CN111512464A - 用于电池的多层隔热元件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了用于电池的热隔离的多层隔热元件,该多层隔热元件具有第一覆盖层、第二覆盖层和布置在覆盖层之间的可压缩和/或可弯曲的中间片层,该中间片层具有至少一个耐热纤维层,其中该纤维层由针缝的无纺布形成并且/或者其中覆盖层为弯曲柔弱的并且隔热元件作为整体为可压缩和柔性可弯曲的。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于电池的热隔离的多层隔热元件,根据权利要求35的前序部分的具有多层隔热元件的电池,以及根据权利要求49的前序部分的多层隔热元件的用途。
背景技术
在本发明中,术语“隔热元件”优选地被理解为由层结构—特别是层叠—构成的平坦部件,其被设计成和/或使用成用于电池的热隔离。特别地,隔热元件构造成用于在电池中不受控或过量生热的情况下减少和/或延迟热量释放到环境,特别是到车辆内部,和/或阻挡或减少或延迟电池中热量的扩散。
在本发明中,术语“电池”被理解为特别是可再充电的存储元件或用于通过转换化学能提供电能的次级元件。电池优选地由若干个互联蓄电池单元或单元块—即电池单元—组成。
特别地,电池被构造为牵引电池或用于驱动电动车辆和/或实施为锂离子电池。这里,为了在例如由于交通事故引起的电池过热的情况中保护车辆的驾乘人员,确切地说至少直到救援服务到达,可靠或有效的热隔离是重要的。
由于锂离子电池的化学组成,锂离子电池特别具有相对高的不稳定性。如果例如由于分隔电极的分隔器被捕获的外部颗粒污染和/或机械作用或破坏,在电池单元中发生内部电极的局部短路,强短路电流在短时间内将电池单元加热至高达800℃,有时高达1300℃。这种过程称为热击穿。一个电池单元的热击穿可容易地或快速地蔓延至其他相邻的电池单元,尤其是由于分隔器在相对低的温度下已失去稳定性,例如高于120℃的温度,因此短路可快速地在相邻电池单元中发生。这导致不可停止的连锁反应,其中电池中存储的能量在短时间内释放,通常爆发式地释放,并且伴随碎片释放。
针对这种背景,期望将与热击穿或过热的电池单元相邻布置的电池单元尽可能长时间保持在特定极限温度以下,优选地120℃,特别为80℃。高于80℃,电池单元的老化过程显著加快,高于120℃,电池单元中的分隔器通常开始融化,伴随不可逆的损坏和/或短路。
同样地,对相邻区域或空间尤其是车辆内部空间的有效或长久保持的热保护存在高的要求,以免受电池中不受控的生热。特别地,在救援和/或恢复措施已经完全齐备之前,应保护驾乘人员和/或物体避开热量。
DE 101 34 145 A1涉及一种阻燃电池壳体。电池壳体包含热活性材料,例如硅酸铝或三水铝矿,其从特定温度起发生转变,由此进一步供应的热能被消耗用于进一步转变,因此至少减慢温度的升高。在这种情况中,有效抑制热击穿将不可实现或至多仅能非常困难地实现,因为不能将保护材料布置在电池单元之间,该转变可导致机械应力或电池单元的破坏,还存在热活性材料破裂并因此提前失去隔热功能的风险。
AT 518 161 A4涉及一种具有多个电池单元的电池,其中至少两个相邻电池单元通过保护材料彼此热隔离。从预定温度起,保护材料会膨胀,彼此隔离的电池单元由于在温度效应下膨胀的保护材料的体积增大而被推离彼此,其中电池单元因此将进一步彼此热分隔和/或热隔离。缺点是保护材料的体积增大—特别是在由于生热引起的压力增加之外—导致电池内的膨胀压力,这相应地增加了电池破裂和/或电池单元损坏和破坏的风险。
从US 8,541,126 B2已知一种用于电池的热隔离的隔热元件。隔热元件布置在两个相邻电池单元之间。隔热元件具有层结构,其中在两个覆盖层之间布置有中间层。相对于覆盖层,中间层具有更高的导热性。覆盖层可设计为陶瓷纤维或耐火材料纤维制成的纤维层。缺点在于该隔热元件由于纤维构造是易碎的,并且在低压力载荷下就可破裂和/或破碎。这不仅关系到隔热功能的显著削弱或甚至丢失,还导致对相邻和/或邻近电池单元的破坏,并最终增加爆炸风险。
EP 3 142 166 A1涉及一种具有刚性云母板和可压缩短纤维和/或耐火材料纤维层的隔热元件,刚性云母板和可压缩短纤维和/或耐火材料纤维层交替地在彼此上布置或堆叠。缺点是柔性适应和/或成形是不可能的,尤其是对于安装在电池中。并且,具有其易碎云母板和其短纤维纤维垫的隔热元件可能由于不受控的生热和相关的压力增加容易破裂和/或破碎,因此导致对周围环境的破坏和/或提前失去其隔热功能。最后,高的单位面积重量对车辆尤其不利。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电池的热隔离的多层隔热元件、具有这种隔热元件的电池和隔热元件的用途,其中能够实现和/或支持有效的隔热以及/或者耐用或结实的设计以及/或者灵活或容易地安装和/或集成至电池中。
上述目的通过根据权利要求1的多层隔热元件、通过根据权利要求35的电池或通过根据权利要求49的用途解决。有利的进一步发展为从属权利要求的主题。
本发明的第一方面在于:纤维层由长度大于30mm的长纤维形成和/或由针缝的或增强的无纺布形成。相比于其他纤维层,通过长纤维以及/或者纤维层的针缝和/或增强显著增加了机械强度。因此,根据本发明的纤维层一方面为可拉伸的和压力弹性的,由此能够实现高压力的吸收。同时,纤维层具有高热隔离能力,因为彼此缠绕的纤维有效地减少了热能穿过纤维层。在电池内不受控的生热的情况中,例如当电池单元中发生热击穿时,这是特别有利的,因为这显著地延迟了电池的完全破坏或爆炸。最后,针缝的无纺布具有低的单位面积重量,这有助于操纵。
优选地,纤维层由针缝的和/或增强的玻璃纤维或者硅酸盐纤维或者其混合物制成。
特别优选地,纤维层的纤维具有至少40mm的长度,优选地至少50mm,特别地基本上50至60mm。这允许纤维层的特别高的抗压和抗撕扯设计。
