individual cells 2 made of metal, such as in prismatic or round hardcase cells or bipolar Rahmenflachzellen, then the heat can be dissipated by the cell housing, which is expediently designed to at least partially correspondingly thickened, as in 4 shown. Ie. in such single cells 2 are additional heat-conducting elements 9 Not absolutely necessary because the heat conduction function is taken over by the cell housing. In the embodiment according to 4 is every single cell 2 a separate cooling unit 8th assigned. For electrical isolation is between adjacent single cells 2 one insulation film each 10 arranged.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Zellblock 3 eine Temperiereinheit 11 auf, welche beispielsweise als Temperierplatte ausgebildet und seitlich am Zellblock 3 angeordnet ist, um den Zellblock 3 im Normalbetrieb zu temperieren, d. h. zu Kühlen und/oder zu Erwärmen, wie in den 5, 7 und 15 bis 17 gezeigt. In diesem Fall ist die Kühleinheit 8 vorteilhafterweise an einer der Temperiereinheit 11 gegenüberliegenden Seite des Zellblocks 3 angeordnet. Das Wärmeleitelement 9 oder die Wärmeleitelemente 9, welches/welche auf die oben beschriebene Weise im Zellblock 3 angeordnet ist/sind, ist/sind dann zweckmäßigerweise mit der Kühleinheit 8 und der Temperiereinheit 11 thermisch gekoppelt. Das jeweilige Wärmeleitelement 9 erstreckt sich dann zweckmäßigerweise in Richtung der Kühleinheit 8 und in Richtung der Temperiereinheit 11 aus dem Zellblock 3 heraus, wobei sich aus dem Zellblock 3 heraus erstreckende Abschnitte des Wärmeleitelements 9 zu einem an der Einzelzelle 2 oder an benachbarten Einzelzellen 2 anliegenden und somit zwischen dem Paar benachbarter Einzelzellen 2 angeordneten Abschnitt des Wärmeleitelements 9 zweckmäßigerweise jeweils im Wesentlichen rechtwinklig abgewinkelt sind, wie in 5 gezeigt.In an advantageous embodiment, the cell block 3 a tempering unit 11 on, for example, designed as a tempering and laterally on the cell block 3 is arranged to the cell block 3 to temper in normal operation, ie to cool and / or to heat, as in the 5 . 7 and 15 to 17 shown. In this case, the cooling unit 8th advantageously at one of the temperature control unit 11 opposite side of the cell block 3 arranged. The heat-conducting element 9 or the heat-conducting elements 9 , which in the manner described above in the cell block 3 is / are, is / are then expediently with the cooling unit 8th and the temperature control unit 11 thermally coupled. The respective heat-conducting element 9 then expediently extends in the direction of the cooling unit 8th and in the direction of the temperature control unit 11 from the cell block 3 out, leaving the cell block 3 out extending portions of the heat conducting element 9 to one at the single cell 2 or on adjacent single cells 2 adjacent and thus between the pair of adjacent single cells 2 arranged portion of the heat conducting element 9 expediently each angled substantially at right angles, as in 5 shown.
Die Zellhalter 4 sind im dargestellten Beispiel als Doppelzellhalter oder doppelschalige Zellhalter 4 ausgebildet, so dass das jeweilige Paar von Einzelzellen 2 in einem gemeinsamen Zellhalter 4 angeordnet ist, in welchem zweckmäßigerweise das Wärmeleitelement 9 integriert ist. In 5 ist jedem Wärmeleitelement 9 und somit jedem Paar benachbarter und mit dem jeweiligen Wärmeleitelement 9 thermisch gekoppelter Einzelzellen 2 eine eigene Kühleinheit 8 zugeordnet.The cell holders 4 are in the example shown as a double cell holder or double-shell cell holders 4 designed so that the respective pair of single cells 2 in a common cell holder 4 is arranged, in which expediently the heat-conducting element 9 is integrated. In 5 is every heat-conducting element 9 and thus each pair of adjacent and with the respective heat conducting element 9 thermally coupled single cells 2 a separate cooling unit 8th assigned.
