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Die Erfindung betrifft ein Speichermodul mit einer Mehrzahl von Speicherzellen und mit Mitteln zum Heizen der Speicherzellen.
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Speichermodule werden z.B. in Fahrzeugen verwendet, um elektrische Energie für den Antrieb der Fahrzeuge zu speichern. Ein Speichermodul umfasst typischerweise eine Mehrzahl von Speicherzellen (z.B. LiIonen-basierte Speicherzellen), die in Abhängigkeit von Spannungs- und/oder Kapazitäts-Anforderungen in Reihe und/oder in Serie miteinander gekoppelt sind.
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Die elektrische Leistung, die durch ein Speichermodul aufgenommen bzw. abgegeben werden kann, sinkt typischerweise mit der Temperatur des Speichermoduls. Dies kann z.B. bei einem Kaltstart eines Fahrzeugs im Winter zu Einschränkungen in Bezug auf die verfügbare Antriebsleistung des Fahrzeugs führen.
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Ein Speichermodul kann daher, wie z.B. in
US2013/0323548A1 beschrieben, ein dediziertes Heizsystem umfassen, um die Temperatur des Speichermoduls zu erhöhen. So können auch bei niedrigen Außentemperaturen relativ hohe elektrische Leistungen aufgenommen bzw. abgegeben werden. Die Bereitstellung eines dedizierten Heizsystems erfordert jedoch einen relativ großen Bauraum in einem Speichermodul und ist mit zusätzlichen Kosten und mit einem zusätzlichen Gewicht verbunden. Des Weiteren führt der Betrieb eines dedizierten Heizsystems zu elektrischen Energieverlusten und somit zu einer Reduktion der Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Speichermodul mit Energie-, Bauraum-, Gewichts- und Kosten-effizienten Mitteln zum Heizen der Speicherzellen des Speichermoduls bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie beschrieben. Das Speichermodul kann ausgelegt sein, elektrische Energie für den Antrieb eines elektrisch angetriebenen Straßenkraftfahrzeugs bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Modulspannung an Anschlüssen des Speichermoduls bei 400V oder mehr liegen.
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Das Speichermodul umfasst eine erste Speicherzelle und eine zweite Speicherzelle mit jeweils einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss. Eine Speicherzelle kann z.B. eine LiIonen-basierte Speicherzelle umfassen. Typischerweise umfasst das Speichermodul eine Vielzahl von Speicherzellen, die in Abhängigkeit von Anforderungen an die Speicherkapazität, an den Modulstrom des Speichermoduls und/oder an die Modulspannung des Speichermoduls zumindest teilweise parallel zueinander und/oder zumindest teilweise in Reihe geschaltet sein können.
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Das Speichermodul kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die erste Speicherzelle und die zweite Speicherzelle (bzw. die Vielzahl von Speicherzellen) angeordnet sind. Das Speichermodul kann einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss umfassen, die durch einen positiven Anschluss einer Speicherzelle bzw. durch einen negativen Anschluss einer Speicherzelle gebildet werden.
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Das Speichermodul umfasst weiter eine Kontaktbrücke, die einen Anschluss der ersten Speicherzelle mit einem Anschluss der zweiten Speicherzelle elektrisch leitend verbindet. Die Kontaktbrücke ist dabei eingerichtet, den elektrischen Widerstand zwischen den elektrisch verbundenen Anschlüssen der ersten Speicherzelle und der zweiten Speicherzelle mit steigender Temperatur zu reduzieren. Insbesondere kann die Kontaktbrücke bei relativ niedrigen Temperaturen (z.B. im Bereich von –30ºC und –10ºC) einen relativ hohen elektrischen Widerstand bereitstellen. Andererseits kann die Kontaktbrücke bei relativ hohen Temperaturen (z.B. im Bereich von 10ºC und 30ºC) einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand bereitstellen.
