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Die Erfindung betrifft eine Isolierstruktur für eine Batterie, insbesondere eine Lithiumionenbatterie, wobei die Isolierstruktur eine Mehrzahl übereinander angeordneter Isolierschichten mit jeweils einer Schichtdicke aufweist.
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Stand der Technik
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Zur Bereitstellung elektrischer Energie finden Batterien als Stromquelle in einer Vielzahl unterschiedlicher Bereiche Verwendung. Batterien haben gegenüber alternativen Stromquellen den Vorteil, dass sie in nahezu jeder Größe und Form bereitstellbar sind und somit besonders gut für Anwendungen geeignet sind, die eine Mobilität der jeweiligen Stromquelle erfordern. Bei Kraftfahrzeugen kommen insbesondere wiederaufladbare Lithium-Ionen (Li-Ionen) Batterien zum Einsatz, da Li-Ionen Batterien eine besonders hohe Energiedichte sowie eine im Vergleich zu anderen Batterien geringe Dichte und einen relativ geringen Memory-Effekt aufweisen.
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Insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie z.B. bei Kraftfahrzeugen, ist das Verhältnis der Batterie von Kapazität zur Masse von Bedeutung. Dieses Verhältnis wird auch als Energiedichte bezeichnet. Eine Batterie mit größerer Energiedichte wiegt demnach weniger als eine Batterie gleicher Kapazität mit einer geringeren Energiedichte. Daher ist es ein Ziel bei der Entwicklung von neuen Batterien, die Energiedichte der Zellen zu vergrößern.
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Herkömmliche Li-Ionen Batterien für Kraftfahrzeuge weisen eine Energiedichte von bis zu 300 Wh/kg auf. Zur weiteren Steigerung der Energiedichte wurden Li-Ionen Batterien auf Schwefelbasis bzw. Festkörperbatterien entwickelt. Derartige Batterien weisen oftmals Anoden aus reinem Lithium auf. Festkörperbatterien haben den Nachteil, dass der Ionenübergang bei Festkörperelektrolyten bei Zimmertemperatur nur sehr träge abläuft. Hierdurch wird die gesamte Leistung der Festkörperbatterie negativ beeinträchtigt. Zur Verbesserung des Ionenübergangs ist es daher von Vorteil, den Festkörperelektrolyten auf eine Temperatur zwischen 60 und 120 °C zu erwärmen. Hierfür ist es zweckmäßig, die Batterie mit einem Gehäuse auszustatten, das neben einer elektrischen Isolierung und Schutz vor äußeren Einflüssen, wie z.B. mechanischer Beanspruchung oder Feuchtigkeit, auch eine ausreichende Wärmeisolierung gewährleistet.
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Aus der
US 2013/0288100 ist ein Gehäuse für eine Batterie bekannt, das die Zellen vor mechanischer Beanspruchung sowie Fremdkörpern aus der Umgebung der Batterie schützt. Das Gehäuse weist eine mehrschichtige Struktur auf, wobei die Schichten der Struktur insbesondere Materialien mit einem besonders hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweisen. Das Gehäuse weist an einigen Stellen ein Material mit einem geringen Wärmeleitkoeffizienten auf. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit weist mindestens eine Schicht eine wabenförmige Struktur auf. Ein derartiges Gehäuse hat den Nachteil, dass die mehrschichtige Struktur nur eine unzureichende Wärmeisolierung gewährleistet, da einige Schichten besonders gute Wärmeleitfähigkeiten aufweisen und die Schichten im Wesentlichen ungeordnet übereinander angeordnet sind.