特别地,纤维具有至少4μm的平均直径,优选地至少5μm,特别地6至15μm。
纤维层特别优选地设计为无粘合剂和/或无熔珠的。
优选地,纤维层或中间片层具有小于1000g/m2的单位面积重量,优选地小于800g/m2,特别地小于600g/m2,和/或大于150g/m2的单位面积重量,优选地大于200g/m2,特别优选地大于300或400g/m2。这能够实现容易的操纵。
根据本发明的还可独立地实现的第二方面,覆盖层设计为弯曲柔弱的和/或弯曲柔软的,以便将隔热元件设计为既可压缩又是柔性和/或弹性可弯曲的。这能够实现对不同安装状况的灵活适应和/或高载荷情况—例如电池单元破裂—中更好的适应性,使得隔热元件更能抵抗其隔热功能的破坏和/或损失。最后,显著减少了碎片的释放。
优选地,至少一个覆盖层设计为液密的,优选地为水密的。此外,覆盖层中的一个、优选地两个覆盖层设计成驱水的和/或气密的。以这种方式,有效地保护中间片层或纤维层,因此即使在潮湿和/或含气的环境中也确保有效隔热。
优选地,至少一个覆盖层设计为耐热金属层,优选地为铝层。
另选地,至少一个覆盖层也可以设计为耐热塑料层,优选地聚酰亚胺层,或设计为耐热织物层,优选地玻璃织物层。
设计为金属、塑料或织物层的覆盖层的厚度优选地小于100μm,特别优选地小于80μm,特别地在20和50μm之间。
根据一种优选实施方案,隔热元件具有由织物制成的层。织物可形成至少一个覆盖层和/或附加层。优选地,织物在外部布置在隔热元件上。织物可以具有金属纤维特别是不锈钢纤维和/或铝纤维、玻璃纤维、碳纤维、硅酸盐纤维和/或其混合物或者由上述的纤维构成。特别地,隔热元件的机械稳定性可通过使用织物作为覆盖层被显著地提高和/或改善。这作为电池单元爆炸时的机械保护特别有利。
优选地,例如如果覆盖层具有织物或由织物形成,则至少一个覆盖层或隔热元件设计为可透过空气和/或可透过气体的。这可以减小被一个或多个隔热元件包围和/或围绕的电池爆炸的风险,因为以这种方式爆发性气体可以通过覆盖层排出。
特别优选地,至少一个覆盖层或两个覆盖层设计成耐热云母层,优选地为云母纸层或云母板。特别地,设计为云母层的覆盖层的厚度小于3mm,优选地小于2mm,特别地小于1mm,尤其优选地在0.05mm和0.15mm之间。这允许高的耐热性,同时允许柔性和/或可弯曲性。
特别优选地,第一覆盖层设计为耐高温云母层,优选地为云母纸层,而第二覆盖层设计为铝层,优选地为铝箔。另选地,第二覆盖层还可设计为塑料层,优选地为聚酰亚胺层。通过上述的材料配对可以优化热隔离。这已经通过实验确认。
特别优选地,中间片层具有两个纤维层,特别地由针缝的无纺布制成,其中纤维层通过耐热和/或弯曲柔弱的中间层彼此分隔。通过这样形成的多层结构(通过中间层分隔的两个或更多个隔热层或纤维层)可以进一步改善中间片层的隔热性能,因为中间片层内的中间层形成纤维层之间的热屏障,并因此进一步减少和/或限制通过中间片层或隔热元件的热量扩散。这也已经在实验中确认。
特别优选地,中间层设计为耐高温塑料层,优选地为聚酰亚胺膜,或设计为铝层,特别为铝箔。
中间层的厚度优选地小于100μm,尤其优选地小于80μm,特别地在20和50μm之间。
优选地,至少一个覆盖层和/或中间层具有大于1kV/mm的介电强度,优选地大于1.5kV/mm,特别地大于2kV/mm。这避免和/或延迟电弧或电火花的形成。
特别地,隔热元件—优选地在安装状态—的厚度小于7mm,优选地小于6mm,特别地在2和3mm之间。这允许即使在窄安装间隙的情况中灵活和容易地安装到电池中。
特别地,隔热元件在至少一个平坦侧上至少局部地具有粘合层或在一个平坦侧上至少局部地为自粘合的。这允许隔热元件容易地布置或附接至电池和/或另外的隔热元件上或电池和/或另外的隔热元件中。
优选地,覆盖层和中间片层彼此粘合或以其他方式连接成复合物。以这种方式,实现了机械稳定的层复合物。
特别地,隔热元件具有大于20kV/mm的介电强度,优选地大于30kV/mm,特别地为40至70kV/mm。
优选地,隔热元件具有小于1500g/m2的单位面积重量,优选地小于1300g/m2,特别地小于1000g/m2,和/或大于150g/m2,优选地大于200g/m2,特别地大于300或400g/m2。
隔热元件的导热性在25℃的室温小于0.1W/mK,优选地小于0.08W/mK,特别地小于0.04W/mK。
所提出的电池,优选为锂离子电池,特别地为用于电动车辆的牵引电池的形式,具有壳体和至少一个所提出的多层隔热元件,多层隔热元件布置在壳体中和/或壳体上用于热隔离。这带来相应的优点。
优选地,隔热元件在外部或内部上侧上至少部分地、优选地完全地或在整个面上封闭或隔离电池或电池单元或壳体。这允许朝向上方或相对于电池上方布置或邻接的区域对电池有效的热隔离,特别是相对于车辆的车辆内部空间。这样,存在于该区域或空间中的人员或驾乘人员或物体被有效地或足够长时间地—即直到救援或恢复措施已经完备—保护避开电池中不受控的生热。
另选地或附加地,隔热元件可放置在壳体中的两个相邻电池单元之间,并将两个相邻电池单元彼此热隔离。以这种方式,从一个电池单元至下一个或相邻的电池单元的热击穿的蔓延被有效地延迟和/或限制,因此防止或至少显著地延迟来自电池的热量和/或碎片的爆发性释放。
特别地,隔热元件安置或附接在壳体盖或壳体的壳体顶部上或壳体盖或壳体的壳体顶部中,优选粘合。
隔热元件可尤其在其整个面上安置在壳体或壳体盖的面向壳体内部空间的、在安装状态中优选地位于上部的内侧上。以这种方式,实现有效的上侧热隔离。
另选地或附加地,隔热元件或另一隔热元件可以横向于或垂直于内侧安置或取向,特别是使得隔热元件可容易地插入在两个相邻电池单元之间。
另选地或附加地,隔热元件或另一隔热元件可在内侧布置在壳体内部空间的底部或下侧上。以这种方式,能够保护电池免受从下侧作用在电池上的热量,例如在道路上燃料起火的情况中。
