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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterievorrichtung für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Hochvoltbatterie zum Versorgen einer Antriebsmaschine des Kraftwagens mit Energie, mit zumindest einer, ein Aktivmaterial wenigstens einer Batteriezelle der Hochvoltbatterie umgebenden Folienanordnung, und mit einer Kühlvorrichtung, welche wärmeübertragend mit der Hochvoltbatterie gekoppelt ist.
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Aus der
DE 10 2012 200 401 A1 ist eine Batterie für ein Batteriemodul eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges bekannt. Die Batterie umfasst zumindest eine, als Coffee-Bagzelle ausgebildete Zelle. Zum Kühlen der Zelle sind in die Hülle eingebrachte Wärmerohre vorgesehen, mittels welchen Wärme durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums von der Zelle abführbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochvoltbatterievorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders effiziente Kühlung der Hochvoltbatterie ermöglicht ist, die wenig Bauraum benötigt und mit geringem Aufwand betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochvoltbatterievorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einer Hochvoltbatterievorrichtung für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Hochvoltbatterie zum Versorgen einer Antriebsmaschine des Kraftwagens mit Energie, mit zumindest einer, ein Aktivmaterial wenigstens einer Batteriezelle der Hochvoltbatterie umgebenden Folienanordnung, und mit einer Kühlvorrichtung, welche wärmeübertragend mit der Hochvoltbatterie gekoppelt ist, aus.
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Das Aktivmaterial entspricht dabei einer Komponente der Batteriezelle, in welcher chemische Prozesse beim Betrieb der Hochvoltbatterie ablaufen. Beim Betrieb der Hochvoltbatterie kommt es zu einer Erwärmung des Aktivmaterials. Das Aktivmaterial stellt beim Betrieb der Hochvoltbatterie dementsprechend eine Wärmequelle der Batteriezelle dar. Die Kühlvorrichtung dient zum Kühlen des Aktivmaterials und damit der Hochvoltbatterie. Dementsprechend stellt die Kühlvorrichtung eine Wärmesenke dar. Die Hochvoltbatterie kann beispielsweise als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgestaltet sein.
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Um eine besonders effiziente Kühlung der Hochvoltbatterie zu ermöglichen, die wenig Bauraum benötigt und mit geringem Aufwand betrieben werden kann, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Folienanordnung eine das Aktivmaterial wenigstens bereichsweise umgebende, erste Folie und eine die erste Folie sowie das Aktivmaterial wenigstens bereichsweise umgebende, zweite Folie umfasst und zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie ein poröses Material angeordnet ist, mittels welchem das Kühlmedium unter Ausnutzung des Kapillareffekts entlang des Aktivmaterials führbar ist. Dies ist von Vorteil, da durch die Ausnutzung des Kapillareffekts eine besonders weitreichende Verteilung des Kühlmediums entlang des Aktivmaterials ermöglicht ist, wobei vorteilhafterweise auf eine Fördereinrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe zum Fördern des Kühlmediums verzichtet werden kann. Dementsprechend ermöglicht das poröse Material eine besonders aufwandsarme Verteilung des Kühlmediums und eine entsprechend aufwandsarme Kühlung des Aktivmaterials.
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Die Folienanordnung kann beispielsweise sogenannte Pouchfolien umfassen. Sowohl die erste Folie als auch die zweite Folie können dabei als jeweilige Pouchfolie ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Kühlmedium durch Betreiben der Hochvoltbatterie erwärmbar und dabei zumindest teilweise von dessen Flüssigphase in dessen Gasphase überführbar. Dies ist von Vorteil, da über die zum Verdampfen des Kühlmediums (Überführen des Kühlmediums von dessen Flüssigphase in dessen Gasphase) aufzuwendende Verdampfungsenthalpie eine besonders große Wärmemenge von dem Aktivmaterial abführbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich wenigstens ein Fluidkanal wenigstens bereichsweise durch das poröse Material und das Kühlmedium ist in dessen Gasphase mittels des wenigstens einen Fluidkanals entlang des Aktivmaterials zur Kühlvorrichtung führbar. Dies ist von Vorteil, da der Fluidkanal zusammen mit dem porösen Material hierdurch einen Fluidkreislauf zum Fördern des Kühlmediums zwischen dem Aktivmaterial und der Kühlvorrichtung bilden kann. Dadurch kann das Kühlmedium besonders aufwandsarm temperaturbedingt gefördert werden. Durch den Kapillareffekt kann das Kühlmedium durch das poröse Material hindurch in Richtung des Aktivmaterials (Wärmequelle) gezogen werden. Am Aktivmaterial kann das Kühlmedium verdampfen und in den Fluidkanal diffundieren. Das Verdampfen des Kühlmediums kann eine Druckerhöhung im Kühlkanal im Bereich des Aktivmaterials bewirken, sodass das Kühlmedium in dessen Gasphase dementsprechend gasdruckgetrieben in Richtung der Kühlvorrichtung gedrückt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Kühlmedium mittels der Kühlvorrichtung von dessen Gasphase in dessen Flüssigphase überführbar. Durch die Kühlvorrichtung kann somit in vorteilhafter Weise ein Kondensieren des Kühlmediums und damit ein Überführen von dessen Gasphase in dessen Flüssigphase bewirkt werden.
