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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem oder mehreren Batteriemodulen, die jeweils eine oder mehrere elektrisch leitfähige Batteriemodul-Komponenten und mehrere, jeweils eine Batteriezelle umfassende Batteriemodul-Untereinheiten mit Hardcase-Gehäuse aufweisen und mit Isolierungskomponenten zur elektrischen Isolierung der Batteriezellen gegenüber der Umgebung ausgestattet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Isolierung von Batteriezellen mit Hardcase-Gehäuse in einem Batteriemodul.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Dafür sind insbesondere Batteriesysteme basierend auf Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Diese zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte sowie eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Derartige Batteriesysteme sind meist aus einzelnen Batterie-Untereinheiten aufgebaut, die sich hinsichtlich der Integrationsstufe weiter in Batteriemodule untergliedern lassen. Die Batteriemodule können typischerweise aus seriell und/oder parallel verschalteten Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut sein.
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Häufig werden in Batteriesystemen sogenannte Hardcase-Batteriezellen eingesetzt, die ein prismatisches oder zylindrisches Metallgehäuse besitzen. Bei dem Verbau in einem Batteriesystem müssen die metallischen Gehäuse der Batteriezellen gegenüber ihrer Umgebung, wie beispielsweise hinsichtlich der benachbarten Batteriezellen oder gegenüber benachbarten Batteriemodulen oder funktionellen Komponenten des Batteriemoduls, elektrisch isoliert werden. Dazu werden typischerweise Verbundstoffe oder Isolationsfolien beispielsweise aus Aramid, Polyimid, wie Kapton® oder andere Produkte verwendet. Ferner werden Schrumpfschläuche, beispielsweise aus Polyester, zur Isolierung von Batteriemodulen oder Batteriezellen eingesetzt.
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In der
DE 10 2008 053 311 A ist ein Beispiel für eine Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodul zusammengefassten Batteriezellen angegeben, wobei bei der dortigen Batteriezellen-Isolation eine plastisch verformbare Folie oder ein Schrumpfschlauch zwischen den Anschlussklemmen der Batteriezellen vorgesehen sein kann.
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Nachteilig an den herkömmlichen Lösungen ist jedoch unter anderem, dass im Laufe des Lebens oder bereits bei der Herstellung der Batteriezellen die Gefahr besteht, dass Feuchtigkeit zwischen die elektrische Isolation und das Metallgehäuse eindringen kann, was die Isolationseigenschaften auf Dauer verschlechtern oder zu Korrosion auf der Zelloberfläche führen kann. Neben einem Funktionalitätsverlust des Batteriesystems können dadurch kritische Betriebszustände mit drastischen Ereignissen für die Umgebung auftreten, bis hin zu Gefahren für den Benutzer. Auch ist eine prozesssichere Verarbeitung der oben genannten Folien oder Schrumpfschläuche aufgrund der Neigung zu Blasenbildung oder der Geometrie der Hardcase-Gehäuse der Batteriezellen problematisch. Ferner geht die elektrische Isolierung oft mit einem hohen notwendigen Aufwand und zusätzlichem Gewicht an den Batteriemodulen einher, wodurch die Performance der Batteriesysteme weiterhin nachhaltig beeinträchtigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden eine Batterie mit einem oder mehreren Batteriemodulen und ein Verfahren zur elektrischen Isolierung von Batteriezellen mit Hardcase-Gehäuse gemäß den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen zur Verfügung gestellt.