另选地或附加地,隔热元件或另一隔热元件可在内部布置在壳体的侧壁上和/或内部空间的侧壁上。
优选地,在电池中布置至少两个隔热元件,其中至少一个第一隔热元件将壳体或壳体内部空间在上侧隔离,并且至少一个第二隔热元件布置在相邻电池单元之间。以这种方式,可同时实现原理上也可彼此独立地实现的相应优点,即一方面实现电池的上侧热隔离,另一方面实现延迟或减少相邻的电池单元、包装或模块之间的热传播。
特别地,第二隔热元件横向或垂直地安置在第一隔热元件上,优选地粘合、缝合或以其他方式牢固地连接。
在所提出的电池的情况中,特别有利的是,隔热元件具有由织物、优选地金属网、特别地不锈钢金属丝网制成的至少一个覆盖层和/或附加层。如上所述,爆发性气体因此可以通过覆盖层逸出,因此减小电池爆炸的风险。
此外,由织物制成的覆盖层或附加层优选地提供高的机械稳定性,以便在电池爆炸时可以有效地保护车辆内部中的乘客避开碎片。
还可能通过织物提供对爆发性和/或有毒或有害健康的气体的过滤功能,以便车辆内部中的乘客被保护避开这种气体。优选地,织物被设计成使得这种气体中的至少一部分在织物处被隔开。因此减小由这种气体和/或排放气体引起的对人的风险。
总体上,应注意通过根据本发明的所提出的方面改进或简化了尤其用于电动车辆的电池的热隔离和乘客舱的防火保护。特别地,提出的隔热元件实现一方面的电池和另一方面的优选地在电池上方布置或邻接的车辆内部空间之间的非常有效的隔热。另选地或附加地,一个电池单元至相邻电池单元的热传递或热击穿被延迟或限制,因此防止或至少显著地延迟电池的破坏或爆炸。因此提供充足的时间用于救援或恢复,在该时间内驾乘人员被充分地保护避开电池中的不受控生热。
附图说明
本发明的上述方面和特征以及得自权利要求和后面的说明的本发明的方面和特征原则上可彼此独立地实现,还可以任何组合或顺序实现。从权利要求和后面基于附图对优选实施方式的说明获得本发明的另外的优点、特征、特性和方面。附图中示出:
图1A为提出的用于热隔离的多层隔热元件的示意性截面图;
图1B为根据另一实施方式的多层隔热元件的示意性截面图;
图1C为提出的根据再一实施方式的隔热元件的示意性截面图;
图1D为织物的示意性图示;
图2为内部布置有隔热元件的电池的示意性截面图,该电池布置或安装在示意性指示的车辆中;
图3为根据另外的实施方式的具有有序的隔热元件的电池的示意性截面图;
图4为用于对提出的隔热元件执行温度测量的第一实验设置;
图5为用于对提出的隔热元件执行温度测量的第二实验设置;
图6为对提出的具有第一层结构的隔热元件测量的第一温度图;以及
图7为对提出的具有第二层结构的隔热元件测量的第二温度图。
具体实施方式
图1A以不按比例的示意性截面图示出了提出的多层隔热元件1。图1B和图1C以同样不按比例的示意性截面图示出了提出的多层隔热元件1的另外的实施方式。示出的实施方式彼此相近并还可任意地彼此组合。特别地,不同的图1A、图1B和图1C仅用于突显不同的优选方面。
隔热元件1特别地设计为平坦层叠。
隔热元件1特别地为可压缩的同时为可弯曲的。
术语“可弯曲的”优选地被理解成意指隔热元件1的弯曲刚度足够低,其中弯曲刚度为对抵抗部件或隔热元件1的弯曲变形的作用力的度量。弯曲刚度优选地根据ISO 56282493确定。为此目的,具有特定尺寸—例如6mm的厚度和60mm×40mm的大小—的板形隔热元件1被夹在可旋转夹持装置中。隔热元件1的自由端触及测力元件的传感器,经由该传感器在夹持装置旋转时相应的接触力被记录。特别地,传感器在距夹持点50mm的距离处接触隔热元件1的自由端。特别地,通过在隔热元件1弯曲15°时在传感器处测量的力确定弯曲刚度。优选地,隔热元件1具有以这种方式确定的小于10N的弯曲刚度,优选地小于5N,特别地小于1N。
术语“可压缩”优选地被理解成意指隔热元件1的压缩硬度足够低,其中压缩硬度表示将测试样品或隔热元件1压缩了其原始厚度的40%所需的压力。优选地,根据DIN ENISO 3386确定压缩硬度,其中使用厚度为5mm和大小为300mm×200mm的板形隔热元件1作为测试样品以及厚度为20mm和大小为190×80mm的铝板作为硬度计压头。优选地,隔热元件1具有以这种方式确定的小于40kPa的压缩硬度,优选地小于30kPa,特别地小于20kPa。
隔热元件1尤其构造成用于图2中示出的电池8的热隔离。将在后文描述电池8的优选结构和电池8中的隔热元件1A、1B的优选布置。
隔热元件1具有第一覆盖层2和第二覆盖层3。覆盖层2、3各自特别地形成隔热元件1的一个(外)平坦侧。
优选地,在覆盖层2、3之间布置可压缩的和/或可弯曲的中间片层4。中间片层4具有至少一个纤维层5—在所示的实例中具有两个或更多个纤维层5。
一个或每个纤维层5优选地由针缝的或增强的无纺布形成。对于本发明的目的,术语“针缝的无纺布”优选地被理解为纺织面料,其纤维通过干法针缝或无粘合剂针缝和/或无熔珠针缝无序地彼此缠绕并因此固定。
纤维层5特别地由玻璃纤维或硅酸盐纤维或其混合物制成。例如,可以使用玻璃纤维,特别地为E-、ECR-或R-玻璃或其混合物制成的玻璃纤维,和/或其他耐热纤维。
纤维优选地具有至少4μm的平均直径,特别地至少6μm,特别优选地基本8至16μm。
纤维的长度优选地大于30mm,优选地大于40mm,特别地基本50至60mm。然而,原则上,纤维的长度还可更长,例如达到约120mm。
优选地,纤维层5不具有粘合剂和/或熔珠。
优选地,纤维层5或中间片层4的单位面积重量小于1000g/m2,优选地小于800g/m2,特别地小于600g/m2,和/或大于150g/m2,优选地大于200g/m2,特别地大于300或400g/m2。
优选地,隔热元件1的单位面积重量小于1500g/m2,优选地小于1300g/m2,特别地小于1000g/m2,和/或大于150g/m2,优选地大于200g/m2,特别地大于300或400g/m2。
