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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, nach dem Oberbegriff der beiden unabhängigen Ansprüche. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gehäuses.
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In zunehmendem Maße werden in der Kraftfahrzeugtechnik Batterien bzw. Batteriesysteme zum Antrieb eingesetzt, entweder rein elektrisch oder in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor als sogenanntes Hybridfahrzeug. Die dabei verwendeten Batteriesysteme, die üblicherweise als Hochtemperaturbatteriesystem oder als System unter Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass zur Erzielung der erforderlichen Leistungsfähigkeit der Batteriesysteme sowie zur Vermeidung einer Beschädigung bzw. eines beschleunigten Alterungsprozesses der Batterien die Batterien in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden müssen. Kritisch sind dabei beispielsweise Phasen, bei denen ein Kraftfahrzeug über einen längeren Zeitraum unter kalten Umgebungsbedingungen abgestellt ist. In diesem Fall ist nicht gewährleistet, dass eine gewünschte (Mindest-)Temperatur der Batterien ohne zusätzliche Maßnahmen vorhanden ist.
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In der Praxis wird diesem Umstand dadurch Rechnung getragen, dass die Batterien beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei innerhalb des Gehäuses eine Heizeinrichtung angeordnet ist, die dafür sorgt, dass die Batterien die gewünschte Mindesttemperatur aufweisen. Nachteilig dabei ist, dass zum Betrieb der Heizeinrichtung Energie, insbesondere aus den Batterien selbst, benötigt wird, so dass dadurch die Leistungsfähigkeit bzw. die nutzbare Kapazität der Batterien reduziert ist. Darüber hinaus ist die Bereitstellung einer derartigen Heizeinrichtung mit einem relativ hohen Kostenaufwand verbunden, benötigt Bauraum sowie eine Steuerungseinrichtung zum Betrieb der Heizeinrichtung. Weiterhin ist als nachteilhaft anzusehen, dass derartige, konventionelle Mittel zur Temperaturbeeinflussung des Gehäuses (Heizeinrichtung) relativ teuer sind und ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Auch kann es ggf., insbesondere abhängig vom Einbauort, erforderlich sein, eine Kühleinrichtung (Kühlgebläse) zur Vermeidung zu hoher Temperaturen der Batterien vorzusehen, wodurch die beschriebene Problematik zusätzlich verstärkt wird.
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Die Anforderungen an Einrichtungen bzw. Mittel zur Temperaturbeeinflussung (Heiz- bzw. Kühleinrichtung) der Batterien in dem Gehäuse bestehen daher insbesondere in einem möglichst geringen Gewicht, einem kleinen Bauraum sowie einer kostengünstigen Ausführbarkeit. Insbesondere sollen die Mittel ein Abkühlen der Batterien unter eine bestimmte Temperaturschwelle möglichst verhindern.
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Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus in vielfältiger Art und Weise Gehäuse bekannt, deren Außenwände aus einem Material mit relativ schlechter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Nachteilig dabei ist, dass zur Erzielung der benötigten Insolationswirkung die Wanddicke derartiger, mit entsprechendem Material ausgestatteter Gehäuse relativ groß ist, so dass der benötigte Bauraum zur Aufbewahrung von Batterien, der innerhalb eines Fahrzeugs üblicherweise nur begrenzt zur Verfügung steht, relativ groß ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse nach dem Oberbegriff der beiden unabhängigen Ansprüche weiterzubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll eine konstruktiv einfache, kostengünstige sowie wirksame Ausbildung eines Gehäuses vorgeschlagen werden, das die Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gehäuse für Batterien (Batteriegehäuse) mit den kennzeichnenden Merkmalen der beiden unabhängigen Ansprüche gelöst. Beiden erfindungsgemäßen Lösungen ist gemeinsam, dass die vorgeschlagenen Gehäuse jeweils aus einer vorzugsweise starren Außenhülle und einer Innenhülle bestehen, wobei wenigstens eine, insbesondere wiederaufladbare, Batterie innerhalb der Innenhülle angeordnet ist. Hierdurch werden Mittel zur Temperaturbeeinflussung (Mittel zur Wärmedämmung) der wenigstens einen Batterie gegenüber der Umgebung der Außenhülle realisiert. Weiterhin ist zur Erzielung einer Wärmeisolation der Zwischenraum zwischen der Innenhülle und der Außenhülle entweder evakuiert oder aber mit einem schlecht wärmeleitenden Gas befüllt. Dadurch wird bei beiden Ausführungsformen der Erfindung der Effekt erzielt, dass zwischen der Innenhülle und der Außenhülle ein thermisch schlecht leitender Bereich mit relativ geringem Aufwand ausgebildet wird.
