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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Einbau in eine elektrische Komponente, mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktelement, insbesondere einem elektrisch leitfähigen Kontaktbolzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Komponente, insbesondere ein Wechselrichter, eine Batterie oder eine elektrische Maschine, mit einem eingebauten Verbindungselement, welches ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement, insbesondere einen elektrisch leitfähigen Kontaktbolzen aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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In der Druckschrift
DE 10 2019 132 390 A1 wird eine Kontaktanordnung für Steckverbindungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben. Diese bekannte Kontaktanordnung für Steckverbindungen weist eine Einrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung und wenigstens eine Einrichtung zur Kühlung auf. Die Kühlung erfolgt über die Wärmeabfuhr, der aus einer Übertragung elektrischer Leistung der leitenden Verbindung entstehenden Wärme, wobei die Kühlwirkung infolge des wenigstens teilweise direkten körperlichen Kontaktes der elektrisch leitenden Einrichtung und des Kühlmediums unterstützt wird.
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Anwendung finden kann die Erfindung beispielsweise bei elektrischen Komponenten, die in einem Antriebssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbaut sind. Solche Antriebssysteme umfassen typischerweise eine Batterie, eine Leistungselektronik sowie eine elektrische Maschine. Zur elektrischen Verbindung der elektrischen Komponenten kommen in der Regel elektrische Leiter zum Einsatz, die über elektrische Verbinder, wie beispielsweise Schraub- oder Steckverbinder, lösbar mit den elektrischen Komponenten verbunden werden können. Die Leiter werden, meist über ein mit dem Leiter verbundenes erstes Verbindungselement mit einem zweiten Verbindungselement gekoppelt, welches fest in der jeweiligen elektrischen Komponente eingebaut ist. Dieses Verbindungselement der elektrischen Komponente umfasst typischer weise ein leitfähiges Kontaktelement, über welches bei bestehender Verbindung ein elektrischer Strom geführt wird.
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Insbesondere Steckverbinder weisen oftmals einen hohen elektrischen Widerstand auf, so dass im Betrieb eine erhebliche Verlustwärme erzeugt wird, die zur Beschädigung des jeweiligen elektrischen Verbinders führen kann. Die Ableitung der entstehenden Wärme erfolgt dabei hauptsächlich über den mit dem Verbinder, insbesondere mit dem Kontaktelement des Verbinders, elektrisch leitend verbundenen elektrischen Leiter. Beispiele für bereits offenbare Vorrichtungen stellen die Druckschriften
DE 10 2019 111 749 A1 ,
JP 2019 - 121 476 A ,
DE 10 2017 122 662 A1 und
DE 10 2015 119 338 A1 dar, wobei in diesen mindestens ein an dem Ladeprozess eines elektrischen Fahrzeuges teilnehmendes Bauteil gekühlt wird.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das durch Verlustwärme bedingte Ausfallrisiko zu verringern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verbindungselement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ferner durch eine elektrische Komponente gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 9 in einem Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verbindungselement ein Aufnahmeraum für das fließfähige, dielektrische Kühlmedium vorgesehen ist, wird es möglich, dass in dem Kontaktelement entstehende Verlustwäre entweder direkt an das Kühlmedium oder über die Stromschiene an das Kühlmedium abgegeben werden kann. Das fließfähige, dielektrische Kühlmedium kann einen im Vergleich zu dem elektrischen Leiter vergleichsweise hohen Wärmefluss ermöglichen und somit die Ableitung von Verlustwärme stark verbessern. Infolge dessen kann das Ausfallrisiko des Verbindungselements verringert werden.
