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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Batterie mit mehreren Einzelzellen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrochemische Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bekannt, welche aus mehreren elektrisch parallel und/oder in Reihe verschalteten Einzelzellen gebildet sind. Die Einzelzellen weisen einen runden oder eckigen Querschnitt auf.
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Stand der Technik ist die Beschichtung von elektrisch leitenden Abschnitten von Einzelzellen, beispielsweise mittels des Aufbringens von Schrumpfschläuchen oder isolierenden Beschichtungen. Diese sind in einem aufwendigen Bearbeitungsschritt auf die jeweilige Einzelzelle aufzubringen und empfindlich gegenüber Beschädigungen, insbesondere während einer Montage, beispielsweise durch Anschlagen oder Kratzen an Nachbarbauteilen. Ein Höhenausgleich unterschiedlich hoher Einzelzellen gegenüber einer Wärmeleitplatte ist damit nicht möglich. Ein solcher Höhenausgleich wird beispielsweise mittels separater Federelemente, Schaumstoffmatten oder Wärmeleitfolien vorgenommen.
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Die
US 6 677 728 B2 beschreibt ein Batteriegehäuse mit demontierbaren Gehäusewandungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrochemische Batterie mit mehreren Einzelzellen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrochemische Batterie mit mehreren Einzelzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der elektrochemischen Batterie mit mehreren Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle ein Zellgehäuse umfasst, und jedes Zellgehäuse einen Zellkopf, einen Zellfuß und eine Zellwand aufweist, ist erfindungsgemäß am Zellkopf und/oder am Zellfuß und/oder an der Zellwand einer jeden Einzelzelle zumindest ein umlaufendes Isolationselement form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist außenseitig am zellkopfseitigen oder zellfußseitigen Isolationselement ein plastisch oder elastisch verformbarer Bereich ausgebildet oder form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet.
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Aus der Ausbildung der Isolationselemente als direkt an einer Einzelzelle angeordnetes multifunktionales Isolations- und Längenausgleichselement resultiert in vorteilhafter Weise eine Reduzierung der Teilevielfalt einer elektrochemischen Batterie.
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Eine vorgebbare Geometrie des Isolationselements ermöglicht ein Einstellen von Zwangsabständen zwischen benachbarten Bauteilen, insbesondere Einzelzellen, innerhalb einer elektrochemischen Batterie. Mittels solcher Zwangsabstände zwischen Bauteilen sind beispielsweise so genannte Luft-/Kriechstrecken für elektrische Ströme ermöglicht.
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Während einer Montage wirken die Isolationselemente als lokale Schutzelemente und bewirken einen Montageschutz der Einzelzelle.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist mittels der zellgebundenen Isolationselemente eine Fixierung von Einzelzellen innerhalb der Batteriestruktur der elektrochemischen Batterie ermöglicht.
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Mittels des plastisch oder elastisch verformbaren Bereichs des Isolationselements kann vorteilhafterweise beim Einsetzen einer Einzelzelle in einen Kühlkörper oder eine Wärmeleitplatte ein Höhenausgleich vorgenommen werden.
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Somit erfolgt ein Höhenausgleich unterschiedlich hoher Einzelzellen in einer elektrochemischen Batterie mittels der Isolationsbauteile als zusätzlich direkt an jeder Einzelzelle angeordnete Bauelemente. Ein solcher Höhenausgleich ermöglicht eine Zusammenfassung der einzelnen Zellverbinder zur Kontaktierung der Einzelzellen zu Zellverbinderplatinen und die Verwendung ebener Zellverbinderplatinen. Herkömmliche separate Bauelemente zum Höhenausgleich wie beispielsweise Federelemente, Schaumstoffmatten oder Wärmeleitfolien sind vermieden.
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In einer möglichen Ausführungsvariante ist mittels eines thermisch isolierend ausgebildeten Isolationselements eine lokale thermische Entkopplung von benachbarten Bauelementen erreichbar.
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In einer alternativen Ausführungsvariante wird mittels eines Wärme leitend ausgebildeten Isolationselements eine Wärmeleitung durch das Isolationselement zur Wärmeleitplatte ermöglicht und somit eine thermische Kopplung zwischen der jeweiligen Einzelzelle und der Wärmeleitplatte verbessert.