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Demnach wird eine Batterie mit Batteriemodulen geschaffen, die jeweils eine oder mehrere elektrisch leitfähige Batteriemodul-Komponenten und mehrere, eine Batteriezelle umfassende Batteriemodul-Untereinheiten aufweisen, die jeweils mit einem Hardcase-Gehäuse ausgestattet sind. Die Batteriemodule sind ferner mit Isolierungskomponenten zur elektrischen Isolierung der Batteriezellen gegenüber der Umgebung ausgestattet. Dabei ist zur gegenseitigen elektrischen Isolierung von benachbarten Batteriezellen untereinander jedes von den Hardcase-Gehäusen mit zumindest einer, für eine Niedervolt-Isolation (LV- oder „Low Voltage“-Isolation) angepassten ersten Isolierungskomponente versehen. Außerdem ist zur elektrischen Isolierung der leitfähigen Batteriemodul-Komponenten bei jeder der Komponenten jeweils zumindest eine, für eine Hochvolt-Isolation (HV- oder „High Voltage“-Isolation) angepasste zweite Isolierungskomponente zwischen einer jeweiligen elektrisch leitfähigen Batteriemodul-Komponente und einem gegenüberliegenden Hardcase-Gehäuse angeordnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die Hardcase-Gehäuse von Batteriezellen jeweils mit einer für eine Niedervolt-Isolation angepassten, ersten Isolierungskomponente versehen. Die Batteriezellen werden zu einem Batteriemodul zusammengefasst, in dem neben den Batteriezellen zusätzlich zumindest eine elektrisch leitfähige Batteriemodul-Komponente vorhanden ist. Verfahrensgemäß werden in dem Batteriemodul ferner eine für eine Hochvolt-Isolation angepasste, zweite Isolierungskomponente zwischen der elektrisch leitfähigen Batteriemodul-Komponente und einem der Hardcase-Gehäuse angeordnet.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine höhere Leistungsdichte der Batteriemodule bei gleichzeitig verringerten Kosten bereitgestellt werden kann. Dies liegt vor allem darin begründet, dass erfindungsgemäß für verschiedenartige Komponenten im Batteriemodul unterschiedliche elektrische Isolationseigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Gesamtisolation typischerweise aus einer Schicht gebildet wird, die den gesamten zu isolierenden Spannungsbereich abdeckt, wodurch die Gesamtisolation sehr stark durch die Hochvolt-Isolierungsanforderungen geprägt wird, wird erfindungsgemäß eine mehr zielgerichtete, zunächst hinsichtlich der verschiedenen Spannungsfestigkeits-Anforderungen differenziertere Vorgehensweise vorgeschlagen. So wird erfindungsgemäß insbesondere der Umstand ausgenutzt, dass eine Hochvolt-Isolation oft nur gegenüber elektrisch leitfähigen Komponenten im Modulverbund benötigt wird. Es wird, wie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben, für Niedervolt-Isolationsanforderungen jeweils lediglich eine für eine Niedervolt-Isolation ausgerichtete Isolierungskomponente verwendet. Dies betrifft erfindungsgemäß zumindest die Batteriezellen untereinander.
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Somit werden geringere Kosten durch bedarfsgerechten Einsatz und/oder kostengünstiges Ausgangsmaterial ermöglicht. Insgesamt wird somit eine flexible Verfahrensweise zur Verfügung gestellt, die insbesondere auch eine Nacharbeit erlaubt. Ferner ermöglicht die Verwendung der ersten, für eine Niedervolt-Isolation angepassten Isolierungskomponenten ein geringeres Gewicht der Batteriemodule, wodurch die Erhöhung der Leistungsdichte oder Energiedichte erfindungsgemäß ohne eine Veränderung der Zellchemie erreicht werden kann.