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Konkret wird bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass die Mittel zur Temperaturbeeinflussung eine Innenhülle umfassen, die die wenigstens eine Batterie zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig umgibt, und dass der Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle vorzugsweise über eine Befüllöffnung mit einem thermisch schlecht leitenden Gas befüllbar ist. Unter thermisch schlecht leitenden Gasen werden dabei beispielsweise, und nicht einschränkend, Gase wie Argon, Kohlendioxid, Krypton oder Xenon verstanden, die allesamt eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Luft. Vorteilhaft bei einer Gasbefüllung zwischen der Innenhülle und der Außenhülle ist darüber hinaus, dass die Brand- bzw. Explosionsgefahr der Batterien bei Verwendung eines inerten Gases reduziert werden kann. Weiterhin wird bei Verwendung eines Gases zur Befüllung des Zwischenraums zwischen der Innenhülle und der Außenhülle die Möglichkeit geschaffen, dass bei Verwendung einer flexiblen Innenhülle durch den auf die Innenhülle wirkenden Druck innerhalb des Innenraums angeordnete Bauteile durch die Innenhülle fixiert werden können, so dass sich die mechanische Stabilität der Anordnung verbessert.
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Bei der angesprochenen alternativen sowie in der Praxis bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Temperaturbeeinflussung eine Innenhülle umfassen, die die wenigstens eine Batterie zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig umgibt, und dass der Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle zumindest bereichsweise hohl ausgebildet und vorzugsweise über eine Evakuieröffnung evakuierbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der beiden erfindungsgemäßen Gehäuse für Batterien sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um einerseits die mechanische Stabilität des Gehäuses, insbesondere gegen von außen auf das Gehäuse einwirkende Kräfte, zu erhöhen, und andererseits bei einer Beaufschlagung des Bereichs zwischen der Innenhülle und der Außenhülle durch Über- oder Unterdruck eine Deformation der Außenhülle zu vermeiden, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Wände der Außenhülle als starre Wände ausgebildet sind. Unter starren Wänden werden dabei solche Wände verstanden, die unter Einwirkung des in dem Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle herrschenden Unterdrucks bzw. Überdrucks sich zumindest im Wesentlichen nicht deformieren. Hierzu können die Wände beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall (Blech) mit geeigneter Wandstärke bestehen, wobei das Gehäuse insgesamt gesehen beispielsweise eine quaderförmige Außenform aufweist.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Innenhülle aus einem Material ausgebildet ist bzw. eine derartige Dicke aufweist, dass die Innenhülle zumindest teilweise flexible ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der Innenhülle ermöglicht eine Anpassung der Form der Innenhülle an den zwischen der Innenhülle und der Außenhülle herrschenden Über- oder Unterdruck.
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Erfindungsgemäß sind zwischen der Innenhülle und der Außenhülle Abstützmittel zur Vermeidung einer direkten Anlage der Innenhülle an der Außenhülle vorgesehen. Insbesondere bei der Beaufschlagung des Bereichs zwischen der Innenhülle und der Außenhülle mit Unterdruck wird dadurch der Effekt erzielt, dass sich der üblicherweise von dem Bereich eines Evakuierstutzens sich ausbreitende Unterdruck über den gesamten Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle wirken kann bzw. sich ein entsprechender Abstand zwischen der Innenhülle und der Außenhülle ausbilden lässt, der zur Erzielung der benötigten Isolationswirkung erforderlich ist.