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Besonders vorteilhafterweise ist bei einem Einsatz von Vergußmasse innerhalb der elektrochemischen Batterie eine Zellfixierung verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Isolationselements,
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2 schematisch eine Seitenansicht einer Einzelzelle mit daran angeordnetem Isolationselement,
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3 schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Einzelzelle und einer Wärmeleitplatte,
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Isolationselements,
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5 schematisch eine weitere perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Isolationselements,
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6 schematisch eine Seitenansicht einer in oder an einer Wärmeleitplatte angeordneten Einzelzelle,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer alternativ ausgeformten Einzelzelle mit daran angeordnetem Isolationselement,
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8 schematisch eine weitere perspektivische Ansicht einer alternativ ausgeformten Einzelzelle mit daran angeordnetem Isolationselement und
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9 schematisch eine Seitenansicht einer mittels einer Mehrzahl von Isolationselementen in oder an einer Wärmeleitplatte angeordneten Einzelzelle.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Isolationselements 1 in verschiedenen Darstellungen. 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Isolationselements 1. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Einzelzelle 2 mit endseitig daran angeordnetem Isolationselement 1.
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Die Einzelzelle 2 ist Teil einer herkömmlichen, nicht dargestellten elektrochemischen Batterie. Bei der Batterie handelt es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie zur Verwendung als Energiespeicher für elektrische Energie in einem nicht dargestellten Fahrzeug. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei mittels der in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie zumindest ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs betreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Batterie, eine so genannte Starter-Batterie, zum Starten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verwendbar, wobei das Fahrzeug hierbei auch ausschließlich einen Verbrennungsmotor zum Antrieb aufweisen kann.
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Die Batterie umfasst mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen 2, welche als so genannte prismatische (wie in 7 und 8 dargestellt) oder runde (wie in 2 und 3 dargestellt) Einzelzellen 2 ausgebildet sein können. Jede der Einzelzellen 2 weist ein Zellgehäuse 3 und einen in dem Zellgehäuse 3 angeordneten elektrochemisch aktiven Elektrodenstapel auf. Der Elektrodenstapel ist in nicht dargestellter Weise aus gestapelten Anoden- und Kathodenfolien gebildet, welche jeweils durch eine Separatorfolie voneinander getrennt sind. Die Anoden- und Kathodenfolien sowie die Separatorfolie sind herkömmlicherweise auf einen flachen Dorn gewickelt, so dass der Elektrodenstapel einen Elektrodenwickel bildet. Alternativ ist der Elektrodenstapel in ungewickelter Form innerhalb des Zellgehäuses 3 angeordnet.
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Das Zellgehäuse 3 umfasst endseitig einen Zellkopf 4 und einen Zellfuß 5 sowie eine zwischen Zellkopf 4 und Zellfuß 5 angeordnete Zellwand 6.
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Zur elektrischen Kopplung umfasst jede der Einzelzellen 2 Polkontakte 7, 8, wobei die Einzelzellen 2 einer elektrochemischen Batterie mittels nicht dargestellter Zellverbinder elektrisch parallel und/oder in Reihe miteinander gekoppelt sind. Für diese elektrische Kopplung mittels der Zellverbinder ist es erforderlich, dass ein Abstand zwischen den Polkontakten 7, 8 benachbarter Einzelzellen 2 konstant ausgebildet ist.
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Weiterhin müssen die Polkontakte 7, 8 aller Einzelzellen 2 einer elektrochemischen Batterie in einer Höhe angeordnet sein, damit alle Zellverbinder in einer leicht montierbaren Zellverbinderplatine anordenbar sind.
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An einer Einzelzelle 2 ist zumindest ein Isolationselement 1 am Zellfuß 6 umlaufend form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet.
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In alternativen, beispielsweise in 9 dargestellten Ausführungsvarianten können an jeder Einzelzelle 2 mehrere umlaufende Isolationselemente 1 im Bereich von Zellkopf 4 und/oder Zellfuß 5 und/oder Zellwand 6 angeordnet sein.
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Für eine in 2 dargestellte runde Einzelzelle 2 ist das umlaufende Isolationselement 1 ringförmig ausgebildet.