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Dank der Erfindung kann somit sichergestellt werden, dass zwischen den Batteriezellen eine ausreichende Niedervolt-Isolation vorhanden ist, wobei die Batteriemodule eine zusätzliche Hochvolt-Isolationserweiterung gegenüber elektrisch leitfähigen Batteriemodulkomponenten aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug sein. So wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Fahrzeugs verbunden ist. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So eignet sich das erfinderische Konzept gleichermaßen für die Anwendung bei zylindrischen als auch prismatischen Hardcase-Zellgehäusen im Consumer-Bereich, im Automotive-Bereich und bei stationären Batteriesystemen. Die Hardcase-Gehäuse können beispielsweise aus Aluminium oder aus Edelstahl gebildet sein.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann stattdessen auch auf Batterien, die auf anderen Chemiesystemen basieren, wie beispielsweise Nickel-Metall-Hydrid-Zellen, Lithium-Metall-Polymer-Zellen, usw., die ein entsprechendes Metallgehäuse aufweisen, angewendet werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die zumindest eine elektrisch leitfähige Batteriemodul-Komponente derart platziert und die zweite Isolierungskomponente auf der elektrisch leitfähigen Batteriemodul-Komponente derart angeordnet, dass die zweite Isolierungskomponente mit dem Hardcase-Gehäuse und/oder der zugehörigen ersten Isolierungskomponenten in direktem mechanischen Kontakt steht. Dies kann erreicht werden, indem eine der Isolierungskomponenten zur elektrischen Isolierung der Batteriezellen gegenüber einer bestimmten Batteriemodul-Komponente zunächst auf einer anderen Komponente des Batteriemoduls aufgebracht wird, beispielsweise durch Beschichten, und dann mit der bestimmten, zu isolierenden Batteriemodul-Komponente in Kontakt gebracht wird.
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Dadurch kann vorteilhaft der Einsatz von Isolationsmaterialien und/oder die Durchführung von Verfahren erlaubt werden, bei denen eine hohe thermische Aktivierung benötigen wird. Dabei muss eine derartige Isolation nicht auf einem thermisch sensiblen Bauteil angebracht werden, sondern kann auch an einer thermisch weniger sensiblen Komponente, die mit dem sensiblen Bauteil im Kontakt steht, aufgebracht werden.
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So können beispielsweise einzelne Lithium-Ionen-Batteriezellen lediglich eine Niedervolt-Isolation, an die deutlich geringere Anforderungen im Vergleich zu Hochvolt-Isolationen gestellt werden, erhalten, was durch eine geeignete Beschichtung, wie beispielsweise einer Lackierung, ausgeführt wurde. Elektrisch leitende Komponenten des Lithium-Ionen-Batteriemoduls, die in direktem Kontakt mit den Lithium-Ionen-Batteriezellen stehen, weisen an den Kontaktstellen geeignete Hochvolt-Isolationen auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, deren Merkmale mit denen der vorigen Ausführungsform kombiniert werden können, umfasst eine jeweilige erste Isolierungskomponente eine an der Außenseite eines jeweiligen Hardcase-Gehäuses angebrachte elektrisch isolierende Beschichtung. Dabei kann die Beschichtung zumindest auf der Mantelfläche beziehungsweise den Seitenflächen und auf einer Bodenfläche des Hardcase-Gehäuses als zusammenhängende, geschlossene Beschichtung ausgebildet sein. Die Art des Beschichtens ist erfindungsgemäß nicht auf eine bestimmte Beschichtung beschränkt, sondern ergibt sich vielmehr aus den jeweils zu erfüllenden Anforderungen. So wird bevorzugt eine Lackierung gewählt, jedoch kommen auch andere Beschichtungen wie beispielsweise eine Tauch-Beschichtung oder eine Aluminiumoxidbeschichtung infrage.
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Hierdurch wird, im Unterschied zu beispielsweise einer elektrischen Isolierung, die nicht direkt mit dem metallischen Zellgehäuse verbunden ist, wie im Falle einer Folie als Isolator, eine bedarfsgerechtere Ausführung der elektrischen Isolation und eine Anpassung und Optimierung hinsichtlich funktionaler und/oder geometrischer Aspekte ermöglicht.
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Es wird bevorzugt, dass die erfindungsgemäße elektrisch isolierende Beschichtung der ersten Isolierungskomponente derart ausgebildet ist, dass deren maximale und minimale Spannungsfestigkeit innerhalb von vorbestimmten Grenzwerten liegt. Dies gilt auch für die zweite Isolierungskomponente. Für die erste Isolierungskomponente kann beispielsweise eine maximale Spannungsfestigkeit bis zu einem einstelligen Vielfachen der Batteriezellspannung gewählt werden, wohingegen die Spannungsfestigkeit der Hochvolt-mäßig ausgerichteten zweiten Isolierungskomponente sich an der Nennspannung der Batterie orientieren kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die zweite Isolierungskomponente eine elektrisch isolierende Beschichtung, die aus dem gleichen Material und/oder unter Zuhilfenahme der gleichen Verfahren hergestellt wird wie die erste Isolierungskomponente oder, je nach Anwendung, aus einem anderen Material als die erste Isolierungskomponente gebildet wird.