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Um eine Wärmekopplung zwischen der Innenhülle und der Außenhülle zu vermeiden, ist es darüber hinaus besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Abstützmittel aus einem thermisch schlecht leitenden Material, vorzugsweise in Form von Kunststoff- oder Glaskügelchen oder einem Abstützkörper, bestehen. Die Verwendung derartiger, insbesondere kugelförmiger Elemente hat darüber hinaus den Vorteil, dass sich ein Unterdruck sehr leicht in die unterschiedlichen Bereiche des Gehäuses ausbreitet und die Abstützmittel zusammen mit der Innenhülle und der Außenhülle einen Aufbau des Gehäuses in Art einer Sandwichstruktur ermöglichen, die eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweist.
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Zur elektrischen Kontaktierung der im Innenraum bzw. innerhalb der Innenhülle des Gehäuses befindlichen Batterie(n) ist darüber hinaus ein Anschlusselement vorgesehen, wobei das Anschlusselement im Bereich einer Aussparung der Außenhülle angeordnet ist und die Außenhülle durchdringt.
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In konkreter Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Innenhülle im Bereich des Anschlusselements mit der Außenhülle unter Ausbildung einer Abdichtung verbunden ist, oder im Bereich des Anschlusselements eine Aussparung aufweist und zusätzlich außerhalb des Anschlusselements unter Ausbildung einer Abdichtung mit der Außenhülle verbunden ist. Beide Ausführungsformen ermöglichen in besonders einfacher Art und Weise die Anordnung des erforderlichen Anschlusselements zur elektrischen Kontaktierung der Batterie(n).
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Zur Erzielung der abgedichteten Verbindung zwischen der Innenhülle und der Außenhülle im Bereich des Anschlusselements ist es darüber hinaus besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindung durch eine stoffschlüssige Verbindung erfolgt. Unter einer stoffschlüssigen Verbindung wird dabei beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung verstanden.
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In konkreter Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Innenhülle aus einer Kunststofffolie besteht, und dass die stoffschlüssige Verbindung als Schweißverbindung zwischen der Kunststofffolie und der Außenhülle ausgebildet ist. Hierzu weist die Innenhülle auf der der Außenhülle zugewandten Seite entweder eine entsprechende (schweißbare) Schicht auf oder besteht insgesamt gesehen aus einem Material, das sich mit dem Material der Außenhülle verschweißen lässt. Hierzu kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass die Außenhülle, zumindest im Bereich des Anschlusselements, mit einer entsprechenden Beschichtung ausgestattet ist oder entsprechende Maßnahmen aufweist, die eine Verschweißung mit dem Material der Innenhülle ermöglichen.
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In alternativer Ausgestaltung zu einer Kunststofffolie kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Innenhülle aus dünnem Blech besteht. In diesem Fall kann eine Verbindung zwischen der Innenhülle und der Außenhülle, in Abhängigkeit des verwendeten Materials der Außenhülle, beispielsweise durch einen Schweißverbindung (bevorzugt eine Laserstrahlschweißverbindung) oder aber eine Klebeverbindung erfolgen.
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Zur Verbesserung der Isolationswirkung ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Innenhülle aus einem thermisch schlecht leitenden Material besteht und/oder auf der der wenigstens einen Batterie zugewandten Seite mit einer wärmereflektierenden Beschichtung versehen ist.