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In einer ersten Ausführungsvariante weist das Isolationselement 1 abschnittsweise eine Querschnittsverringerung auf, so dass ein herkömmlicher Bund 9 oder Absatz ausgebildet ist. Auf Grund dieses Bundes 9 oder Absatzes umschließt oder umgibt das jeweilige Isolationselement 1 umlaufende Zellgehäusekanten des Zellgehäuses 3 an Zellkopf 4 oder Zellfuß 5.
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In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Isolationselement 1 ringförmig ohne Querschnittsverringerung ausgebildet. Dabei ist das Isolationselement 1 korrespondierend zu einem Außenumfang der Zellwand 6 der Einzelzelle 2 ausgeformt und auf dieser Zellwand 6 höhenveränderlich verschiebbar aufgesetzt.
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In einer möglichen Ausführungsvariante ist am Isolationselement 1 zumindest eine Befestigungslasche 10 ausgebildet. Dabei sind bevorzugt mehrere Befestigungslaschen 10 gleichmäßig verteilt am Außenumfang der Zellwand 6 der Einzelzelle 2 angeordnet. Diese Befestigungslaschen 10 verbessern und erleichtern eine Montage und eine Fixierung des Isolationselements 1 an der Einzelzelle 2.
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Das Isolationselement 1 ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden und/oder Wärme leitenden Werkstoff gebildet. Beispielsweise ist das Isolationselement 1 aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch der Gruppe der so genannten PA6-Kunststoffe gebildet.
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Eine Fixierung des Isolationselements 1 an der jeweiligen Einzelzelle 2 erfolgt in herkömmlicher Weise form-, stoff- und/oder kraftschlüssig.
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Eine nicht dargestellte formschlüssige Verbindung ist beispielsweise mittels entsprechender Führungselemente wie Nuten oder Kanten darstellbar.
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Eine nicht dargestellte kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels einer Verklemmung des Isolationselements 1 auf der jeweiligen Einzelzelle 2 durch Elastizität oder Aufschrumpfen mittels Erwärmung oder einer Montage in erwärmten Zustand und nachfolgender Abkühlung erfolgen.
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Eine nicht dargestellte stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels Verklebens oder Aufschmelzens erfolgen.
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 2 mit am Zellfuß 5 angeordnetem Isolationselement 1 und einer Wärmeleitplatte 11.
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Da sich die Einzelzellen 2 während ihres Betriebes aufgrund von Verlusten erwärmen, sind diese Wärme leitend mit einer herkömmlichen Wärmeleitplatte 11 gekoppelt, um die Verlustwärme von den Einzelzellen 2 abzutransportieren. Dazu zirkuliert in der Wärmeleitplatte 11 in nicht näher dargestellter Weise ein Kühlmittel.
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Zwischen den benachbarten Einzelzellen 2 sind an der Wärmeleitplatte 11 herkömmliche dornenförmige Positionierelemente 13 angeordnet. Weiterhin ist zwischen den Einzelzellen 2 und der Wärmeleitplatte 11 eine so genannte Hybridmatte 12 angeordnet.
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Eine Anordnung von mehreren Einzelzellen 2 in einem Zellverbund einer elektrochemischen Batterie und eine einfache elektrische Kontaktierung der Einzelzellen 2 mittels Zellverbinder sind nur dann möglich, wenn die Einzelzellen 2 in einem definierten Abstand zueinander und die Polkontakte 7, 8 in gleicher Höhe angeordnet sind.
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Der Einsatz des Isolationselements 1 ermöglicht in Kombination mit einer solchen Hybridmatte 12 zum Höhenausgleich unterschiedlich hoher Einzelzellen 2 eine ebene Zellverbinderplatine. Ein solcher Höhenausgleich ist durch die unterschiedliche Höhe der Einzelzellen 2, bedingt durch Fertigungstoleranzen, einer elektrochemischen Batterie notwendig.
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Dabei ist der Höhenausgleich durch unterschiedlich tiefes Verpressen der jeweiligen Einzelzellen 2 in der kompressiblen Hybridmatte 12 ermöglicht, wobei diese Hybridmatte 12 beispielsweise aus elastischen auf einer Trägerfolie angeordneten Schaumstoffringen gebildet ist.