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Die
US 2012/0282496 zeigt ein Gehäuse für eine Batterie aufweisend eine Rahmenschicht zum Schutz der Batterie vor mechanischen äußeren Einflüssen sowie mehrere Druckverteilungsschichten mit einer Wabenstruktur. Zumindest die Druckverteilungsschichten sind miteinander verbunden. Das Gehäuse gemäß der
US 2012/0282496 hat den Nachteil, dass es eine relativ schlechte Wärmeisolierung gewährleistet, insbesondere da die Rahmenschicht und die Druckverteilungsschichten im Wesentlichen ungeordnet übereinander angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Isolierstruktur für ein Gehäuse einer Batterie bereitzustellen, die die obigen Nachteile zumindest teilweise nicht aufweist. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Isolierstruktur für eine Batterie bereitzustellen, die eine verbesserte Wärmeisolierung aufweist und dabei im Inneren des Gehäuses angeordnete Zellen vor äußeren Einflüssen, wie z.B. mechanischen Einflüssen oder Feuchtigkeit, schützt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Isolierstruktur nach Anspruch 1, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, sowie ein Batteriegehäuse nach Anspruch 10 gelöst. In den abhängigen Vorrichtungsansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Dabei gelten sämtliche Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Isolierstruktur offenbart sind, auch im Zusammenhang mit dem Batteriegehäuse sowie auch umgekehrt.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Isolierstruktur für eine Batterie, wobei die Isolierstruktur eine Mehrzahl übereinander angeordneter Isolierschichten mit jeweils einer Schichtdicke aufweist. Die Isolierschichten weisen eine Kammerstruktur mit einer Mehrzahl von Kammern auf, wobei die Kammern durch Wände von benachbarten Kammern der jeweiligen Isolierschicht getrennt sind. Die Mehrzahl von Isolierschichten weist mindestens eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht auf, wobei die Isolierschichten derart übereinander angeordnet sind, dass benachbarte Kammern unterschiedlicher Isolierschichten quer zur Schichtdicke relativ zueinander versetzt sind.
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Eine Isolierstruktur ist im Sinne der Erfindung eine Struktur, die einen direkten Wärmeaustausch durch die Struktur hemmt und somit auch als Wärmeisolator bezeichnet werden kann. Des Weiteren ist die Isolierstruktur vorzugsweise ausgebildet, mechanischen Belastungen Stand zu halten. Weiter bevorzugt ist die Struktur auch ein elektrischer Isolator. Ebenfalls bevorzugt ist die Isolierstruktur wasserbeständig.
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Die einzelnen Isolierschichten weisen vorzugsweise bereits teilweise die Eigenschaften der Isolierstruktur auf. Durch ein Zusammenwirken der mindestens zwei, optimal mindestens drei zu einer Isolierstruktur angeordneten Isolierschichten weist die Isolierstruktur eine bessere Wärmeisolierung als die einzelnen Isolierschichten auf.
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Die Isolierschichten sind im Wesentlichen flächig bzw. plattenförmig mit einer Grundfläche ausgebildet und weisen eine Schichtdicke auf, die in Richtung einer Flächennormalen der Grundfläche ausgebildet ist. Die Grundfläche der Isolierschichten entspricht vorzugsweise einer Grundfläche der Isolierstruktur.
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Eine Kammerstruktur ist eine Struktur, die eine Mehrzahl von Wänden aufweist, die miteinander zu einer Struktur verbunden sind und somit eine Mehrzahl von Kammern bilden. Somit sind benachbarte Kammern durch eine gemeinsame Wand voneinander getrennt. Die Kammern sind vorzugsweise Hohlräume, in denen z.B. Luft aus der Umgebung angeordnet ist. Die Kammerstruktur ist vorzugsweise über eine Isolierschicht im Wesentlichen konstant bzw. wiederkehrend ausgebildet, so dass die Isolierschicht eine Mehrzahl von Kammern gleicher Form, Größe und Ausrichtung aufweist.
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Die Isolierstruktur weist mindestens zwei, optimal drei Isolierschichten auf, die übereinander angeordnet sind. Dabei sind benachbarte Kammern benachbarter Schichten in einer Richtung quer zur Schichtdicke relativ zueinander versetzt. Vorzugsweise weisen benachbarte Schichten keine Kammern auf, die deckungsgleich übereinander angeordnet sind.