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Bevorzugt umfasst das Verbindungselement ein fließfähiges, dielektrisches Kühlmedium, das in dem Aufnahmeraum derart aufgenommen ist, dass es in unmittelbarem Kontakt zumindest mit dem Teil des Kontaktelements oder mit dem Teil der Stromschiene steht.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmeraum dazu eingerichtet ist, dass das Kühlmedium den Teil des Kontaktelements oder der Stromschiene umströmen kann. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass erwärmte Teilvolumina des Kühlmediums durch die Strömung abgeführt werden können. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden. Besonders bevorzugt umfasst der Aufnahmeraum mindestens einen Einlass zum Einströmen des Kühlmediums und mindestens einen Auslass zum Ausströmen des Kühlmediums. Bevorzugt ist das Kontaktelement in einem Strömungspfad zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Verbindungselement als Steckverbinder ausgestaltet ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Verbindungselement ein Gehäuse umfasst, aus welchem das Kontaktelement herausstehend angeordnet ist. Auf den herausstehenden Teil des Kontaktelements kann ein Steckverbindungselement aufgesteckt werden. Das Steckverbindungselement kann beispielsweise ein Federblech aufweisen. Bevorzugt steht das Kontaktelement senkrecht aus dem Gehäuse heraus.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Aufnahmeraum mindestens einen Durchlass mit einer Abdichtung zum Durchführen des Kontaktelements oder der Stromschiene aufweist. Der Außerhalb des Aufnahmeraums angeordnete Abschnitt des Kontaktelements kann als Kontaktbereich zum Anschließen eines Leiters verwendet werden. Der innenliegende Abschnitt des Kontaktelements kann den Teil des Kontaktelements umfassen bzw. bilden, der mit dem Kühlmedium in Kontakt steht. Bei der Abdichtung kann es sich beispielsweise um ein Dichtelement, insbesondere einen Dichtring handeln. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei welcher der Aufnahmeraum genau einen Durchlass aufweist, durch welchen das Kontaktelements hindurchgeführt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung kann sich ein Ende des Kontaktelements außerhalb des Aufnahmeraums und ein weiteres Ende des Kontaktelements innerhalb des Aufnahmeraums befinden. Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Aufnahmeraum genau zwei Durchlässe aufweist, durch welche das Kontaktelement hindurchgeführt ist. Eine solche Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, dass zwei gegenüberliegende Enden des Kontaktelements außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet sind und ein Abschnitt des Kontaktelements zwischen den beiden Enden innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist. Über den innerhalb des Aufnahmeraums angeordneten Abschnitt des Kontaktelements kann Wärme an das Kühlmedium abgegeben werden. Gleichzeitig ist es möglich, einen elektrischen Leiter mit einem ersten Ende des Kontaktelements zu verbinden und das zweite Ende elektrisch mit einem Leiter innerhalb der elektrischen Komponente.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Kontaktelement oder die Stromschiene einen Hohlraum mit mindestens einer Öffnung umfasst, die in den Aufnahmeraum mündet. In den Hohlraum kann Kühlmedium aus dem Aufnahmeraum eindringen und somit zu einer weiter verbesserten Ableitung von Wärme aus dem Kontaktelement bzw. der Stromschiene beitragen.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass das Kontaktelement oder die Stromschiene einen Kühlmediumkanal aufweist, der mindestens zwei Öffnungen umfasst, die in den Aufnahmeraum münden. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird es möglich, dass das in dem Aufnahmeraum aufgenommene fließfähige, dielektrische Kühlmedium durch den Kühlmediumkanal strömt. Durch einen solchen Kühlkanal kann die Ableitung von Wärme nochmals verbessert werden.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass der Kühlmediumkanal mindestens einen Abschnitt mit einem linearen Verlauf entlang einer Kanallängsachse aufweist, wobei die Kanallängsachse schräg zu einer Längsachse des Kontaktelements bzw. der Stromschiene angeordnet ist, insbesondere in einem Winkel im Bereich von 5° bis 45°. Durch den im Verhältnis zu der Längsachse des Kontaktelements bzw. der Stromschiene schrägen Verlauf kann die Wechselwirkungsfläche zwischen Kontaktelement bzw. Stromschiene und Kühlmedium erhöht werden. Besonders bevorzugt weist der Kühlmediumkanal einen mäanderförmigen Verlauf auf. Hierdurch kann die Wechselwirkungsfläche weiter erhöht werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenkontur des Teils des Kontaktelements oder des Teils der Stromschiene eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist. Hierdurch kann der Wärmeaustausch zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlmedium nochmals verbessert werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Innenkontur des Hohlraums bzw. des Kühlmediumkanals eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist. Hierdurch kann der Wärmeaustausch zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlmedium nochmals verbessert werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Komponente, mit einem eingebauten Verbindungselement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einer vorstehend beschriebenen elektrischen Komponente.
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Bei der elektrischen Komponente und dem Fahrzeug können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Verbindungselement beschrieben worden sind.
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Die elektrische Komponente kann beispielsweise als Wechselrichter, als Batterie oder als elektrische Maschine ausgebildet sein.