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Das Isolationselements 1 wirkt dabei als ein isolierendes Abstandselement zur elektrisch leitenden Wärmeleitplatte 11. Die Positionierelemente 13 führen die Einzelzelle 2 dabei in die Endlage und ermöglichen durch ihre Ausformung einen gleichmäßigen Abstand.
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Die 4 und 5 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Isolationselements 1 in verschiedenen Darstellungen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist außenseitig am zellkopfseitigen oder zellfußseitigen Isolationselement 1 ein plastisch oder elastisch verformbarer Bereich 14 ausgebildet oder form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet. Dabei wird die von der Einzelzelle 2 abgewandte Seite des Isolationselements 1 als außenseitig bezeichnet.
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Der plastisch oder elastisch verformbare Bereich 14 kann dabei einstückig mit dem übrigen Isolationselement 1 ausgebildet und an diesem angeformt sein. Beispielsweise ist der verformbare Bereich 14 mittels einer auf- oder angespritzten elastischen Lippe gebildet.
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Alternativ dazu kann der verformbare Bereich 14 als lokale Schwächung oder Schlitzung des Isolationselements 1 ausgebildet sein. Eine solche Querschnittsverringerung des Materials des Isolationselements 1 bewirkt eine Flexibilität des betreffenden Bereichs 14.
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Weiterhin kann der plastisch oder elastisch verformbare Bereich 14 form-, stoff- und/oder kraftschlüssig am Isolationselement 1 angeordnet sein. Beispielsweise ist der verformbare Bereich 14 mittels Ankleben, Anstecken oder Anspritzen eines umlaufenden elastischen Elastomer- oder Schaumstoffelements am Isolationselement 1 gebildet.
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Alternativ dazu kann der verformbare Bereich 14 mittels Anordnung einer umlaufenden elastischen Silikonschicht am Isolationselement 1 gebildet sein.
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Die Kombination des Isolationselements 1 mit einem verformbaren Bereich 14 ermöglicht ein multifunktionales Isolations- und Längenausgleichselement. Beim Einsetzen einer Einzelzelle 2 mit einem derartigen Isolationselement 1 in die Wärmeleitplatte 11 wird der verformbare Bereich 14 um den für einen Höhenausgleich der Einzelzelle 2 notwendigen Anteil verformt, um die Einzelzelle 2 in die Endlage zu bringen. Dabei ist die Höhenausgleichsfunktionalität in das Isolationselement 1 integriert.
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6 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer in oder an einer Wärmeleitplatte 11 mittels eines Isolationselements 1 mit verformbarem Bereich 14 angeordneten Einzelzelle 2. Dabei können die Einzelzellen 2 in herkömmlicher Weise mittels einer Vergussmasse 15 an der Wärmeleitplatte 11 fixiert sein.
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Die 7 und 8 zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht einer alternativ ausgeformten Einzelzelle 2 mit daran angeordnetem Isolationselement 1 in verschiedenen Darstellungen. Die Einzelzelle 2 ist dabei als herkömmliche prismatische Einzelzelle ausgeformt und das Isolationselement 1 ist in der beschriebenen Weise ausgeformt.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann das gesamte Isolationselement 1 aus einem elastischen Werkstoff gebildet sein, so dass kein separater verformbarer Bereich 14 ausgebildet ist.
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Weiterhin kann das Isolationselement 1 Wärme leitend ausgebildet sein, so dass eine thermische Ankopplung der Einzelzelle 2 an die Wärmeleitplatte 11 verbessert ist.
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9 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer mittels einer Mehrzahl von Isolationselementen 1 in oder an einer Wärmeleitplatte 11, insbesondere deren Positionierelementen 13, angeordneten Einzelzellen 2. Dabei können die Isolationselemente 1 in radialer Richtung elastisch ausgebildet sein und eine Ausgleichsfunktion auch in radialer Richtung ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolationselement
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Zellgehäuse
- 4
- Zellkopf
- 5
- Zellfuß
- 6
- Zellwand
- 7
- erster Polkontakt
- 8
- zweiter Polkontakt
- 9
- Bund
- 10
- Befestigungslasche
- 11
- Wärmeleitplatte
- 12
- Hybridmatte
- 13
- Positionierelement
- 14
- Bereich
- 15
- Vergussmasse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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