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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schütz nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Batteriesystem nach Anspruch 10, insbesondere für Hybrid-, Plug-in-Hybrid- sowie Elektrofahrzeuge, bei denen das Batteriesystem über wenigstens einen Anschluss mit zumindest zwei Kontakten mit einer Fahrzeugelektrik verbunden ist.
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Stand der Technik
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, dass Hybrid- und Elektrofahrzeuge Bordnetze mit deutlich höheren Betriebsspannungen gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren aufweisen. Die zum Einsatz kommenden Energiespeichereinheiten, wie bspw. Akkumulatoren oder Batterien, sind dabei in einem Bereich innerhalb des Fahrzeugs, wie bspw. dem Fahrzeugboden, angeordnet, um bei Bedarf elektrische Energie zum Betreiben eines Elektromotors dem Fahrzeug zur Verfügung stellen zu können.
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Neben den herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen der Lithium-Iionen-Batterien werden derzeit neue Batteriekonzepte entwickelt, bei denen Festkörper-Batterien bei höheren Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur zum Einsatz kommen. Diese Batterien sind sicherer, kostengünstiger und verfügen über eine höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Neben den Festkörper-Batterien werden auch Batteriesysteme entwickelt (Zebra-Batterie), welche Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur erfordern, um z. B. oberhalb des Schmelzpunktes einer der Batteriekomponenten betrieben werden zu können. Somit benötigen die Batterien aufgrund ihres Aufbaus eine definierte Arbeitstemperatur, um optimal arbeiten zu können. Um die betrachteten Batterien auf eine definierte und folglich optimale Arbeitstemperatur zu temperieren, ist es bekannt, diese an einem so genannten Thermo-Management-System anzuordnen, welche die Zellen bspw. bei kalten Außentemperaturen zeitlich vor, bei oder nach einem Starten des Fahrzeugs erwärmt, oder welches die Zellen bspw. während des Betriebs des Fahrzeugs und insbesondere bei warmen Außentemperaturen kühlt. In der Druckschrift
WO 2009/103462 A1 ist ein solches Thermo-Management-System offenbart, bei dem die Batteriezellen mit einer Wärmeleitplatte verbunden sind, wodurch die Batterie auf einer Betriebstemperatur gehalten oder gebracht werden kann. Die zur Temperierung benötigte Heizleistung wird u. a. durch wärmeleitende Verbindungen wie Leitungen oder Wärmelecks/-brücken negativ beeinflusst. Eine gute thermische Isolation der Batterie wird angestrebt, um die thermischen Verluste aufgrund von Leitungen oder Wärmelecks zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Batteriesystem zumindest teilweise zu vermeiden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schütz zu schaffen, der sich vorzugsweise optimal an oder in ein Batteriesystem integeren lässt, wobei idealerweise die vom Schütz entstehende thermische Energie für die Batterie nutzbar ist.
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Die voranstehende Aufgabe wird u. a. gelöst durch einen Schütz für ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Batteriesystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Schütz beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Batteriesystem und jeweils umgekehrt, so dass diesbezüglich bei der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Erfindungsgemäß ist das Schütz für ein Batteriesystem, insbesondere von einem Fahrzeug, vorgesehen, wobei das Batteriesystem ein Systemgehäuse mit zumindest einem Isolationselement und zumindest ein Batteriepack, welches innerhalb des Systemgehäuses angeordnet ist, aufweist. Das Batteriesystem ist über wenigstens einen Anschluss mit zumindest zwei Kontakten mit einer Fahrzeugelektrik verbindbar. Erfindungswesentlich ist, dass durch das Schütz der Anschluss zwischen Fahrzeugelektrik und dem Batteriesystem elektrisch und thermisch trennbar ist. Demzufolge kann das Schütz als Trennung der Spannung der Batterie vom Fahrzeug, gleichzeitig durch eine geschickte Anordnung im oder am Batteriepack und Ausgestaltung im oder am Batteriepack als thermische Entkopplung dienen.