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Ferner können die ersten Isolierungskomponenten und/oder die zweiten Isolierungskomponenten mehrschichtig aufgebaut sein.
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Dies ermöglicht insgesamt besonders vorteilhaft beispielsweise die Ausführung von redundanten Isolationssystemen und/oder von Rückfallebenen im Isolationssystem. So können beispielsweise ein thermisch stabiles Isolationssystem und ein chemikalienbeständiges Isolationssystem aufeinanderfolgend angeordnet sein.
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Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung können im Falle von zusätzlichen Rückfallebenen auch innerhalb der Niedervolt-Isolationen der Batteriezellen, insbesondere der Lithium-Ionen-Batteriezellen, unterschiedliche Materialien und/oder Herstellungsverfahren eingesetzt werden.
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Bei einer anderen besonders günstigen Ausführungsform umfasst zumindest eines der Batteriemodule eine oder mehrere weitere Isolierungskomponenten, zusätzlich zu den bereits erläuterten ersten und zweiten Isolierungskomponenten. Diese zusätzlichen weiteren Isolierungskomponenten können für einen anderen Spannungsfestigkeitsbereich spezifiziert sein als die ersten und die zweiten Isolierungskomponenten.
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Ferner können erfindungsgemäß die Isolierungskomponenten eines Batteriemoduls, einschließlich der weiteren Isolierungskomponenten, bezüglich ihrer zugeordneten, nicht-elektrischen Isolationsanforderungen auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Dabei können die Isolationsanforderungen lokal einstellbar sein. Dies kann beispielsweise die Temperaturbeständigkeit, die Chemikalienverträglichkeit und mechanische Eigenschaftsmerkmale usw. betreffen.
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Die Erfindung ist prinzipiell auf alle Batterien mit Hardcase-Batteriezellen anwendbar. Die erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Komponenten können beispielsweise eine Komponente zur Temperierung der Batteriezellen und/oder eine Batteriemodul-Außenwand umfassen, oder andere im Batteriemodul eingesetzte, elektrisch leitfähige Komponenten, wie beispielsweise Elektronikmodule usw.
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Erfindungsgemäß können auf kostengünstige und komfortable Weise Isolationsspannungen von bis in den Bereich größer 6 kV realisiert werden, oder Isolationswiderstände größer 1 GΩ. Die elektrische Isolation der Batteriezellen wird durch das weiter oben erläuterte differenzierte Isolationskonzept realisiert. Das heißt, Komponenten insbesondere eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls, können individuell auf die lokalen elektrischen Anforderungen abgestimmte Isolationsmaßnahmen wahrnehmen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Batteriemodul mit Hardcase-Batteriezellgehäusen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Batteriemodul 10 mit Hardcase-Gehäusen („Hartschalengehäuse“) 11 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die dargestellten Batteriezellen 17 sind hier als kleinste, nicht teilbare Einheit des Batteriemoduls 10 anzusehen. Dabei sind von den beiden dargestellten Batteriezellen 17 jeweils nur die Hardcase-Gehäuse 11 gezeigt, wohingegen auf eine Darstellung der Zellchemie und sonstiger Bestandteile der Batteriezelle 17 der Einfachheit halber verzichtet wurde. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den Batteriezellen 17 vorzugsweise um Lithium-Ionen-Batteriezellen 17 handeln. Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung dahingegen handelt es sich um andere Untereinheiten des Batteriemoduls 10, beispielsweise um Batteriezellen 17 mit anderer Zellchemie und/oder mit besonderer integrierter oder auf dem Hardcase-Gehäuse 11 angeordneter Steuerelektronik.