优选地,中间片层4的纤维层5由中间层6彼此分隔。中间层6特别地由耐热金属层—优选地铝层—形成。然而,中间层6还可由耐热塑料层—优选地聚酰亚胺层—形成。
隔热元件1还可具有若干个中间层6和相应的若干个纤维层5,特别地,其中两个纤维层5分别由中间层6彼此分隔。
覆盖层2、3优选地设计成弯曲柔弱的,即容易曲折和/或弯曲。在本发明的意义中,“弯曲柔弱的”覆盖层2、3优选地为纸状、织物状或箔状和/或具有小于2mm、特别地小于1mm的厚度。尤其优选地,覆盖层2、3的厚度大于0.05mm和/或小于0.15mm。这使得整个隔热元件1为可压缩和柔性的,其中可压缩性至少基本由于中间片层4的可压缩设计产生。
覆盖层2和3、中间片层4、纤维层5和/或隔热元件1优选地设计为耐热的,特别地高达至少200℃,特别优选地高于250℃、500℃或1000℃。
优选地,覆盖层2、3中的至少一个构造为:耐热金属层,优选地为铝箔;或耐热塑料层,优选地为聚酰亚胺膜;或耐热织物层,优选地为玻璃织物膜;或云母层,优选地为云母纸层。
特别优选地,一个或第一覆盖层2构造为耐热云母层,优选地云母纸层,另外的或第二覆盖层3构造为金属层,优选地为铝箔,或塑料层,优选地为聚酰亚胺膜。然而,覆盖层2、3两者还可以同样地设计,特别地设计为云母层,优选地为云母纸层。这使得特别高的耐热性成为可能。
图1B中特别示出了隔热元件1的实施方式,其中覆盖层2、3同样地设计,例如各自设计为云母层。
根据另外的实施方式,隔热元件1可具有织物21。织物21优选地形成至少基本平面的和/或平坦的层或织物层。
术语“织物”特别地指优选平坦的产品,其由特别至少基本以直角彼此交叉的多个丝线或金属丝形成。丝线或金属丝在横向延伸的丝线或金属丝上方和下方引导,特别地以特定规律或重复顺序。
优选地,织物21形成一个或两个覆盖层2、3。然而,还有可能织物21形成附加层22,附加层22优选地在覆盖层2、3之外附加地设置。附加层在图1C中示出。
织物21优选地为金属网,特别地为由不锈钢和/或铝制成的金属丝网。然而,织物21还可为玻璃纤维织物、碳纤维织物或硅酸盐织物。还有可能织物21为混合织物和/或具有金属纤维—特别地不锈钢纤维和/或铝纤维—玻璃纤维、碳纤维和/或硅酸盐纤维的混合物或由所述混合物构成。
附加层22优选地在外部布置在隔热元件1上。另选地,附加层22可设置在隔热元件1的内部,例如在覆盖层2、3和纤维层5之间,和/或在纤维层5和中间层6之间。
由织物21制成的覆盖层2、3优选地层压或粘合到纤维层5上,或以其他方式牢固地与纤维层5连接。特别优选地,为了将形成覆盖层2、3的织物21与纤维层5连接,使用空气可透过或气体可透过的粘合剂,优选地其中粘合剂允许气体逸出或穿过,但形成对火花或火焰的屏障。这在隔热元件1在电池8中使用时特别有利,这将在后文更详细地说明。
此外,隔热元件1具有附加层22和粘合层7两者的实施方式是可能的,优选地,其中在这种情况中,粘合层7布置在第一覆盖层2处,附加层22布置在第二覆盖层3处,或者与之相反的布置。
织物21优选地具有高耐热性,优选地高达约1150℃的温度。
织物21—特别地金属网—优选地具有至少0.1mm和/或至多0.4mm的网孔大小。特别优选的网孔大小为例如约0.114mm,约0.22mm和约0.315mm。
织物21—特别地金属网—优选地具有至少30%和/或至多60%的敞开筛网区域。特别优选的敞开筛网区域为例如约37.0%,约42.4%和约51%。
优选地,至少一个覆盖层2、3和/或附加层22—特别地织物—为气体可透过的。
优选地,至少一个覆盖层和/或附加层22—特别地织物21—设计成使得爆发性、有毒和/或有害健康的气体在穿过隔热元件1、覆盖层2、3和/或附加层22时,例如机械地和/或化学地被过滤或被吸收。
优选地,至少一个覆盖层2、3和/或附加层22—特别地金属网—或隔热元件1作为整体具有的机械稳定性使得在电池8爆炸时没有碎片可穿过隔热元件1。
特别地在未压缩状态或交付状态中,隔热元件1优选地具有小于15mm的厚度,优选地小于10mm,特别地在6和8mm之间。
特别优选地,隔热元件1或至少一个覆盖层2、3和/或中间层6具有大于20kV/mm的介电强度,优选地大于30kV/mm,特别为40至70kV/mm。
覆盖层2、3和中间片层4特别地通过粘合彼此连接。特别地,耐热粘结剂用于此目的。然而,诸如缝合或焊接的其他连接技术也是可能的。
优选地或可选地,至少一个覆盖层2、3—在图示实例中为第一覆盖层2—具有粘合层7,以便根据需要将隔热元件1附接在电池8的一部分上和/或另一隔热元件1上或固定在那里。
粘合层7特别地由丙烯酸酯粘合剂构成。
粘合层7的单位面积重量优选地小于150g/m2,优选地小于120g/m2,特别地在50和100g/m2之间。另选地或附加地,粘合层7还可以被设计为双面胶带。
然而,粘合层7不是必须的,而仅是可选的,特别地从图1B和图1C中可见。
在后文中,基于图2更详细地解释所提出的布置或所提出的隔热元件1A和1B以及可选的另外的所提出的隔热元件1C和1D在电池8中的用途。隔热元件1A至1D可根据上文说明的实施方式相同地或不同地设计。
在后文中,为了区分,隔热元件1A至1C被称为第一隔热元件1A、第二隔热元件1B、第三隔热元件1C和第四隔热元件1D。然而,这仅用于区分不同的隔热元件,不暗示例如如果设置了第三隔热元件1D,则第二隔热元件1B也必须存在。
特别地,用于供电的电池8布置在或安装在示意性绘出的车辆14尤其是电动车辆中。特别地,在安装状态,电池8位于车辆内部空间15下方,例如在车辆14的乘客区域或其他内部区域下方。
电池8优选地具有壳体9,壳体9具有下部壳体部分10和上部壳体部分或壳体盖11。壳体9优选地由非传导材料例如塑料或由金属构成。
电池8优选地设计为可再充电锂离子蓄电池。另选地,电池8还可由磷酸铁锂、氧化锂钴、锂金属氧化物、锂离子聚合物、镍锌、镍金属、镍镉、镍氢、镍银、镍金属混合物和类似的体系或材料构造或实施或利用上述材料构造或实施。