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Aus Sicherheitsgründen hat jede Batterie im Fahrzeug mit einer Spannung über 60 V DC an Plus- und Minus-Terminal (elektrische Kontakte) einen Schütz zur Spannungstrennung zwischen Batterie und Fahrzeug, insbesondere Fahrzeugelektrik. Erfindungsgemäß wird durch eine entsprechende Anordnung des Schützes, dieser gleichzeitig auch zur thermischen Trennung zwischen Batterie und Fahrzeug verwendet.
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Das erfindungsgemäße Schütz weist vorzugsweise ein Gehäuse sowie zumindest zwei Kontaktelemente und einen Schaltkontakt auf, der zur Verbindung der Kontaktelemente dient, wobei die Kontaktelementen mit den zwei Kontakten vom Anschluss verbindbar sind. Durch Anlegen einer Versorgungsspannung wird der Schaltkontakt magnetisch gegen die Kontaktelemente gedrückt und schließt somit den elektrischen Kontakt zwischen Batterie und Fahrzeug. Im Stand der Technik handelt es sich bei dem Gehäuse um ein aus Metall hergestelltes Gehäuse, welches nachteilhaft eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Im Rahmen der Erfindung kann zumindest im oder am Gehäuse des Schützes ein Isolationsmedium zur thermischen Trennung angeordnet sein. Hierbei ist es denkbar, dass an der Gehäuseinnen- oder Gehäuseaußenwand als auch zwischen den Bauteilen des Schützes ein erfindungsgemäßes Isolationsmedium angeordnet werden kann. Hierbei sind unterschiedliche Wärmedämmstoffe denkbar, wobei im Folgenden auszugsweise gebräuchliche Materialien, die für einen Einsatz geeignet sind, aufgezählt werden. So ist z. B. eine Kunststoffisolierung im oder am Gehäuse des Schützes denkbar, welche auch als Schaum in Form von künstlich organischem Schaum ausgebildet sein kann, wobei es sich hierbei vorzugsweise um Polyethylen, Polystyrol, Neopor, Polyurethan oder Resolschaum handelt. Daneben sind auch mineralische Fasern, wie Stein- und Glaswolle, für eine erfindungsgemäße thermische Trennung denkbar. Besonders vorteilhaft, aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit, eignen sich Aerogelmatten und Vakuumdämmplatten. Aerogele sind hochporöse Festkörper, bei denen bis zu 99,98 % des Volumens aus Poren bestehen. Vakuumdämmplatten sind hocheffiziente Materialien zur Wärmedämmung, die das Prinzip der Vakuumwärmedämmung ausnutzen. Sie bestehen aus einem porösen Kernmaterial, das unter anderem als Stützkörper für das in der Vakuumdämmplatte vorliegende Vakuum dient, und eine hochdichte Hülle, die einen Gaseintrag in die Dämmplatte verhindert. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls denkbar, dass die vorliegende Wärmestrahlung durch eine Verspiegelung reduziert wird, was dem Prinzip einer Thermoskanne ähnelt.
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Erfindungsgemäß kann das Gehäuse des Schützes zumindest teilweise durch das Isolationsmedium des Batteriesystems gebildet sein. Hierdurch ergibt sich eine zumindest teilintegrierte Bauform aus Gehäuse und Isolationsmedium, wodurch die thermischen Verluste weiter reduziert werden können. Dadurch kann auf das im Stand der Technik übliche Metalldesign des Schützgehäuses verzichtet werden und auf kunststoffbasierte Konstruktionen umgestiegen werden. Auch kann somit die vom Schütz erzeugte Wärme für das Batteriesystem genutzt werden. Darüber hinaus ergeben sich somit weitere Vorteile bei der Produktion des Schützgehäuses, da diese vereinfacht, z. B. durch Spritzgussverfahren, hergestellt werden können bzw. ein nachträgliches Aufbringen eines Isolationsmaterials entfällt.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass das Schütz zumindest teilweise in das Isolationselement des Batteriesystems integriert ist, insbesondere dass das Gehäuse zumindest teilweise durch das Isolationselement umgeben oder gebildet ist. Dabei wird das Schütz unmittelbar am Batteriegehäuse bzw. an dem Isolationselement des Batteriesystems angeordnet, wodurch sich im Batteriepack eine thermisch optimierte Bauform ergibt. Des Weiteren wird dadurch eine deutlich kompaktere Bauform des Batteriesystems erzielt, wodurch mehr Platz im Fahrzeug oder mehr Platz für weitere Batteriezellen geschaffen wird. Durch die integrierte Bauweise werden weitere Wärmelecks und/oder Wärmebrücken innerhalb des Batteriesystems eingespart, so dass die thermische Verlustleistung weiter reduziert ist. Insbesondere wenn das Gehäuse des Schützes durch das Isolationselement des Batteriesystems gebildet wird, werden Wärmelecks verhindert und gleichzeitig Material zur Herstellung eingespart. Hierdurch wird erreicht, dass möglichst wenig thermische Energie aus dem Batteriesystem abgegeben wird, so dass die Batterie möglichst lange auf optimaler Betriebstemperatur gehalten werden kann ohne energetische Verluste in Kauf zu nehmen. Durch die integrierte Bauweise wird außerdem erreicht, dass zumindest der batterieseitige Kontakt des Schützes durch die Batterieisolation thermisch isoliert wird, so dass die thermischen Verluste an dem Kontakt, der eine Wärmebrücke darstellt, weiter reduziert werden können.