Um die Kühlmasse, d. h. die Kühleinheit 8, über eine längere Strecke des Zellblocks 3 hinweg mit den Einzelzellen 2 thermisch zu koppeln und zudem bevorzugt die Wärme auf einen größeren Abschnitt der Kühleinheit 8 zu verteilen, kann zusätzlich ein in Zellblocklängsrichtung angeordnetes Wärmeleitblech 12 vorgesehen sein, mit welchem die Kühleinheit 8 oder die Mehrzahl von Kühleinheiten 8 thermisch gekoppelt ist/sind und auf welchem sie zweckmäßigerweise angeordnet ist/sind. Zum Beispiel ist das Wärmeleitblech 12 mit der Kühlmasse, d. h. beispielsweise mit dem Stoff oder Stoffgemisch der Kühleinheit 8, beschichtet, wie in 6 gezeigt, in welcher auf dem Wärmeleitblech 12 eine sich über das gesamte Wärmeleitblech 12 erstreckende Kühleinheit 8 angeordnet ist. Auch hier sind die Zellhalter 4 als Doppelzellhalter zur Aufnahme von jeweils zwei Einzelzellen 2 ausgebildet und das jeweilige Wärmeleitelement 9 ist in den jeweiligen Zellhalter 4 integriert und dadurch auf die oben bereits beschriebene Weise zwischen dem jeweiligen Paar von Einzelzellen 2 angeordnet. Der aus dem Zellblock 3 herausragende und abgewinkelte Abschnitt des jeweiligen Wärmeleitelements 9 ist hier nicht direkt mit der Kühleinheit 8 thermisch gekoppelt, sondern mit dem Wärmeleitblech 12 und über dieses mit der Kühleinheit 8 thermisch gekoppelt.To the cooling mass, ie the cooling unit 8th , over a longer distance of the cell block 3 away with the single cells 2 thermally couple and also prefers the heat to a larger portion of the cooling unit 8th to distribute, can additionally arranged in a cell block longitudinal direction of heat conduction 12 be provided, with which the cooling unit 8th or the plurality of cooling units 8th is thermally coupled / are and on which it is conveniently arranged / are. For example, the heat-conducting sheet 12 with the cooling mass, ie, for example, with the substance or mixture of the cooling unit 8th , coated as in 6 shown in which on the Wärmeleitblech 12 a over the entire Wärmeleitblech 12 extending cooling unit 8th is arranged. Again, the cell holders 4 as a double cell holder for holding two single cells each 2 trained and the respective thermally conductive element 9 is in the respective cell holder 4 integrated and thereby in the manner already described above between the respective pair of single cells 2 arranged. The one from the cell block 3 outstanding and angled portion of the respective Wärmeleitelements 9 is not directly with the cooling unit here 8th thermally coupled, but with the Wärmeleitblech 12 and about this with the cooling unit 8th thermally coupled.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform, bei welcher die Einzelzellen 2 über eine als metallische und fluiddurchströmte Temperierplatte ausgebildete Temperiereinheit 11 temperiert werden, wird diese Temperiereinheit 11 zur Ableitung der unzulässigen Wärme bei einer zu starken Erwärmung der Einzelzellen 2 verwendet. Hierzu ist die Kühleinheit 8 auf der Temperiereinheit 11 angeordnet, zweckmäßigerweise auf einer von den Einzelzellen 2 abgewandten Seite der Temperiereinheit 11. Beispielsweise ist die Temperiereinheit 11 mit der Kühlmasse, d. h. mit dem Stoff oder Stoffgemisch der Kühleinheit 8, beschichtet, wie in 7 gezeigt. Dadurch wird eine Abführung oder zumindest eine Verteilung der aufgrund der unzulässigen Erwärmung auftretenden Wärme in Zellblocklängsrichtung ermöglicht. In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Kühleinheiten 8 auf der Temperiereinheit 11 angeordnet sein. Auch im in 7 dargestellten Beispiel sind die Zellhalter 4 als Doppelzellhalter zur Aufnahme jeweils eines Paars von Einzelzellen 2 ausgebildet. Das jeweilige Wärmeleitelement 9 ist auf die oben bereits beschriebene Weise in den jeweiligen Zellhalter 4 integriert und mit den jeweiligen Einzelzellen 2 sowie mit der Temperierplatte 11 thermisch gekoppelt.In a further possible embodiment, in which the individual cells 2 via a tempering unit designed as a metallic and fluid-flow tempering plate 11 be tempered, this temperature control unit 11 to dissipate the impermissible heat in case of excessive heating of the individual cells 2 used. This is the cooling unit 8th on the temperature control unit 11 arranged, expediently on one of the individual cells 2 opposite side of the temperature control unit 11 , For example, the temperature control unit 11 with the cooling mass, ie with the substance or mixture of the cooling unit 8th , coated as in 7 shown. As a result, a discharge or at least a distribution of the heat occurring due to the inadmissible heating in the cell block longitudinal direction is made possible. In other embodiments, multiple cooling units may also be used 8th on the temperature control unit 11 be arranged. Also in the 7 Example shown are the cell holders 4 as a double cell holder for receiving a pair of single cells 2 educated. The respective heat-conducting element 9 is in the manner described above in the respective cell holder 4 integrated and with the respective single cells 2 as well as with the temperature control plate 11 thermally coupled.