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Durch die Bereitstellung einer Kontaktbrücke mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand können die Speicherzellen des Speichermoduls bei niedrigen Temperaturen in automatischer Weise durch die Ströme zwischen den Speicherzellen aufgeheizt werden. Andererseits werden bei relativ hohen Temperaturen (insbesondere bei typischen Betriebstemperaturen des Speichermoduls) die inneren Verluste des Speichermoduls gering gehalten. Es können somit Bauraum-, Kosten-, Gewichts- und Energie-effiziente Heizmittel für ein Speichermodul bereitgestellt werden.
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Die (zumindest eine) Kontaktbrücke kann den positiven Anschluss der ersten Speicherzelle mit dem negativen Anschluss der zweiten Speicherzelle elektrisch leitend verbinden. Andererseits kann die (zumindest eine) Kontaktbrücke den negativen Anschluss der ersten Speicherzelle mit dem positiven Anschluss der zweiten Speicherzelle elektrisch leitend verbinden. Durch die Kontaktbrücke kann somit eine Reihenschaltung von Speicherzellen bereitgestellt werden, so dass zumindest ein Teil des Modulstroms über die Kontaktbrücke fließt und dabei (bei relativ niedrigen Temperaturen) thermische Verlustleistung erzeugt, die zum Erwärmen der Speicherzellen genutzt werden kann. So können besonders effiziente Heizmittel bereitgestellt werden.
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Insbesondere kann das Speichermodul eine Mehrzahl von Gruppen von ein oder mehreren Speicherzellen umfassen. Die ein oder mehreren Speicherzellen einer Gruppe können dabei parallel zueinander angeordnet sein. Die Gruppen können jeweils durch eine Kontaktbrücke (mit temperaturabhängigem Widerstand) (direkt) miteinander gekoppelt werden, um eine Reihenschaltung der Gruppen von ein oder mehreren Speicherzellen zu bilden. Es können somit mehrere Kontaktbrücken bereitgestellt werden, um die Speicherzellen eines Speichermoduls zu erwärmen.
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Das Speichermodul kann eingerichtet sein, einen Modulstrom an den Anschlüssen des Speichermoduls bereitzustellen. Die ein oder mehreren Kontaktbrücken sind typischerweise derart angeordnet, dass über die ein oder mehreren Kontaktbrücken zumindest ein Teil des Modulstroms bzw. der gesamte Modulstrom fließt. So kann die Heizleistung innerhalb des Speichermoduls erhöht, insbesondere maximiert, werden.
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Eine Kontaktbrücke kann eingerichtet sein, den elektrischen Widerstand zwischen einer ersten Temperatur und einer zweiten Temperatur um einen Faktor 2, 3, 4 oder mehr zu reduzieren. Dabei liegt die erste Temperatur bevorzugt zwischen –30ºC und –10ºC und/oder die zweite Temperatur zwischen 10ºC und 30ºC. So können zum einen hohe Heizleistungen (bei niedrigen Temperaturen) und geringe Verlustleistungen (bei hohen Temperaturen) bereitgestellt werden.
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Eine Kontaktbrücke kann ein oder mehrere Materialien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand umfassen, der einen negativen Temperaturkoeffizient aufweist. Beispielhafte Materialien sind: ein Metalloxid, insbesondere von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer und/oder Titan; ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Germanium, Bor, Selen und/oder Tellur; und/oder ein Verbindungshalbleiter, insbesondere Galliumarsenid, Indiumphosphid, Indiumantimonid, Indiumarsenid, etc.
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Alternativ oder ergänzend kann die Kontaktbrücke eingerichtet sein, einen Übergangswiderstand zwischen einem Anschluss einer Speicherzelle und der Kontaktbrücke mit steigender Temperatur zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann die Kontaktbrücke ein Kontaktteil und Druckmittel umfassen, wobei die Druckmittel derart ausgelegt sind, dass eine Kraft, mit der das Kontaktteil auf einen Anschluss einer Speicherzelle gedrückt wird, mit steigender Temperatur steigt (so dass der Übergangswiderstand zwischen Anschluss und Kontaktteil reduziert wird). Beispielsweise können die Druckmittel einen Bimetall-Streifen in oder an dem Kontaktteil umfassen. Alternativ oder ergänzend können die Druckmittel eine Druckfeder mit temperaturabhängiger Ausdehnung umfassen, die eingerichtet ist, das Kontaktteil auf einen Anschluss einer Speicherzelle zu drücken.