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Nachfolgend soll anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem in einem schematischen Blockdiagramm;
- 2 ein erstes nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Komponente mit einem eingebauten Verbindungselement in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 3 ein zweites nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Komponente mit einem eingebauten Verbindungselement in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Komponente mit einem eingebauten Verbindungselement in einer schematischen Schnittdarstellung; und
- 5 ein drittes nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Komponente mit einem eingebauten Verbindungselement in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Die Darstellung in 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1, welches als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann. Das Fahrzeug 1 umfasst mehrere elektrische Komponenten 2, 3, 4, die als Batterie 2, Wechselrichter 3 und elektrische Maschine 4 ausgebildet sind. Die elektrischen Komponenten 2, 3, 4 umfassen jeweils mindestens ein, bevorzugt mehrere, eingebaute Verbindungselemente 6, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement, beispielsweise einen Kontaktbolzen, umfassen. Über diese Verbindungselemente 6 sind elektrische Leiter 5 an den elektrischen Komponenten 2, 3, 4 angebunden, so dass die die elektrischen Komponenten 2, 3, 4 untereinander elektrisch verbunden sind.
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Erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dieser für den Einbau in einer elektrischen Komponente 2, 3, 4 geeigneten Verbindungselemente 6 sollen nachfolgend anhand der Darstellungen in 1 bis 5 erläutert werden. Die gezeigten Verbindungselemente 6 sind alle als Steckverbinder ausgestaltet. Abweichend davon sind aber auch Ausgestaltungen denkbar, in denen das Verbindungselement als Schraubverbinder ausgestaltet ist.
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Die Darstellung in 2 zeigt ein erstes nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Verbindungselements 6 gemäß der Erfindung, welches in einem Gehäuse 7 einer elektrischen Komponente 2, 3, 4 eingebaut ist. Das Verbindungselement 6 umfasst ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 8, welches gemäß dem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel als elektrisch leitfähiger Kontaktbolzen ausgestaltet ist. Das Kontaktelement 8 steht senkrecht aus einem Gehäuse 10 des Verbindungselements heraus. Ein weiterer Teil des Verbindungselements 6 ist ein Aufnahmeraum 9, der dazu eingerichtet ist, ein fließfähiges, dielektrisches Kühlmedium derart aufzunehmen, dass dieses in unmittelbarem Kontakt zumindest mit einem Teil des Kontaktelements 8 steht. Der Aufnahmeraum 9 kann bei dem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet sein, dass das Kühlmedium den innenliegenden Teil des Kontaktelements 8 umströmen kann. Alternativ kann das Kühlmedium stillstehend in dem Aufnahmeraum 9 aufgenommen sein. Bei dem in Kontakt mit dem Kühlmedium stehenden Teil des Kontaktelements 8 handelt es sich bei diesem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel um ein innerhalb eines Gehäuses 10 des Verbindungselements 6 bzw. innerhalb des Gehäuses 7 der elektrischen Komponente 2, 3, 4 angeordnetes Ende des Kontaktelements 8.
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Der Aufnahmeraum 9 umfasst bei dem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel genau einen Durchlass 11 mit einer Abdichtung 12, durch welches das Kontaktelement 8 verlaufend angeordnet ist. Die Abdichtung 12 ist als Dichtelement, beispielsweise als Dichtring, ausgebildet und ist zwischen dem innenliegenden Ende des Kontaktelements 8 und dem nach außen herausstehenden Ende des Kontaktelements 8 angeordnet. Auf den herausstehenden Teil des Kontaktelements 8 ist ein Steckverbindungselement 20 aufgesteckt. Das Steckverbindungselement weist hier ein Federblech 21 auf, welches das Kontaktelement 8 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung kontaktiert. Zudem ist als weiterer Teil des Steckverbindungselements 20 ein Gehäuse 22 vorgesehen, welches durch eine Abdichtung 23 gegenüber dem Gehäuse 10 des Verbindungselements 6 der elektrischen Komponente 2, 3, 4 abgedichtet ist.
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Die Darstellung in 3 zeigt ein zweites nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Verbindungselements 6 gemäß der Erfindung, welches in einem Gehäuse 7 einer elektrischen Komponente 2, 3, 4 eingebaut ist. Das Verbindungselement 6 gemäß dem zweiten nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Verbindungselement 6 gemäß dem ersten nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, so dass auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird.