Die 8 bis 17 zeigen die beschriebene Lösung an einem konstruktiven Ausführungsvorschlag einer Batterie 1, wobei hier, insbesondere in den 16 und 17, lediglich ein Zellblock 3 der Batterie 1 dargestellt ist. Die Batterie 1 kann mehrere derartige Zellblöcke 3 aufweisen. Der Zellblock 3 weist im dargestellten Beispiel zwölf als Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen 2 auf, die jeweils paarweise in doppelschalenförmige Zellhalter 4 aus Kunststoff mit einem im jeweiligen Zellhalter 4 integrierten und als Kühlblech aus Aluminium ausgebildeten Wärmeleitelement 9 geklebt sind und mit diesem ein sogenanntes Doppelzellmodul bilden. Das Wärmeleitelement 9 mit den beiden abgewinkelten Abschnitten ist in 8 gezeigt. Der doppelschalenförmige Zellhalter 4 mit dem darin integrierten Wärmeleitelement 9 ist in 9 in perspektivischer Darstellung und in 10 im Querschnitt gezeigt. Das Wärmeleitelement 9 ist derart in den Zellhalter 4 integriert, dass die abgewinkelten Abschnitte an jeweils einer Außenseite des Zellhalters 4 positioniert sind. Das Einsetzen der Einzelzellen 2 in den Zellhalter 4 ist in 11 gezeigt. 12 zeigt den Zellhalter 4 mit eingesetzten und zweckmäßigerweise mit dem Zellhalter 4 verklebten Einzelzellen 2.The 8th to 17 show the solution described in a constructive design proposal of a battery 1 , here, especially in the 16 and 17 , just a cell block 3 the battery 1 is shown. The battery 1 can have several such cell blocks 3 exhibit. The cell block 3 has in the example shown twelve trained as pouch cells single cells 2 on, in pairs in double cup cell holders 4 made of plastic with one in each cell holder 4 integrated and designed as a cooling plate made of aluminum heat conducting 9 are glued and form with this a so-called double cell module. The heat-conducting element 9 with the two angled sections is in 8th shown. The double-shell cell holder 4 with the integrated therein Wärmeleitelement 9 is in 9 in perspective and in 10 shown in cross section. The heat-conducting element 9 is so in the cell holder 4 Integrates that angled sections on each outer side of the cell holder 4 are positioned. The insertion of single cells 2 in the cell holder 4 is in 11 shown. 12 shows the cell holder 4 with inserted and expediently with the cell holder 4 glued single cells 2 ,
Mehrere auf diese Weise ausgebildete Doppelzellmodule werden zu einem Zellpack zusammengestellt, wie in 13 gezeigt, wobei an der jeweiligen Außenseite der beiden stirnseitigen Einzelzellen 2 jeweils eine Stromkollektorendplatte 13 zur Stromableitung aus dem Zellblock 3 und Stromeinleitung in den Zellblock 3 angeordnet wird. Der auf diese Weise gebildete Zellpack wird in Längsrichtung über zwei an den stirnseitigen Enden befindliche Druckbrillen 6 verpresst, wie in den 14 bis 16 gezeigt. Die Druckbrillen 6 sind im dargestellten Beispiel über vier als Verbindungsleisten ausgebildete verschweißte Spannelemente 5 miteinander verbunden. Die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen 2 erfolgt durch die direkte Verbindung der als Ableiter ausgebildeten Zellpole 7 jeweils benachbarter Einzelzellen 2, die aufeinander zu gebogen und beispielsweise im Überlapp-Verfahren mit Laser verschweißt sind. Separate Zellverbinder sind somit nicht erforderlich.Several double cell modules formed in this way are assembled into a cell pack as in 13 shown, wherein on the respective outer side of the two end-side single cells 2 each a current collector end plate 13 for the current discharge from the cell block 3 and current injection into the cell block 3 is arranged. The cell pack formed in this way becomes longitudinally over two pressure gauges located at the front ends 6 compressed, as in the 14 to 16 shown. The pressure goggles 6 In the illustrated example, four formed as connecting strips welded clamping elements 5 connected with each other. The electrical contacting of the individual cells 2 takes place by the direct connection of the cell poles designed as arresters 7 each adjacent individual cells 2 , which are bent towards each other and welded by laser, for example in the overlap method. Separate cell connectors are therefore not required.