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Die Speicherzellen können jeweils einen Zellwickel umfassen, der direkt mit dem positiven und dem negativen Anschluss verbunden ist und der zumindest teilweise von einer Isolationsschicht und/oder einem Zellbecher umgeben wird. Die direkte Verbindung zwischen den Anschlüssen und dem Zellwickel ermöglicht eine besonders effiziente Übertragung der thermischen Energie von der Kontaktbrücke in das Innere der Speicherzellen zur Erwärmung der Speicherzellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Speichermodul umfasst. Das Fahrzeug kann einen elektrischen Antrieb umfassen, der mit elektrischer Energie aus dem Speichermodul betrieben wird.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1a ein beispielhaftes Speichermodul in einer Draufsicht auf die Anschlüsse der Speicherzellen;
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1b eine beispielhafte Speicherzelle in einer Seitenansicht; und
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2 einen beispielhaften Widerstandsverlauf zwischen den Anschlüssen zweier Speicherzellen eines Speichermoduls.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung von Energie-, Bauraum-, Gewichts- und Kosten-effizienten Heizmitteln für ein elektrisches Speichermodul, insbesondere für ein Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie für den Antrieb eines Straßenkraftfahrzeugs.
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1a zeigt ein beispielhaftes Speichermodul 100 mit einer Mehrzahl von Speicherzellen 110. In dem dargestellten Beispiel sind jeweils zwei Speicherzellen 110 über Kontaktbrücken 103 parallel zueinander angeordnet (insbesondere um die Kapazität des Speichermoduls 100 zu erhöhen). Des Weiteren sind Gruppen von parallel geschalteten Speicherzellen 110 in Reihe geschaltet (insbesondere um die Nennspannung des Speichermoduls 100 zu erhöhen).
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Wie in den 1a und 1b dargestellt, umfasst eine Speicherzelle 110 einen Zellwickel 115, der durch eine Isolierschicht 114 und einen (typischerweise metallischen) Zellbecher 113 umgeben ist. Außerdem umfasst eine Speicherzelle 110 einen positiven Anschluss 111 und einen negativen Anschluss 112. Zwischen dem positiven Anschluss 111 und dem negativen Anschluss 112 liegt eine Zellspannung an. Des Weiteren fließt an den Anschlüssen 111, 112 ein Zellstrom (entweder ein Ladestrom in die Speicherzelle 110 hinein bzw. ein Entladestrom aus der Speicherzelle 110 heraus).
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Der positive Anschluss 111 einer ersten Speicherzelle 110 der Reihenschaltung von Speicherzellen 110 bildet einen positiven Anschluss 101 des Speichermoduls 100 und der negative Anschluss 112 einer letzten Speicherzelle 110 der Reihenschaltung von Speicherzellen 110 bildet einen negativen Anschluss 102 des Speichermoduls 100. Zwischen dem positiven Anschluss 101 und dem negativen Anschluss 102 des Speichermoduls 100 liegt eine Modulspannung an (die der Summe der Zellspannungen der in Reihe geschalteten Speicherzellen 110 entspricht). Des Weiteren fließt an den Anschlüssen 101, 102 des Speichermoduls 100 ein Modulstrom (der der Summe der Zellströme der parallel zueinander geschalteten Speicherzellen 110 entspricht).