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Der Grundfläche der Isolierstruktur weist Stellen auf, an denen die zwei benachbarten Isolierschichten eine Wand aufweisen und somit einen gemeinsamen Wandabschnitt bilden. Da die Kammern Luft enthalten, ist ein Wärmeübergang von einer Isolierschicht zur nächsten Isolierschicht über gemeinsame Wandabschnitte besonders hoch. Daher ist es von Vorteil, wenn die Isolierschichten derart übereinander angeordnet sind, dass die zwei Isolierschichten möglichst wenige gemeinsame Wandabschnitte aufweisen, die sich in Richtung der Schichtdicke durch die beiden Isolierschichten erstreckt. Dabei ist es bevorzugt, wenn sich Wände der benachbarten Isolierschichten jeweils nur in einem Punkt schneiden und somit einen gemeinsamen Wandabschnitt bilden.
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Eine derartige Isolierstruktur hat den Vorteil, dass durch eine Versetzung der Kammern bzw. der Wände benachbarter Schichten nur Schnittpunkte der Wände zweier benachbarter Schichten nur wenige gemeinsame Wandabschnitte aufweisen, die sich durch beide Schichten erstrecken. Hierdurch ist ein direkter Wärmeaustausch durch Wände benachbarter Isolierschichten in Richtung der Schichtdicke nur an wenigen Stellen der Isolierstruktur möglich.
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Es ist bevorzugt, dass die Mehrzahl von Isolierschichten mindestens eine dritte Schicht aufweist, wobei die Isolierschichten derart übereinander angeordnet sind, dass benachbarte Kammern unterschiedlicher Isolierschichten quer zur Schichtdicke relativ zueinander versetzt sind. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Isolierstruktur mindestens drei Schichten auf, die übereinander angeordnet sind. Dabei sind benachbarte Kammern benachbarter Schichten in einer Richtung quer zur Schichtdicke relativ zueinander versetzt. Vorzugsweise weisen benachbarte Schichten keine Kammern auf, die deckungsgleich übereinander angeordnet sind.
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Der Grundfläche der Isolierstruktur weist Stellen auf, an denen mindestens zwei benachbarte Isolierschichten eine Wand aufweisen und somit einen gemeinsamen Wandabschnitt bilden. Da die Kammern Luft enthalten, ist ein Wärmeübergang von einer Isolierschicht zur nächsten Isolierschicht über gemeinsame Wandabschnitte besonders hoch. Daher ist es von Vorteil, wenn die Isolierschichten derart übereinander angeordnet sind, dass die drei Isolierschichten keinen gemeinsamen Wandabschnitt aufweisen, der sich in Richtung der Schichtdicke durch alle drei Schichten erstreckt.
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Eine derartige Isolierstruktur hat den Vorteil, dass durch eine Versetzung der Kammern bzw. der Wände benachbarter Schichten nur Schnittpunkte der Wände zweier benachbarter Schichten einen gemeinsamen Wandabschnitt aufweisen, der sich durch beide Schichten erstreckt. Hierdurch ist ein direkter Wärmeaustausch durch Wände benachbarter Isolierschichten in Richtung der Schichtdicke nur an wenigen Stellen der Isolierstruktur möglich. Bei drei Schichten kann die Anzahl gemeinsamer Wandabschnitte derart weiter reduziert werden, dass keine gemeinsamen Wandabschnitte existieren. Somit kann eine Anordnung derart gewählt werden, dass kein durchgehender senkrechter Wärmepfad zwischen einem Boden und einer Decke der Isolationsschicht besteht.