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Erfindungsgemäß sind die Batteriezellen 17 jeweils mit ersten Isolierungskomponenten 12 umgeben. Die ersten Isolierungskomponenten 12 sind als Beschichtung, beispielsweise als Lackierung, ausgeführt und bedecken die Batteriezellen 11 jeweils vollumfänglich zumindest im Bereich des Bodens und der Seitenwände der jeweiligen Batteriezellen 11. Die ersten Isolierungskomponenten 12 sind für eine Niedervolt-Isolation speziell angepasst. Genauer gesagt, es wurden bei der Aufbringung der ersten Isolierungskomponenten 12 in spannungstechnischer Hinsicht lediglich Maßnahmen ergriffen, die eine Niedervolt-Isolation gewährleisten, jedoch keine Hochvolt-Isolation. Dabei kann ein Niedervolt-Spannungsbereich beispielsweise durch Spannungen unter 60 Volt definiert sein, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Dadurch kann die erste Isolierungskomponente 12 hier besonders dünn geformt sein, wie in der Figur angedeutet wird. Durch die erste Isolierungskomponente 12 wird für jede der Batteriezellen 17 eine Basis-Isolation bereitgestellt, mit der die Batteriezellen 17 gegen eine jeweils benachbarte Batteriezelle 17 elektrisch isoliert sind. Wie in der Figur gezeigt, sind die Batteriezellen 17 dicht gepackt und stoßen mit ihren Seitenflächen aneinander. Die Batteriezellen 17 sind prismatische geformte Batteriezellen. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung stattdessen auf zylindrische Batteriezellen 17 angewandt. Die erste Isolierungskomponente 12 ist mittels eines Verfahrens, wie Lackieren oder Tauchen aufgebracht, mit dem auch eine komplizierte 3-dimensionale Gehäuseform der Batteriezelle 17 zuverlässig abgedeckt werden konnte. Die Auftragung konnte somit blasenfrei und prozesssicher erfolgen, so dass eine durchgehende Niedervolt-Isolation bereitgestellt wird.
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Das Batteriemodul 10 weist ferner zusätzliche, elektrisch leitfähige Batteriemodul-Komponenten 15, 16 auf. Diese umfassen eine Komponente 15 zur Temperierung oder Kühlung der Batteriezellen 17. Die Batteriemodul-Komponente 15 ist typischerweise aus Metall geformt und steht in Kontakt mit sämtlichen Batteriezellen 17. Wie in der Figur ferner gezeigt wird, ist zwischen der Batteriemodul-Komponente 15 und den Batteriezellen 17 eine zweite Isolierungskomponente 14 angeordnet. Die zweite Isolierungskomponente 14 ist als Hochvolt-Isolation ausgelegt. Dies ist notwendig, da die Batteriemodul-Komponente 15 mit allen Batteriezellen 17 in Kontakt steht. Die zweite Isolierungskomponente 14 ist hier als eine Beschichtung der zur Kühlung dienenden Batteriemodul-Komponente 15 ausgelegt. Die zweite Isolierungskomponente 14 kann aus einem anderen Material gefertigt sein als die erste Isolierungskomponente 12, und ist gegebenenfalls auch mehrschichtig ausgelegt.
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Ferner weist das Batteriemodul 10 noch eine zweite dargestellte elektrisch leitfähige Komponente 16 auf, die eine Seitenwand des Batteriemoduls 10 bilden kann. Diese wird ebenso mit einer zweiten Isolierungskomponente 13 bestückt. In dieser Ausführungsform sind sämtliche zweiten Isolierungskomponenten 13, 14 auf dieselbe Weise gefertigt. Bei anderen Weiterbildungen der Erfindung wird bei Bedarf noch differenzierter vorgegangen, so dass für unterschiedliche Komponenten und Bauteile des Batteriemoduls 10 unterschiedliche, speziell ausgewählte Isolierungskomponenten bereitstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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