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Mit sinkender Temperatur sinkt typischerweise die elektrische Leistung, die durch die Speicherzellen 110 eines Speichermoduls 100 aufgenommen bzw. abgegeben werden kann. Es kann daher erforderlich sein, ein Heizsystem bereitzustellen, um die Speicherzellen 110 eines Speichermoduls 100 zu erwärmen und um damit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen die elektrische Leistung der Speicherzellen 110 zu erhöhen. Ein Heizsystem kann z.B. Heizdrähte umfassen, die an den Außenwänden (insbesondere an den Zellbechern 115) der Speicherzellen 110 angeordnet sind und die von Außen mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein derartiges Heizsystem ist jedoch mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Gewicht verbunden und erfordert zusätzlichen Bauraum in einem Speichermodul 100. Außerdem weist ein solches Heizsystem aufgrund der relativ weiten Entfernung zwischen Zellwickel 115 und Heizdrähten typischerweise eine relativ niedrige Energieeffizienz auf.
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1a zeigt Kontaktbrücken 104, die als Heizmittel verwendet werden und die direkt im Pfad des Modulstroms eines Speichermoduls 100 angeordnet sind und die so in energieeffizienter Weise betrieben werden können. Die Kontaktbrücken 104 sind eingerichtet, einen negativen Anschluss 112 einer Gruppe von Speicherzellen 110 mit einem positiven Anschluss 111 einer folgenden Gruppe von Speicherzellen 110 zu kontaktieren (und umgekehrt), um die Reihenschaltung von Gruppen von Speicherzellen 110 aufzubauen.
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Die Kontaktbrücken 104 weisen dabei einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf. Wie in 2 dargestellt sinkt der elektrische Widerstand 202 mit steigender Temperatur 201. Die Kontaktbrücken 104 weisen somit bei einer relativ niedrigen Temperatur 201 einen relativ hohen elektrischen Widerstand 202 auf und verursachen somit bei einer relativ niedrigen Temperatur 201 relativ viel Verlustwärme, die zum Heizen der Speicherzelen 110 verwendet werden kann. Andererseits weisen die Kontaktbrücken 104 bei relativ hoher Temperatur 201 einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand 202 auf, so dass das Speichermodul 100 bei relativ hohen Temperaturen 201 (insbesondere bei Betriebstemperaturen 203 eines Speichermoduls 100, z.B. im Bereich von 20º bis 40º C) in energieeffizienter Weise betrieben werden kann.
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Durch die Bereitstellung von Kontaktbrücken 104, die einen temperaturabhängigen Widerstand 202 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, können die Speicherzellen 110 eines Speichermoduls 100 automatisch geheizt werden, ohne dass zu diesem Zweck ein dediziertes Heizsystem bereitgestellt werden muss. So können der erforderliche Bauraum und die Kosten reduziert werden. Außerdem sind die Kontaktbrücken 104 direkt an den Anschlüssen 111, 112 der Speicherzellen 110 angeordnet, so dass die an den Kontaktbrücken 104 erzeugte thermische Energie in effizienter Weise an die Zellwickel 115 und somit in den Innenbereich der Speicherzellen 110 geleitet werden kann.
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2 zeigt einen beispielhaften Verlauf 204 des elektrischen Widerstands 202 als Funktion der Temperatur 201. Für Temperaturen 201 unterhalb der Ziel-Betriebstemperatur 203 einer Speicherzelle 110 kann der elektrische Widerstand 202 über einem Widerstands-Schwellenwert 204 liegen. Andererseits kann der elektrische Widerstand 202 für Temperaturen 201 oberhalb der Ziel-Betriebstemperatur 203 unterhalb des Widerstands-Schwellenwertes 204 liegen.
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Eine Kontaktbrücke 104 mit einem temperaturabhängigen Widerstand 202 kann durch Verwendung von ein oder mehreren Materialien bereitgestellt werden, die einen spezifischen Widerstand mit einem (substantiell) negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Mit anderen Worten, es können sogenannte Heißleiter als Materialien verwendet werden, um eine Kontaktbrücke 104 (insbesondere zum Aufbau der Reihenschaltung von Speicherzellen 110) bereitzustellen.