Das als Kühlblech ausgebildete Wärmeleitelement 9 des jeweiligen Zellhalters 4 tritt an zwei Seiten aus dem Zellhalter 4 aus, wobei die austretenden Abschnitte jeweils um 90° umgebogen sind. Wie in den 15 bis 17 gezeigt, ist auf einer Seite des Zellblocks 3 die als fluiddurchströmte Temperierplatte ausgebildete Temperiereinheit 11 zur Temperierung der Einzelzellen 2 im Normalbetrieb angeordnet, wobei zwischen den Einzelzellen 2 und der Temperiereinheit 11 eine Wärmeleitfolie 14 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zellblocks 3 ist auf die umgebogenen Abschnitte der Wärmeleitelemente 9 die Kühleinheit 8, d. h. die Kühlmasse, in Mattenform aufgeklebt, welche bei unzulässiger Überhitzung aktiviert wird und die betreffenden Einzelzellen 2 abkühlt. Mit der beschriebenen Lösung lässt sich ohne großen Zusatzaufwand und ohne Baulängenvergrößerung des Zellblocks 3 dessen Sicherheit erhöhen.The trained as a heat sink heat conduction 9 of the respective cell holder 4 occurs on two sides of the cell holder 4 from, wherein the exiting sections are each bent by 90 °. As in the 15 to 17 is shown on one side of the cell block 3 formed as a fluid-flow tempering temperature control unit 11 for temperature control of the individual cells 2 arranged in normal operation, being between the individual cells 2 and the temperature control unit 11 a heat-conducting foil 14 is arranged. On the opposite side of the cell block 3 is on the bent portions of the heat conducting elements 9 the cooling unit 8th , ie the cooling compound, glued in mat form, which is activated in case of improper overheating and the individual cells concerned 2 cools. With the solution described can be without much additional effort and without increasing the length of the cell block 3 increase its safety.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Batteriebattery
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22
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Einzelzellesingle cell
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33
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Zellblockcell block
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44
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Zellhaltercell holder
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55
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Spannelementclamping element
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66
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Druckbrillepressure glasses
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77
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Zellpolcell pole
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88th
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Kühleinheitcooling unit
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99
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Wärmeleitelementthermally conductive element
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1010
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Isolationsfolieinsulation blanket
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1111
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Temperiereinheittemperature control
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1212
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Wärmeleitblechheat conducting
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1313
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StromkollektorendplatteStromkollektorendplatte
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1414
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WärmeleitfolieHeat conducting
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102013225574 A1 [0002] DE 102013225574 A1 [0002]
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DE 102008034699 B4 [0035] DE 102008034699 B4 [0035]