特别地,电池8具有至少一组电池单元12,电池单元12电互联并容纳在壳体9中,优选地在下部壳体部分10中。
第一隔热元件1A安置或固定、优选粘合在电池单元12上方和/或壳体9的壳体盖11上,尤其通过粘合层7。
特别优选地,第一隔热元件1A在整个面上安置在壳体盖11的面向壳体内部空间的内侧13上。第一隔热元件1A因此在上侧封闭或隔离下部壳体部分10或电池8或其电池单元12。
以这种方式,实现对车辆内部空间15的特别有效的上侧隔热和防火保护,以便有效地和/或足够长时间地保护其中存在的人员或物体避开电池8中不受控的生热。气密结构还防止或减小客舱方向上的气体爆炸式传播。
特别优选地,第一隔热元件1A的面向壳体内部空间或电池单元12的第二覆盖层3被设计为云母层,优选地为云母纸层,其中背离电池单元12或壳体内部空间的第一覆盖层2被设计成用于紧固在壳体盖11上并特别地设置有粘合层7。这改善了耐热性,同时便于操纵或隔热元件1在壳体9上的紧固。
另选地或附加地,至少一个(另外的和/或第二)隔热元件1B布置在相邻的电池单元12之间,在图示实例中在两组电池单元12之间,由此两组电池单元12彼此热隔离和/或分隔。
特别优选地,隔热元件1B推入、按压入或以另外的方式引入电池单元12之间。
特别地,隔热元件1A和/或1B包围和/或围封至少一个电池单元12或一组电池单元12,优选地在全部侧面,以及/或者特别地使得电池单元12或电池单元12的组经由隔热元件1A或1B以减震方式安装或布置在壳体9中。除了有效的特别是全面的隔热,这还使得电池单元12能够以耐用或结实的方式安装,因为任何冲击或振动被可压缩的隔热元件1A或1B抑制和/或吸收。
特别地,第二隔热元件1B横向于或垂直于壳体盖11的内侧13安置或竖直取向,特别是使得在壳体盖11放置在下部壳体部分10上时第二隔热元件1B可引入在电池单元12之间。
第二隔热元件1B可选地横向地或垂直地安置或紧固在第一隔热元件1A上,例如粘合、缝合或以任何其他方式与其连接。
电池8可具有多个第二隔热元件1B。优选地,在若干个电池单元12之间,特别地在全部电池单元12之间,布置或设置第二隔热元件1B。在图3中,示意性地示出具有若干个隔热元件1B的电池8。
作为第一隔热元件1A和/或第二隔热元件1B的替换或附加,电池8可以具有另外的或第三隔热元件1C,例如在图3中示出的。第三隔热元件1C优选地与第一隔热元件1A相对布置和/或布置在壳体内部空间13的下侧或底部上,特别地在壳体9的内侧13上。优选地,下侧或底部完全地和/或在整个面上被第三隔热元件1C覆盖。
特别地,除第一隔热元件1A、第二隔热元件1B和/或第三隔热元件1C之外,还可以设置另外的或第四隔热元件1D。优选地,另外的或第四隔热元件1D设置或布置在内侧或壳体9的一个或多个侧壁上。优选地,侧壁被第四隔热元件1D完全覆盖或热隔离。
优选地,在电池8或壳体9中,织物层或织物21—如果存在—布置在隔热元件1A、1C、1D的面向内部空间13的侧面上。
优选地,隔热元件1A、1C、1D布置在内侧13上或壳体9的内部空间中。
隔热元件1A-1D优选地各自布置在电池单元12之间或电池单元12和壳体9之间。
电池单元12优选地至少基本完全地和/或在全部侧面被一个或多个隔热元件1A-1D包围和/或围绕。
电池8或壳体9可以具有用于气体逸出的出口23。这在图3中作为实例示出。
出口23优选地布置在壳体盖11中或在电池8或壳体9的上侧上。优选地,出口23由穿透壳体盖11和/或隔热元件1A的开口形成。气体可以通过出口23从壳体9逸出,因此减小爆炸风险。
出口23可以具有用于气体的过滤器24,和/或阀25、特别地为单向阀。通过该阀,可确保气体可从电池8逸出但没有气体可进入电池8。
图4和图5示意性地示出用于对提出的隔热元件1执行温度测量的测试结构或测试装置。
在执行的测试中,检查提出的隔热元件1的隔热功能或隔热能力。为此目的,经由加热元件16、优选加热箔将热量专门地引入壳体9或相当的结构中,以便模拟与不受控生热或热击穿的情况中的温度条件相当的温度条件。产生的温度图或温度曲线在对于具有第一层结构的隔热元件1的图6以及对于具有第二层结构的隔热元件1的图7中示出。
在图4中示出的测试结构中,为了模拟不受控的生热或热击穿,将加热元件16引入电池单元12’和电池单元12”之间,并连续地加热至高于120℃、优选地高于200℃的温度,其中电池单元12’位于从隔热元件1开始的第二位置处,电池单元12”位于从隔热元件1开始的第三位置处。
同时,一方面在背离加热元件16的冷侧17上、另一方面在面向加热元件16的热侧18上,通过测量装置、特别是热电偶测量隔热元件1处产生的温度曲线或温度升高,其中对每个层结构执行两次测量。
图6中的曲线M1和M2示出了每次测量的具有第一层结构的隔热元件1的冷侧17上产生的温度曲线,图7中的曲线M1和M2示出了具有不同的或第二层结构的隔热元件1的相应温度曲线。
总体上,要借助图4中示出的测试结构检查或验证关于到壳体9内的相邻电池单元12的热能传递的限制和/或延迟的隔热功能。
根据图5的第二测试结构与第一测试结构的不同之处在于对在电池单元12上侧延伸的隔热元件1确定温度曲线。因此应检查或验证对电池8的相邻空间、特别是车辆内部空间15的隔热功能或热隔离。
为此目的,与第一实验结构相似,将加热元件16特别是加热箔布置在相邻电池单元12之间并加热至至少120℃,优选地至少200℃,以模拟不受控的生热或热击穿。通过测量装置特别是热电偶,一方面在隔热元件1的背离加热元件16的冷侧19上,另一方面在隔热元件1的面向加热元件16的热侧20上记录温度曲线或温度升高。
图6中的曲线M3示出了具有第一层结构的隔热元件1的冷侧19上产生的温度曲线,图7中的曲线M3示出了第二层结构产生的温度曲线。
在图6中示出的温度图中,使用具有如下的第一层结构的隔热元件1:
X轴代表以分钟计的时间过程。轴线以“0”开始,这标记接通加热箔16的起始点。
Y轴代表以℃计的温度。曲线在刚刚高于20℃处开始,这基本为环境温度。
如已经提及的,冷侧17或19上应尽可能长时间处于120℃以下的温度,特别地在80℃以下,以避免损坏或短路,以及/或者防止电池8的整体破坏或爆炸,特别是足够长时间地保护车辆内部空间15避开热量、气体和/或碎片的释放。
在曲线M3上(即在冷侧19上,图5),全部测量的最高温度为115.4℃,更确切地说在约30min后。在这种情况中,在相对的热侧20上的最高温度为837℃。
在曲线M1(冷侧17上的第一测量,图4)中,最高温度92.75℃在约20min后达到。在这种情况中,相对的热侧18上的最大温度为730℃。
在曲线M2(冷侧17上的第二测量,图4)中,最大温度89℃同样在约20分钟之后达到。在这种情况中,相对的热侧18上的最高温度为728℃。
因为曲线M1和M2为相同测量系列(图4的测试结构)的两个测量,所以曲线M1和M2—如期望的—仅微小地偏离彼此。
一方面曲线M3(图5的测试结构)与另一方面曲线M1和M2(图4的测试结构)的比较首先表明最高温度(115.4℃)在冷侧19上测得。然而,这个温度在大于30分钟之后才达到——因此显著地晚于其他曲线M1和M2中的情况。直到在引入热量之后约25min,曲线M3才明显地在其他两条曲线M1和M2以下,直到此时才升高。在这个方面,特别地在第一个20至25分钟内,冷侧19上的有效隔热以及因此对在上侧毗邻的空间或车辆内部空间15的高水平热保护成为可能。
此外,结果显示对相邻电池单元12的热传递或热击穿被有效地延迟或抑制,因为未在全部曲线M1至M3中都达到最大极限温度120℃。这消除或至少最小化损坏或短路的风险。
此外,可相对经济地实现第一层结构。
在图7中示出的第二温度图的框架内,使用具有如下的第二层结构的提出的隔热元件1:
X轴代表以分钟计的时间过程。轴线以“0”开始,接通加热箔14或15的开始点在此起始,以便电池单元12A-E的相应组(参见图5)中的生热在此起始。
Y轴代表以℃计的温度。曲线在刚刚高于20℃处开始,该温度基本为环境温度。
在曲线M1上(即在冷侧17上的第一次测量中,图4)在76.5℃处确定全部测量的最高温度,更确切地说在10分钟之后。在这种情况中,相对的热侧18上的最大温度为1300℃。
在根据图4的第二测量中,对于曲线M2,75℃的最大温度在冷侧17上在35分钟之后达到。在这种情况中,在相对的热侧20上的最大温度为1000℃。
对于曲线M3,在55分钟之后在冷侧19上达到最大温度70℃。在这种情况中,在相对的热侧20上的最大温度为730℃。
因此,未在全部情况中达到优选的最大极限温度80℃,使得已经避免或至少减小相邻电池单元的加速老化。
一方面曲线M3(图5的测试结构)与另一方面曲线M1和M2(图4的测试结构)的比较显示了在冷侧19(曲线M3)上不仅存在最低的最大温度(70℃),而且在明确更晚、确切地说约55min之后的时间才存在该最大温度。然而,在相应的热侧20上还确定了最低温度(730℃)。
此外,从图7中可看到在第二层结构中在约11至12分钟的时间T之后才记录到曲线M1至M3之一中的显著温度增加。
图6中说明的过程还确认了在冷侧19上尤其在热输入的第一分钟—图7中直到约45分钟之后—相对于冷侧17(曲线M1和M2)存在明显更低的温度。在这个方面,具有第二层结构的隔热元件1使得对相邻空间或区域、特别是车辆内部空间15的特别有效的隔热成为可能。
图7的曲线M1至M3(第二层结构)与图6的相应曲线(第一层结构)的比较还显示通过第二层结构可实现进一步改进的隔热功能。特别地,实现最大温度的减小,其中曲线M3中的差别(第一层结构的115.4℃相比于第二层结构的70.0℃)特别显著。这证明了第二层结构作为上侧隔热件的特别有利的用途。
总体上,由于中间片层4的多层结构,特别地具有布置在其中作为中间层6的聚酰亚胺层,第二层结构允许优化热击穿的减少并因此允许特别有效的隔热功能。
被纤维无纺布保护的聚酰亚胺层即使在热爆炸之后还保持其结构,使得维持电隔离。
整体上,测试显示出提出的隔热元件1既适合于限制电池8内的热量也适合于上侧布置和/或隔离,即尤其适合于相邻车辆内部空间15的热保护。在第二层复合物的情况下效率最优,其中第一层复合物允许相对低成本的实施并具有同样有效的隔热功能。
本发明还涉及提出的隔热元件1在电池8上和/或中的使用,电池8优选为锂离子电池,特别地为用于电动车辆的牵引电池。
特别地,隔热元件1在上侧放置在壳体9上以实现上侧热隔离。
另选地或附加地,用于热隔离的隔热元件1布置在两个相邻电池单元12之间。
特别地,隔热元件1安置或固定、优选粘合在壳体盖11和/或壳体9的上部壳体部分上。
特别优选地,隔热元件1尤其在整个面上安置在壳体盖11的面向壳体内部空间的内侧13上。
优选地,隔热元件1横向于或垂直于内侧13安置和/或取向。
特别地,使用至少一个第一隔热元件1A和至少一个第二隔热元件1B,其中第一隔热元件1A在上侧封闭和/或热隔离壳体内部空间,并且第二隔热元件1B布置在相邻电池单元12A-E之间。
优选地,第二隔热元件1B特别是横向和/或垂直地安置在第一隔热元件1A上,优选粘合、针缝或焊接。
如已经提及的,本发明的各个方面可任意组合,也可彼此独立地实现。
附图标记列表
1 隔热元件
1A (第一)隔热元件
1B (第二)隔热元件
1C (第三)隔热元件
1D (第四)隔热元件
2 第一覆盖层
3 第二覆盖层
4 中间片层
5 纤维层
6 中间层
7 粘合层
8 电池
9 壳体
10 下部壳体部分
11 壳体盖/上部壳体部分
12,12’,12” 电池单元
13 内侧
14 车辆
15 车辆内部空间
16 加热元件
17 冷侧竖向
18 热侧竖向
19 冷侧水平向(在电池上方)