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Alternativ oder ergänzend kann der elektrische Widerstand 202 einer Kontaktbrücke 104 mechanisch verändert werden. Beispielsweise kann die Kontaktbrücke 104 ein Kontaktteil zu einem Anschluss 111, 112 einer Speicherzelle 110 umfassen, wobei sich die Kontaktfläche und/oder der Kontaktdruck zwischen dem Kontaktteil und dem Anschluss 111, 112 mit der Temperatur verändert, um einen temperaturabhängigen Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktteil und dem Anschluss 111, 112 bereitzustellen.
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Beispielsweise kann eine Kontaktbrücke 104 (auch als Zellkontaktierungssystem bezeichnet) als Bimetall-Streifen ausgeführt sein und selbstgesteuert durch die im Bimetall entstehende Biegung mit variabler Kraft auf einen Zell-Anschluss 111, 112 (auch als Zellterminal bezeichnet) aufpressen. Bei niedriger Temperatur 201 sind dabei die Anpresskraft gering, und damit der Übergangswiderstand und die Heizwirkung relativ groß. Mit steigender Temperatur 201 wird die Anpresskraft größer und damit der Widerstand 202 bzw. die Heizwirkung geringer. Des Weiteren kann eine Spirale aus Bimetall verwendet werden, die bei steigender Temperatur 201 ihre Ausdehnung erhöht und damit einen erhöhten Anpressdruck auf einen Zellterminal 111, 112 ausübt.
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Die Speicherzellen 110 können somit anhand eines Zellkontaktierungssystems 104 elektrisch kontaktiert werden. Da das Zellkontaktierungssystem 104 auf die direkt mit einer Zellwickel 115 verbundenen Terminals 111, 112 aufgesetzt wird, ist der Wärmeleitpfad von dem Zellkontaktierungssystem 104 zur Zellwickel 115 relativ günstig. Durch geeignete Gestaltung des elektrischen Widerstandes 202 an der Kontaktstelle zwischen einem Terminal 111, 112 und dem Zellkontaktierungssystem 104 und/oder durch Gestaltung des elektrischen Widerstands 202 innerhalb des Zellkontaktierungssystems 104 sowie der daraus resultierenden Wärmeentwicklung kann ein Heizsystem für die Speicherzellen 110 eines Speichermoduls 100 bereitgestellt werden. Der Widerstand 202 kann mittels mechanischer Mittel (z.B. Bimetall) und/oder durch geeignete Materialwahl (Negative Temperature Coefficient, NTC, Materialien) temperaturabhängig variiert werden. Bei niedrigen Temperaturen 201 kann ein relativ hoher Widerstand 202 zu einer relativ hohen Wärmeentwicklung und damit zu einem relativ schnellen Aufheizen einer Speicherzelle 110 führen. Bei Erreichen einer optimalen Temperatur 203 kann der Widerstand 202 (z.B. durch eine geeignete Konstruktion) reduziert werden, so dass keine oder nur noch geringe Heizeffekte und entsprechende elektrische Verluste auftreten.
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In 1a ist die Verwendung von Temperatur-abhängigen Kontaktbrücken 104 für die Reihenschaltung von Speicherzellen 110 dargestellt. Optional können auch für die Parallelschaltung von Speicherzellen 110 Temperatur-abhängige Kontaktbrücken 103 verwendet werden, um aufgrund von Ausgleichströmen zwischen Speicherzellen 110 Wärmeenergie zu gewinnen.
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Durch die Verwendung von Kontaktbrücken 104 zur Bereitstellung eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands 202 zwischen den Anschlüssen 111, 112 von Speicherzellen 110 können Kosten, Gewicht und Bauraum durch Entfall eines dedizierten Heizsystems eingespart werden. Des Weiteren erfolgt eine selbstregelnde Optimierung der Leistungsbereitstellung eines Speichermoduls 100 bei niedrigen Temperaturen, bei gleichzeitiger Sicherstellung geringer Verlustleistungen sobald eine Ziel-Betriebstemperatur erreicht ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0323548 A1 [0004]