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Im Rahmen der Erfindung ist es ferner denkbar, dass in dem Gehäuse des Schützes ein Schutzgas vorhanden ist und/oder in dem Gehäuse ein Unterdruck herrscht, insbesondere dass ein nahezu luftleerer Raum vorhanden ist, wodurch die thermische Isolation verbessert wird. Die Absenkung des Drucks führt zur Verminderung der marteriegebundenen Wärmeübertragung (Konduktion und Konvektion). Neben der geringen Wärmeübertragung im Vakuum wird ein Oxidieren der metallischen Kontakte durch den Sauerstoff, der sich in der Luft befindet, verhindert. Darüber hinaus wird durch ein Vakuum und die damit verbundene Verkapselung des Gehäuses die Entstehung von Schaltlichtbogen weiter vermieden. Der Einsatz von Schutzgas erhöht neben der thermischen Isolation die Reaktionsträgheit zur Bildung eines Schaltlichtbogens, was gegenüber Luft zu einer höheren Durchschlagsfestigkeit dient, so dass wirksam Schaltlichtbögen verringert oder unterbrochen werden.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass an dem Gehäuse des Schützes und/oder an dem Systemgehäuse des Batteriesystems zumindest ein zusätzliches Isolationssegment angeordnet ist, insbesondere dass das Isolationssegment durch ein Haltemittel reversibel montierbar ist, wobei das Isolationssegment zumindest teilweise die Kontaktelemente verdeckt. Hierdurch kann erreicht werden, dass sowohl die batterieseitigen Kontaktelement als auch die fahrzeugseitigen Kontaktelemente von einem Isolationssegment umschlossen werden, wodurch die thermische Isolation weiter verbessert ist. Die erfindungsgemäßen Isolationssegmente können dabei unterschiedliche Bauformen aufweisen, die optimaler Weise an die Bauform des Schützes bzw. des Batteriesystems angepasst sind. Dadurch wird ein weitestgehend optimaler Bauraum geschaffen, bei dem eine thermische Isolation bei gleichzeitig kompakter Bauform realisiert werden kann. Die zusätzlichen Isolationssegmente können erfindungsgemäß Haltemittel aufweisen, wodurch die Isolationssegmente reversibel montierbar an dem Schütz und/oder an dem Batteriesystem sind, so dass bei Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten ein Zugang zumindest zu den Kontaktelementen des Schützes realisiert werden kann. Bei den Haltemittel kann es sich z. B. um Klettverschlüsse, magnetische Verschlüsse oder reversibel herstellbare Klebeverbindungen, sowie Schraub-, Clip- oder Steckverbindungen handeln. Darüber hinaus können die Isolationssegmente auch Haltemittel in Form von Scharnieren oder vergleichen Klappmechanismen aufweisen, so dass die Isolationssegmente bei Bedarf von zumindest einer Gebrauchsposition in eine Wartungsposition gebracht werden können. Dadurch wird der Zugang zu dem Schütz und/oder dem Batteriesystem ermöglicht, ohne die Isolation zu beschädigen.