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Für den Fall, dass der Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle evakuiert ist, kann es aufgrund eindringender Luftmoleküle dazu kommen, dass sich das Vakuum mit der Zeit verschlechtert. In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn in dem Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle ein sogenannte „Getter“ zur Aufrechterhaltung des Vakuums bzw. des Unterdrucks angeordnet ist. Ein derartiger Getter weist die Eigenschaft auf, dass er in den Zwischenraum eindringende Moleküle bindet. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass beispielsweise im Falle von regelmäßig stattfindenden Serviceaufenthalten in der Werkstatt der Unterdruck bzw. die Evakuierung des Zwischenraums zwischen der Außenhülle und der Innenhülle über den Evakuierstutzen und eine entsprechende Vakuumpumpe erneuert wird.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gehäuses für Antriebsbatterien in Kraftfahrzeugen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 einen Schnitt durch ein erstes, stark vereinfacht dargestelltes erfindungsgemäßes Gehäuse zur Aufnahme von Batterien, wobei der Bereich zwischen einer Innenhülle und einer Außenhülle des Gehäuses evakuierbar ist,
- 2 und 3 jeweils Schnitte durch das Gehäuse gemäß 1 zur Verdeutlichung möglicher Anordnungen eines elektrischen Anschlusselements an dem Gehäuse und
- 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuses, bei dem der Bereich zwischen der Innenhülle und der Außenhülle des Gehäuses mit einem Gas befüllt ist, ebenfalls in vereinfachter Darstellung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Gehäuse 10 zur Aufnahme wenigstens einer Batterie 1 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb des Gehäuses 10 zwei Batterien 1 angeordnet, wobei beispielsweise für den Fall, dass es sich bei den Batterien 1 um Antriebsbatterien eines Kraftfahrzeugs handelt, üblicherweise eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Batterien 1 innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sind. Bei den Batterien 1 kann es sich beispielsweise, und nicht einschränkend, um sogenannte Hochtemperaturbatterien oder aber um Feststoffbatterien in Form von Lithium-Ionen-Batterien handeln. Insbesondere dient das Gehäuse 10 der Aufnahme von Antriebsbatterien eines Kraftfahrzeugs.
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Das Gehäuse 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise quaderförmig ausgebildet, kann jedoch grundsätzlich jede beliebige Form, insbesondere abhängig von den Einbauverhältnissen (im Kraftfahrzeug) aufweisen. Das Gehäuse 10 weist eine Außenhülle 11 auf, die zumindest im Wesentlichen starr ausgebildet ist. Hierzu besteht die Außenhülle 11 aus mehreren Außenwänden 12, die die geschlossene Außenhülle 11 ausbilden, wobei die Außenwände 12 beispielhaft eben ausgebildet sind. Die Außenwände 12 bzw. die Außenhülle 11 kann beispielsweise aus Metall, vorzugsweise aus Blech, oder aber aus Kunststoff bestehen. Für den Fall, dass die Außenhülle 11 aus Metall besteht, kann es vorgesehen sein, dass die Außenhülle 11 an ihrer Innenseite mit einer in der 1 nicht erkennbaren Beschichtung, insbesondere mit einer Beschichtung zur Verschweißung mit einem Kunststoff, versehen ist.
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Innerhalb der Außenhülle 11 ist eine geschlossene Innenhülle 15 angeordnet, die vorzugsweise, und nicht einschränkend, aus einer Kunststofffolie entsprechender Dicke ausgebildet ist. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Innenhülle 15 aus dünnem Blech oder aber aus Kunststoffplatten besteht. Vorteilhaft ist es, wenn die Innenhülle 15 zumindest bereichsweise eine gewisse Flexibilität aufweist bzw. flexibel ausgebildet ist. Innerhalb eines von der Innenhülle 15 ausgebildeten Innenraums 16 sind die Batterien 1 auf nicht dargestellte Art und Weise angeordnet bzw. befestigt. Der Bereich 17 zwischen der Außenhülle 11 und der Innenhülle 15 ist über einen an einer Außenwand 12 angeordneten Evakuierstutzen 18 mit einer nicht dargestellten Unterdruck- bzw. Vakuumquelle verbindbar, um den Bereich 17 zu evakuieren. Ferner sind innerhalb des Bereichs 17 Abstützmittel 20 vorgesehen, die nach Anlegen des Unterdrucks an dem Evakuierstutzen 18 eine direkte Anlage der Innenhülle 15 an der Außenhülle 11 vermeiden.