20 热侧水平向(在电池上方)
21 织物
22 附加层
23 出口
24 过滤器
25 阀
M 曲线
T 时间
X 轴线
Y 轴线
Claims (49)
1.一种用于电池(8)的热隔离的多层隔热元件(1),具有:
第一覆盖层(2),
第二覆盖层(3),和
布置在覆盖层(2、3)之间的可压缩和/或可弯曲的中间片层(4),所述中间片层(4)具有至少一个耐热纤维层(5);
其特征在于,
所述纤维层(5)由针缝的无纺布形成,和/或
所述覆盖层(2、3)为弯曲柔弱的,并且所述隔热元件(1)作为整体为可压缩和柔性可弯曲的。
2.根据权利要求1所述的隔热元件,其特征在于,所述纤维层(5)由玻璃纤维或硅酸盐纤维或其混合物制成。
3.根据权利要求1或2所述的隔热元件,其特征在于,所述纤维层(5)的纤维具有大于30mm的长度,优选地大于40mm,特别地基本50至60mm。
4.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述纤维具有至少4μm的平均直径,优选地至少5μm,特别地6至15μm。
5.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述纤维层(5)无粘合剂和/或无熔珠。
6.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述中间片层(4)具有包括至少两个纤维层(5)的多层结构,所述至少两个纤维层(5)由耐热、介电性能强和/或弯曲柔弱的中间层(6)彼此分隔。
7.根据权利要求6所述的隔热元件,其特征在于,所述中间层(6)构造为耐热和/或热反射金属层,优选地为铝层,特别地为铝箔。
8.根据权利要求6所述的隔热元件,其特征在于,所述中间层(6)构造为耐热和/或介电性能强的塑料层,优选地为聚酰亚胺层,特别地为聚酰亚胺膜。
9.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)设计成水蒸气不可透过的,优选地气密的,和/或驱水和/或水密的。
10.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述覆盖层(2、3)的厚度小于1mm,优选地小于0.5mm,特别地小于0.1mm。
11.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)设计为耐热金属层,优选地为铝箔。
12.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)设计为耐热塑料层,优选地为聚酰亚胺膜。
13.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)设计为耐热织物层,优选地为玻璃织物膜。
14.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3),特别地两个覆盖层(2、3)设计为耐热云母层,优选地为云母纸层或云母板。
15.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)或附加层(21)由织物(21)形成。
16.根据权利要求15所述的隔热元件,其特征在于,所述织物(21)为金属网,特别地为由不锈钢和/或铝制成的金属丝网,以及/或者具有金属纤维,特别地为不锈钢纤维和/或铝纤维。
17.根据权利要求15或16所述的隔热元件,其特征在于,所述织物(21)为玻璃纤维织物和/或具有玻璃纤维。
18.根据权利要求15至17中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述织物(21)为碳纤维织物和/或具有碳纤维。
19.根据权利要求15至18中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述织物(21)为硅酸盐织物和/或具有硅酸盐纤维。
20.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述第一覆盖层(2)设计为云母层,优选地为云母纸层,并且第二覆盖层(3)设计为铝层,优选地为铝箔。
21.根据权利要求1至19中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述第一覆盖层(2)设计为云母层,优选地为云母纸层或云母板,并且第二覆盖层(3)设计为聚酰亚胺层,优选地为聚酰亚胺膜。
22.根据权利要求1至19中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述第一覆盖层(2)设计为织物(21),优选地为金属网、玻璃纤维织物、碳纤维织物或硅酸盐织物,并且第二覆盖层(3)设计为铝层,优选地为铝箔。
23.根据权利要求1至19中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述第一覆盖层(2)设计为织物(21),优选地为金属网、玻璃纤维织物、碳纤维织物或硅酸盐织物,并且第二覆盖层(3)设计为聚酰亚胺层,优选地为聚酰亚胺膜。
24.根据权利要求1至19中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述第一覆盖层(2、3)设计为耐热云母层,优选地为云母纸层或云母板,并且第二覆盖层(3)设计为织物(21),优选地为金属网、玻璃纤维织物、碳纤维织物、硅酸盐织物或混合织物。
25.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,除了所述覆盖层(2、3)之外,所述隔热元件(1)具有由织物(21)制成的附加层(22),所述织物优选地为金属网、玻璃纤维织物、碳纤维织物、硅酸盐织物或混合织物。