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Im Unterschied zu dem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist bei dem Verbindungselement 6 gemäß dem zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Aufnahmeraum 9 derart ausgebildet, dass er genau zwei Durchlässe 11, 11' für das Kontaktelement 8 aufweist. Das Kontaktelement 8 erstreckt sich insofern von einer Außenseite des Verbindungselements 6 durch einen ersten Durchlass 11 in den Aufnahmeraum 9 und dann durch einen zweiten Durchlass 11' bis auf eine Innenseite des Verbindungselements 6, die in einem Innenraum der elektrischen Komponente 2, 3, 4 angeordnet ist.
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Ferner umfasst der Aufnahmeraum 9 einen Einlass 13 zum Einströmen des Kühlmediums und einen Auslass 14 zum Ausströmen des Kühlmediums. Das Kontaktelement ist in einem Strömungspfad zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 14 angeordnet und kann von dem Kühlmedium umströmt werden.
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Die Darstellung in 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Verbindungselements 6 gemäß der Erfindung, welches in einem Gehäuse 7 einer elektrischen Komponente 2, 3, 4 eingebaut ist. Das Verbindungselement 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Verbindungselement 6 gemäß dem zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, so dass auf die Beschreibung zu 3 verwiesen wird.
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Im Unterschied zu dem zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfasst das Kontaktelement 8 bei dem Verbindungselement 6 gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einen Hohlraum 15 mit mindestens einer Öffnung, die in den Aufnahmeraum 9 mündet. Der Hohlraum 15 hier als Kühlmediumkanal ausgestaltet, der genau zwei Öffnungen umfasst, die in den Aufnahmeraum 9 münden. Der Kühlmediumkanal weist hier zwei Abschnitte mit einem linearen Verlauf auf, die zueinander angewinkelt angeordnet sind. Die Abschnitte mit linearem Verlauf sind jeweils schräg zu einer Längsachse des Kontaktelements 8 angeordnet, insbesondere in einem Winkel im Bereich von 5° bis 45°.
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Gemäß einer Abwandlung des in 4 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels kann vorgesehen sein, dass die Innenkontur des Hohlraums 15 bzw. des Kühlmediumkanals eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist.
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Die Darstellung in 5 zeigt ein drittes nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Verbindungselements 6 gemäß der Erfindung, welches in einem Gehäuse 7 einer elektrischen Komponente 2, 3, 4 eingebaut ist. Das Verbindungselement 6 gemäß dem dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Verbindungselement 6 gemäß dem ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, so dass auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird.
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Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement 8 bei dem Verbindungselement 6 gemäß dem dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel unmittelbar mit einer Stromschiene 16 verbunden. Die Stromschiene 16 bildet insofern eine Verlängerung des Kontaktelements 8, welche bis in den Aufnahmeraum 9 für das Kühlmedium reicht. Anders als bei den vorherig genannten erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen steht das Kühlmedium nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Kontaktelement 8 sondern mit der Stromschiene 16. Der Aufnahmeraum 9 umfasst bei dem dritten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel genau einen Durchlass 11 mit einer Abdichtung 12, durch welches die Stromschiene 16 verlaufend angeordnet ist.
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Bei dem vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 6 ist der Aufnahmeraum 9 dazu eingerichtet, ein fließfähiges, dielektrisches Kühlmedium derart aufzunehmen, dass dieses in unmittelbarem Kontakt zumindest mit einem Teil des Kontaktelements 8 oder mit einem Teil einer Stromschiene 16 steht, die unmittelbar mit dem Kontaktelement 8 verbunden ist. Optional kann vorgesehen sein, die Außenkontur des Teils des Kontaktelements 8 oder des Teils der Stromschiene 16 eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Batterie
- 3
- Wechselrichter
- 4
- elektrische Maschine
- 5
- elektrischer Leiter
- 6
- Verbindungselement
- 7
- Gehäuse
- 8
- Kontaktelement
- 9
- Aufnahmeraum
- 10
- Gehäuse
- 11, 11'
- Durchlass
- 12
- Abdichtung
- 13
- Einlass
- 14
- Auslass
- 15
- Kühlmediumkanal
- 16
- Stromschiene
- 20
- Steckverbindungselement
- 21
- Federblech
- 22
- Gehäuse
- 23
- Abdichtung