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Vorzugsweise sind zwei übereinander angeordnete sowie benachbarte Kammern unterschiedlicher Isolierschichten derart zueinander versetzt, dass die Wände dieser Kammern flächenmäßig möglichst wenige gemeinsame Wandabschnitte aufweisen, die sich durch die erste Schicht und die zweite Schicht in Richtung der Schichtdicke erstrecken. Dabei ist es bevorzugt, wenn sich Wände der benachbarten Isolierschichten jeweils nur in einem Punkt schneiden. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass eine Wärmeisolierung weiter verbessert wird, da nur über gemeinsame Wandabschnitte eine relativ große Wärmeübertragung möglich ist und diese Anordnung nur wenige gemeinsame Wandabschnitte von zwei Schichten aufweist.
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Weiter bevorzugt sind mindestens drei übereinander angeordnete sowie benachbarte Kammern unterschiedlicher Isolierschichten derart zueinander versetzt, dass die Wände dieser Kammern keinen gemeinsamen Wandabschnitt aufweisen, der sich durch die erste Schicht, die zweite Schicht und die dritte Schicht in Richtung der Schichtdicke erstreckt. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass eine Wärmeisolierung weiter verbessert wird, da nur über gemeinsame Wandabschnitte eine relativ große Wärmeübertragung möglich ist und diese Anordnung keine gemeinsamen Wandabschnitte von drei Schichten aufweist.
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Ferner ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die Kammerstruktur von mindestens zwei Isolierschichten im Wesentlichen gleich ausgebildet ist. Die Kammern weisen somit vorzugsweise die gleiche Größe, Form und Ausrichtung auf. Derartige Kammern mehrerer Schichten sind besonders leicht relativ zueinander versetzbar, so dann nur wenige gemeinsame Wandabschnitte gebildet werden. Bei drei Schichten, die eine im Wesentlichen gleiche Kammerstruktur aufweisen, ist es somit leicht möglich, die Schichten derart übereinander versetzt anzuordnen, dass die drei Schichten an keiner Stelle einen gemeinsamen Wandabschnitt aufweisen.
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Weiter bevorzugt weisen die Wände mindestens einer Isolierschicht ein Material mit einem relativ geringen Wärmeleitkoeffizienten auf. Dies hat den Vorteil, dass ein Wärmetransport durch diese Schicht besonders gering ist. Weiter bevorzugt weisen mehrere Isolierschichten ein derartiges Material mit einem relativ geringen Wärmeleitkoeffizienten auf. Hierdurch wird ein Wärmetransport durch die Isolierstruktur weiter reduziert.
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Ebenfalls ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Wände mindestens einer Isolierschicht ein Material mit einer Dichte von unter 1,5 g/cm2 aufweisen. Vorzugsweise weisen die Wände mehrerer Isolierschichten ein Material mit einer derartigen Dicke auf. Derartige Isolierschichten weisen bei entsprechender Ausbildung der Kammern neben einer vorteilhaften thermischen Isolierung auch eine gute mechanische Belastbarkeit auf.
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Es ist bevorzugt, dass die Kammern mindestens einer Isolierschicht einen mehreckigen Querschnitt aufweisen. Dabei ist der Querschnitt der Kammern vorzugsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig. Derartige Isolierschichten weisen eine gute mechanische Belastbarkeit auf. Des Weiteren weisen derartige Isolierschichten eine Struktur auf, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholt. Somit ist es besser möglich, mehrere Isolierschichten derart übereinander anzuordnen, dass benachbarte Isolierschichten möglichst wenig gemeinsame Wandabschnitte aufweisen, die sich durch sämtliche Isolierschichten in Richtung der Schichtdicke erstrecken. Darüber hinaus ist es besser möglich, mehrere Isolierschichten derart übereinander anzuordnen, dass die Isolierschichten keinen gemeinsamen Wandabschnitt bilden, der sich durch sämtliche Isolierschichten in Richtung der Schichtdicke erstreckt.