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Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass das Isolationssegment Ausnehmungen aufweist, wodurch zumindest die Kontaktelemente zumindest teilweise umhüllt sind. Die Ausnehmungen an den Isolationssegmenten ermöglichen es die Bauform der Isolationssegment weiter zu reduzieren, wobei gleichzeitig eine thermische und elektrische Isolation verbessert ist. Somit werden die durch die Kontaktelemente hergestellten Wärmebrücken weiter reduziert, so dass die thermische Verlustleistung verringert ist. Darüber hinaus können die Isolationssegmente auch zur elektrischen Isolation, insbesondere zur Verhinderung von Funkenbildung dienen. Dadurch wird zusätzlich zur thermischen Isolation auch die elektrische Isolation und somit die Sicherheit des Batteriesystems weiter erhöht.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Isolationselement und das Isolationsmedium einteilig ausgebildet sein, wodurch zumindest die Kontaktelemente teilweise umhüllt sind. Hierdurch wird der benötigte Bauraum weiter verringert und gleichzeitig dafür gesorgt, dass eventuell auftretende Wärmelecks und/oder Wärmebrücken zwischen den einzelnen Isolierungen weiter reduziert werden. Hierdurch kann ein Materialersparnis erzielt werden, wodurch die Materialkosten und somit die Herstellungskosten weiter reduziert sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Batteriesystem beansprucht, welches ein Batteriepack aufweist, insbesondere ein Festkörper-Batteriepack sowie einen erfindungsgemäßen Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Bei dem beanspruchten Batteriesystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Schütz beschrieben worden sind.
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Ebenfalls unter Schutz gestellt wird ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem gemäß Anspruch 10. Bei dem Fahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Schütz und dem Batteriesystem beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine schematische Ansicht der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schützes,
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2 eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schützes und
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3 eine schematische Ansicht der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schützes.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schützes 10. Dieser weist ein Gehäuse 10.1 sowie zumindest zwei Kontaktelemente 10.2, 10.3 und einen Schaltkontakt 10.4 auf.
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In der rechten Figurenhälfte ist ein Teil des Systemgehäuses 110 des Batteriesystems 100 gezeigt, an dem oberhalb eine Batterieisolation 120 angeordnet ist. An dem Systemgehäuse 110 ist das erfindungsgemäße Schütz 10 mit dem Gehäuse 10.1 angeordnet bzw. zumindest teilweise integriert, so dass zumindest ein Teil des Schützes 10 von dem Isolationselement 120 des Batteriesystems 100 umgeben ist. Hierbei ist auch das zumindest eine Kontaktelement 10.3 von dem Isolationselement 120 vollständig umschlossen und die vom Schütz 10 erzeugte Wärme kann auch auf das Batteriesystem 100 übertragen werden. Von dem zumindest einem Kontaktelement 10.3 führt eine Verbindung zum Batteriepack des Batteriesystems 100, wobei auch die Verbindung von der Isolation mit eingeschlossen ist. In der linken Seite der 1 ist das fahrzeugseitige Kontaktelement 10.2, sowie ein weiterer Teil des Isolationselements 120 gezeigt, wobei das Isolationselement 120 weitere außenliegende Gehäuseteile des Gehäuses 10.1 umhüllt. Weiterhin ist in 1 ein Isolationsmedium 11 gezeigt, dass im Gehäuse 10.1 des Schützes 10 angeordnet ist und beispielhaft eine innenliegende Isolationsmöglichkeit zeigt. Das Isolationsmedium 11 kann hierbei bspw. als Isolationsschicht auf der Innenseite des Gehäuses 10.1 des Schützes 10 aufgebracht sein. Diese Isolationsschicht kann dabei entlang des kompletten Innengehäuses und/oder entlang des kompletten Außengehäuses des Schützes 10 angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, das Isolationsmedium 