26.根据权利要求25所述的隔热元件,其特征在于,所述附加层(22)在外部布置在所述隔热元件(1)上。
27.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述覆盖层(2、3)和所述中间片层(4)通过粘合彼此连接。
28.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,至少一个覆盖层(2、3)和/或中间层(6)具有大于1kV/mm的介电强度,优选地大于1.5kV/mm,特别地大于2kV/mm。
29.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述隔热元件(1)具有小于1500g/m2的单位面积重量,优选地小于1300g/m2,特别地小于1000g/m2。
30.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述纤维层(5)和/或所述中间片层(4)具有小于1000g/m2的单位面积重量,优选地小于800g/m2,特别地小于600g/m2。
31.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述隔热元件(1)和/或所述纤维层(5)具有大于150g/m2的单位面积重量,优选地大于200g/m2,特别优选地大于300或400g/m2。
32.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述隔热元件(1)的厚度小于7mm,优选地小于6mm,特别地在2和3mm之间。
33.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述隔热元件(1)具有大于20kV/mm的介电强度,优选地大于30kV/mm,特别地为40至70kV/mm。
34.根据前述权利要求中的一项所述的隔热元件,其特征在于,所述隔热元件(1)在至少一个平坦侧上设计为至少局部自粘合的,或具有粘合层(7)。
35.电池(8),优选为锂离子电池,特别地为用于电动车辆的牵引电池,具有:
壳体(9),和
至少一个布置在所述壳体(9)中和/或上的多层隔热元件(1),用于热隔离和防火保护,
其特征在于
所述隔热元件(1)根据前述权利要求中的一项设计。
36.根据权利要求35所述的电池,其特征在于,所述隔热元件(1)将所述电池(8)、所述壳体(9)、壳体盖(11)和/或电池单元(12)在上侧至少部分地、优选完全地或在整个面上重叠或覆盖和/或热隔离。
37.根据权利要求35或36所述的电池,其特征在于,所述隔热元件(1)安置或固定、优选地粘合在壳体盖(11)或所述壳体(9)的上部壳体部分上。
38.根据权利要求36或37所述的电池,其特征在于,所述隔热元件(1)特别地在整个面上安置在所述壳体盖(11)和/或所述壳体(9)的面向壳体内部空间的内侧(13)上。
39.根据权利要求35至38中的一项所述的电池,其特征在于,用于热隔离的所述隔热元件(1)布置在所述电池(8)的两个相邻电池单元(12)之间。
40.根据权利要求35至39中的一项所述的电池,其特征在于,所述隔热元件(1)特别地在整个面上设置或布置在内部空间的下侧上和/或所述壳体(9)的内侧(13)上的底部上。
41.根据权利要求35至40中的一项所述的电池,其特征在于,设置至少一个第一隔热元件(1A)和至少一个第二隔热元件(1B),其中所述第一隔热元件(1A)将所述壳体内部空间在上侧封闭或热隔离,并且所述第二隔热元件(1B)布置在相邻的电池单元(12)之间。
42.根据权利要求41所述的电池,其特征在于,所述第二隔热元件(1B)优选横向地或垂直地以热隔离的方式安置在、优选地粘合、针缝或焊接在所述第一隔热元件(1A)上。
43.根据权利要求35至42中的一项所述的电池,其特征在于,设置多个隔热元件(1B),所述多个隔热元件(1B)各自布置在相邻的电池单元(12)之间,特别地在全部电池单元(12)之间。
44.根据权利要求35至43中的一项所述的电池,其特征在于,设置至少一个第一隔热元件(1A)和至少一个另外的或第三隔热元件(1C),其中所述第一隔热元件(1A)设置在所述壳体(9)的内部空间(13)的上侧上或在所述壳体(9)的壳体盖(11)上,并且所述另外的或第三隔热元件(1C)设置或布置在所述内部空间的下侧上和/或在所述壳体(9)的所述内侧(13)的底部上。
45.根据权利要求35至44中的一项所述的电池,其特征在于,设置至少一个第一隔热元件(1A)和至少一个另外的或第四隔热元件(1D),其中所述第一隔热元件(1A)设置在所述壳体的内部空间(13)的上侧上或在所述壳体(9)的壳体盖(11)上,并且所述另外的或第四隔热元件(1D)设置或布置在所述内侧(13)或所述壳体(9)的一个或多个侧壁上。
46.根据权利要求35至45中的一项所述的电池,其特征在于,所述电池(8)的电池单元(12)至少基本完全和/或在全部的侧面被一个或多个隔热元件(1、1A、1B、1C、1D)包围或围绕。
47.根据权利要求35至46中的一项所述的电池,其特征在于,所述电池(8)或所述壳体(9)具有用于气体逸出的出口(22)。
48.根据权利要求47所述的电池,其特征在于,所述出口(22)具有过滤器(23)和/或阀(24)。
49.多层隔热元件(1)用于电池(8)的热隔离的用途,其特征在于,将多层的并且整体柔性且可压缩的隔热元件(1)为了热隔离布置在相邻的电池单元(12)之间和/或电池单元(12)的上方,所述多层隔热元件(1)具有长纤维针缝无纺布作为纤维层(5)和/或所述多层隔热元件(1)为根据权利要求1至33中的一项所述的隔热元件。
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