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Besonders vorteilhaft weist die erste Isolierschicht eine Außenwand auf, wobei an der Außenwand eine im Wesentlichen flächige sowie durchgängige Schutzschicht angeordnet ist. Die Außenwand der Isolierschicht ist in einer bestimmungsgemäßen Anwendung der Isolierstruktur dem Zellstapel einer Batterie abgewandt und weist zum Äußeren der Batterie. Eine Schutzschicht an der Außenwand hat den Vorteil, dass die Kammern der ersten Isolierschicht durch die Schutzschicht nach außen geschlossen und somit vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
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Weiter bevorzugt ist die Schutzschicht derart ausgebildet, dass die erste Isolierschicht vor Wasser und/oder äußeren mechanischen Einwirkungen geschützt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Isolierschicht durch die Außenwand vor Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen, insbesondere im Wesentlichen mechanischen Belastungen, geschützt wird.
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Es kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine von der ersten Isolierschicht verschiedene Isolierschicht, vorzugsweise die dritte Isolierschicht, eine Innenwand aufweist, wobei an der Innenwand eine im Wesentlichen flächige sowie durchgängige Wärmeleitschicht mit einem relativ hohen Wärmeleitkoeffizienten angeordnet ist. Die Innenwand der dritten Isolierschicht ist in einer bestimmungsgemäßen Anwendung der Isolierstruktur dem Zellstapel einer Batterie zugewandt. Eine derartige Wärmeleitschicht hat den Vorteil, dass hierdurch eine gleichmäßige Verteilung der Wärme der Zellen der Batterie erfolgen kann. Da die Wärmeleitschicht nur an der Innenwand der dritten Isolierschicht angeordnet ist, wird hierdurch die thermische Isolierung der Isolierstruktur im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
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Vorzugsweise weisen die Isolierschichten eine Zentriervorrichtung auf, die ein Zusammensetzen der Isolierschichten zu einer erfindungsgemäßen Isolierstruktur vereinfacht.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Batteriegehäuse für eine Batterie gelöst, aufweisend eine Mehrzahl an Gehäusewänden, wobei eine Gehäusewand als Boden und eine Gehäusewand als Deckel ausgebildet ist. Mindestens eine Gehäusewand weist eine erfindungsgemäße Isolierstruktur auf. Ein derartiges Batteriegehäuse schützt die Zellen der Batterie vor äußeren, insbesondere thermischen, Einflüssen. Des Weiteren reduziert das erfindungsgemäße Batteriegehäuse einen Wärmestrom, der vom Inneren des Batteriegehäuses aus dem Batteriegehäuse heraus verläuft.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt schematisch:
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1 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Isolierstruktur;
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2 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Isolierstruktur;
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3 in einer geschnittenen Seitenansicht einen Ausschnitt der Isolierstruktur aus 1;
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4 in einer Seitenansicht zwei Isolierschichten mit einem gemeinsamen Wandabschnitt; und
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5 in einer Draufsicht eine Batterie mit einem Batteriegehäuse sowie einer erfindungsgemäßen Isolierstruktur.
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Die in 1 in einer Draufsicht dargestellte erste Ausführungsform einer Isolierstruktur 1 weist drei Isolierschichten 3 auf. Eine erste Isolierschicht 3a ist mir durchgezogenen Linien, eine zweite Isolierschicht 3b mit grob gestrichelten Linien und eine dritte Isolierschicht 3c mit fein gestrichelten Linien dargestellt. Die Isolierschichten 3 weisen Kammern 4 mit einem wabenförmigen bzw. sechseckigen Querschnitt auf, die durch Wände 5 voneinander getrennt sind. Die Wände 5 erstrecken sich in Richtung einer Schichtdicke S (vgl. 3) von einer Seite einer Isolierschicht 3 zu einer anderen Seite. Die drei Isolierschichten 3 sind aufeinander angeordnet und derart quer zur Schichtdicke S zueinander versetzt, dass an keiner Stelle der Isolierstruktur 1 in Richtung der Schichtdicke S alle Isolierschichten 3 gleichermaßen eine Wand 5 aufweisen.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Isolierstruktur 1 in einer Draufsicht dargestellt. Die Isolierstruktur 1 weist ebenfalls drei Isolierschichten 3 auf, wobei die erste Isolierschicht 3a mir durchgezogenen Linien, die zweite Isolierschicht 3b mit grob gestrichelten Linien und eine dritte Isolierschicht 3c mit fein gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Isolierschichten 3 weisen Kammern 4 mit einem quadratischen Querschnitt auf, die durch Wände 5 voneinander getrennt sind. Die Wände 5 erstrecken sich in Richtung einer Schichtdicke S (vgl. 3) von einer Seite einer Isolierschicht 3 zu einer anderen Seite. Die drei Isolierschichten 3 sind aufeinander angeordnet und derart quer zur Schichtdicke S zueinander versetzt, dass an keiner Stelle der Isolierstruktur 1 in Richtung der Schichtdicke S alle Isolierschichten 3 gleichermaßen eine Wand 5 aufweisen.