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Beispielhaft umfassen die Abstützmittel 20 im Bereich jeder Außenwand 12 auf der der Innenhülle 15 zugewandten Seite einen an der Außenwand 12 befestigten (starren) Abstützkörper 21 sowie eine Vielzahl von thermisch schlecht leitenden Kügelchen 22, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff bestehend. Darüber hinaus kann die Innenhülle 15 auf der dem Innenraum 16 zugewandten Seite mit einer wärmereflektierenden Beschichtung versehen sein. Nach Anlegen des Unterdrucks an dem Evakuierstutzen 18 legt sich die Innenhülle 15, wie in der 1 dargestellt, an die Kügelchen 22 bzw. die Abstützmittel 20 an, so dass ein starrer, sandwichartiger Verbund bestehend aus der Außenhülle 11, den Abstützmitteln 20 und der Innenhülle 15, ausgebildet wird. Weiterhin kann im Bereich 17 wenigstens ein so genannter Getter 23 angeordnet sein.
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Zur elektrischen Kontaktierung der in dem Innenraum 16 angeordneten Batterien 1 ist entsprechend der 2 beispielsweise ein Anschlusselement 25 vorgesehen, das zur zumindest mittelbaren elektrischen Kontaktierung der Batterien 1 in dem Innenraum 16 dient. Das Anschlusselement 25 kann beispielsweise in Form eines aus Kunststoff bestehenden Körpers zur Durchführung elektrischer Leitungen (nicht dargestellt) oder aber als Steckerelement ausgebildet sein. Beispielhaft ragen zwei Abschnitte 26, 27 des Anschlusselements 25 durch entsprechende Aussparungen 28, 29 bzw. Öffnungen der Außenhülle 11 hindurch. Im Bereich des Anschlusselements 25 liegt die Innenhülle 15 unmittelbar an der Außenhülle 11 an, beispielsweise durch eine als geschlossene Kontur ausgebildete Schweißverbindung 30 o.ä. Alternativ kann die Verbindung zwischen der Innenhülle 15 und der Außenhülle 11 auch durch eine Klebeverbindung erfolgen (nicht dargestellt).
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In der 3 ist erkennbar, dass die Außenhülle 11 auf der der Innenhülle 15 zugewandten Seite mit einer aus Kunststoff bestehenden Beschichtung 31 versehen ist. Diese Beschichtung 31 ermöglicht es, die Innenhülle 15 im Bereich der Beschichtung 31 mit dieser entweder zu verkleben, zu verschweißen oder anzuspritzen.
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Neben der Möglichkeit, durch die direkte Verbindung zwischen der Innenhülle 15 und der Außenhülle 11 einen entsprechenden Freiraum für ein Anschlusselement 25 zu schaffen, kann es darüber hinaus vorgesehen sein, durch eine entsprechende Ausbildung auch Gehäuseöffnungen o.ä. für andere Zwecke am Gehäuse 10 auszubilden.
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In der 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Form eines Gehäuses 10a dargestellt. Das Gehäuse 10a unterscheidet sich von dem Gehäuse 10 dadurch, dass der Bereich 17a zwischen der Außenhülle 11 und der Innenhülle 15 mit einem eine schlechte thermische Leitfähigkeit aufweisenden Gas befüllt ist. Hierzu ist an der Außenhülle 11 eine Befüllöffnung 32 vorgesehen, über die die Befüllung mit dem Gas erfolgen kann. Die Befüllung des Bereichs 17a mit dem Gas bewirkt innerhalb des Innenraums 17a einen Überdruck, der zur Folge hat, dass sich die Innenhülle 15 sich an die Batterien 1 anschmiegt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass an der Außenseite der Batterien 1 Distanzelemente 33 angeordnet sind, um einen direkten Anlagekontakt der Innenhülle 15 an den Batterien 1 zu vermeiden bzw. Freiräume zu schaffen, die beispielsweise der elektrischen Kontaktierung der Batterien 1 dienen. Weiterhin kann die Innenseite des Außengehäuses 11 mit einer wärmereflektierenden Beschichtung 35 versehen sein.
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Das soweit beschriebene Gehäuse 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