11 auch zwischen den Komponenten des Schützes 10 anzuordnen, so dass die thermische Isolation weiter verbessert ist. Das Isolationselement 120 ist hierbei nur ausschnittsweise gezeigt und kann bei weiteren Ausführungsformen auch weitere Flächen des Gehäuses 10.1 des Schützes 10 integrieren. Die Verbindung vom Kontaktelement 10.2 zum Fahrzeug ist in der 1 noch weitestgehend befreit von dem Isolationselement 120 oder dem Isolationsmedium 11, so dass hierbei ein Zugriff zumindest auf das Kontaktelement 10.2 von außen möglich ist. Die in 1 gezeigte Integration des Schützes 10 in zumindest Teile des Systemgehäuses 110 des Batteriesystems 100 und in das Isolationselement 120, ermöglicht eine gleichzeitig kompakte Bauform bei einer verbesserten thermischen Isolation.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, handelt es sich zu weiten Teile um die gleiche Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wobei in 2 zusätzlich Isolationssegmente 12 gezeigt werden. Gemäß dem gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, ist das Schütz 10 ebenfalls teilweise in das Systemgehäuse 110 und das Isolationselement 120 integriert, so dass zumindest das Kontaktelement 10.3 von dem Isolationselement 120 umfasst ist. Damit das durch das Kontaktelement 10.2 gebildete Wärmeleck zumindest teilweise reduziert werden kann, wird das Isolationssegment 12, wie abgebildet, durch ein Haltemittel 13 an dem Isolationselement 120 befestigt. Das Haltemittel 13 ist hierbei als Scharnier ausgebildet, so dass das Isolationssegment 12 durch das Scharnier 13 beweglich gelagert ist. Dementsprechend kann das Isolationssegment 12, welches oberhalb des Kontaktelements 10.2 angeordnet ist, im Bedarfsfall von diesem weggeklappt werden, so dass ein Zugang zum Schütz bzw. zum Kontaktelement 10.2 herstellbar ist. Eine weitere Ausführungsform des Haltemittels 13 ist in der 2 an einer Gehäuseaußenwand des Schützgehäuses 10.1 gezeigt, bei dem das Isolationssegment 12 über ein Verbindungsmittel mit dem Isolationselement 120 reversibel verbunden ist. Hierbei kann die reversible Verbindung z. B. durch eine Klettverbindung, eine Klebeverbindung, eine Schraub- bzw. Clip- sowie Steckverbindung hergestellt werden. Dies ermöglicht ebenfalls im Bedarfsfall eine Demontage des Isolationssegments 12 von dem Isolationselement 120.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schützes 10, die eine weniger integrierte Bauweise zeigt. Hierbei wird das Schütz 10 beabstandet zum Batteriesystem 100 bzw. dem Systemgehäuse 110 angeordnet, wodurch eine variable Anordnung des Schützes innerhalb des Batteriesystems ermöglicht wird. Das Gehäuse 10.1 des Schützes 10 wird hierbei zumindest teilweise durch das Isolationsmedium 11 gebildet oder von diesem umfasst, wodurch eine verbesserte thermische Isolation des Schützes 10 gegeben ist. Weiterhin verläuft das Isolationselement 120 des Batteriesystems 100 entlang der Verbindung zwischen dem Kontaktelement 10.3 und dem Batteriesystem 100. Somit wird eine optimale thermische Isolation bei gleichzeitig variabler Anordnung des Schützes 10 innerhalb des Batteriesystems 100 dadurch ermöglicht, dass entlang der Verbindung das Isolationselement 120 durchgängig verläuft. Hierbei ist es ebenfalls denkbar, dass das Isolationselement 120 des Batteriesystems 100 und das Isolationsmedium 11 einheitlich ausgebildet sind, so dass eine nahezu übergangslose thermische Isolierung zwischen dem Schütz 10 und dem Batteriesystem 100 besteht. Auch ist es denkbar, die Verbindung des Kontaktelements 10.2 mit dem Fahrzeug ebenfalls durch das Isolationselement 120 bzw. das Isolationsmedium 11 thermisch zu isolieren, so dass auch fahrzeugseitig eine Wärmebrücke durch die Isolierung weitestgehend vermieden werden kann. Somit ist es vorstellbar, dass bei einer einteiligen Ausgestaltung des Isolationselements 120 mit dem Isolationsmedium 11, die Batterie, das Schütz sowie die Verbindungen von Batterie zu Schütz und vom Schütz zum Fahrzeug durch eine einzige Isolierung thermisch isoliert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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