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3 zeigt die erste Ausführungsform der Isolierstruktur 1 aus 1 in einer geschnittenen Seitenansicht entlang der Linie III aus 1. Die erste Isolierschicht 3a ist in dieser Ansicht als unterste Isolierschicht 3 angeordnet. Da die Schnittlinie III direkt durch eine Wand 5 der ersten Isolierschicht 3a verläuft, ist diese Wand 5 schraffiert dargestellt. Leicht versetzt zur ersten Isolierschicht 3a ist auf dieser die zweite Isolierschicht 3b angeordnet. Weiter versetzt zur ersten Isolierschicht 3a und zur zweiten Isolierschicht 3b ist die dritte Isolierschicht 3c auf der zweiten Isolierschicht 3b angeordnet. Die Wände 5 der Isolierschichten 3 sind derart angeordnet, dass an keiner Stelle der Isolierstruktur 1 entlang der Schichtdicke S in allen drei Isolierschichten 3 ein Wandabschnitt angeordnet ist. Somit weist die Isolierstruktur keinen gemeinsamen Wandabschnitt 6 (vgl. 4) auf.
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In 4 sind zur Veranschaulichung zwei Isolierschichten 3, nämlich die erste Isolierschicht 3a und die zweite Isolierschicht 3b gezeigt. Die erste Isolierschicht 3a und die zweite Isolierschicht 3b weisen in dieser Ansicht eine Stelle auf, an der jeweils ein Abschnitt einer Wand 5 angeordnet ist. Diese Abschnitte bilden in Richtung der Schichtdicke S einen gemeinsamen Wandabschnitt 6.
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5 zeigt eine Batterie 2 mit einem Batteriegehäuse 11. Das Batteriegehäuse 11 weist in dieser Darstellung fünf Seitenwände 12 auf, wobei eine Seitenwand 12 als Boden 13 ausgebildet ist. Ein Deckel ist in dieser Ansicht nicht dargestellt. Der Boden 13 hat eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche von der sich vier Seitenwände 12 aus der Zeichenebene heraus erstrecken und somit einen Hohlquader bilden. Die Seitenwände weisen eine erfindungsgemäße Isolierstruktur 1 mit einer zum Inneren des Batteriegehäuses 11 weisenden Wärmeleitschicht 10 sowie einer zum Äußeren des Batteriegehäuses 11 weisenden Schutzschicht 8 auf.
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Im Inneren des Batteriegehäuses 11 ist ein Zellstapel 14 angeordnet, der eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Zellen aufweist, die aus der Zeichenebene heraus übereinander gestapelt sind und eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche aufweisen. Die Zellen sind im Wesentlichen plattenförmig mit vier schmalen Flanken ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Zellen derart in dem Batteriegehäuse 11 angeordnet, dass aus der Perspektive von 5 die schmalen Flanken der Zellen erkennbar sind, wobei die Zellen nebeneinander angeordnet sind und aus der Zeichenebene herausragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0288100 [0005]
- US 2012/0282496 [0006, 0006]