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Insgesamt bilden die Kühlvorrichtung, und das poröse Material mit dem wenigstens einen Kanal eine Passivkühlung zum Kühlen des Aktivmaterials. Sobald das Aktivmaterial beim Betrieb der Hochvoltbatterie erwärmt wird, ermöglichen die Kühlvorrichtung, das poröse Material und der wenigstens eine Kanal ein Umwälzen des Kühlmediums und damit ein Fördern des Kühlmediums zwischen dem Aktivmaterial und der Kühlvorrichtung in einem passiv arbeitenden Kühlkreislauf.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Batterie eines Kraftwagens, welche gemäß dem Stand der Technik einseitig durch einen Fahrzeugkühlkreislauf mit Kühlwasser gekühlt wird;
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2a eine Perspektivansicht auf einen Teilbereich einer Hochvoltbatterievorrichtung, wobei ein Aktivmaterial einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie wärmeübertragend mit einer Kühlvorrichtung gekoppelt ist;
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2b eine Schnittansicht des Teilbereichs gemäß einer in 2a dargestellten Schnittebene XY;
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3a eine weitere Perspektivansicht des Teilbereichs der Hochvoltbatterievorrichtung;
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3b eine weitere Schnittansicht des Teilbereichs gemäß einer in 3a dargestellten Schnittebene YZ
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4a eine weitere Perspektivansicht des Teilbereichs der Hochvoltbatterievorrichtung;
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4b eine weitere Schnittansicht des Teilbereichs gemäß einer in 4a dargestellten Schnittebene XZ; und
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4c eine vergrößerte Darstellung eines in 4b gestrichelt umrandeten Bereichs B.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kühlkonzept zum Kühlen einer Batterie 70, welche als Traktionsbatterie eines hier nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann. Die Batterie 70 umfasst eine Batteriezellenanordnung 72 mit mehreren, in einem Batteriegehäuse 71 der Batterie 70 angeordneten Zellen, welche beim Betrieb der Batterie Abwärme erzeugen. Die Zellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein, welche bis zu einer Grenztemperatur von etwa 60°C ohne Schädigung betrieben werden können. Um beim Laden der Batterie 70 ein Überschreiten dieser Grenztemperatur zu verhindern, ist eine entsprechende Kühlungsvorrichtung in der Batterie 70 vorgesehen. Eine besonders hohe Kühlleistung wird bei der Schnellladung der Zellen benötigt, da hier sehr hohe Ströme fließen. Da sich das Kraftfahrzeug bei der Schnellladung im Stand befindet, reicht eine passive Kühlung, beispielsweise in Form einer Luftkühlung nicht aus, um die bei der Schnellladung anfallenden Wärmemengen in ausreichendem Maße abzuführen. Ebenso ist der Einsatz eines Gebläses aus Bauraumsicht nicht vorteilhaft. Für die Umsetzung höherer Kühlleistungen werden derzeit aktive Flüssigkeitskühlungen verwendet, wobei eine flächige Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Zellen der Batteriezellenanordnung 72 und einem Fahrzeugkühlkreislauf 74 erfolgt. Der Fahrzeugkühlkreislauf 74 ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen als abgeschlossener Kühlkreislauf ausgebildet, welcher die Batterie 70 mit einem geforderten Volumenstrom an Kühlmittel bei einer entsprechend benötigten Kühlmitteltemperatur versorgt.
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Die in 1 gezeigte, einseitige Kühlung stellt eine häufig verwendete Kühlungsmethode dar. Allerdings stellt die einseitige Kühlung, bei welcher ein Wärmeübertrager 80 über eine Zulaufleitung 76 sowie eine Rücklaufleitung 78 Kühlwasser 84 mit dem Fahrzeugkühlkreislauf 74 austauscht, aufgrund von entstehenden Temperaturinhomogenitäten beim gleichzeitigen Laden und Kühlen der Batterie 70 eine ungünstige Lösung dar. Derartige Temperaturinhomogenitäten können sich bei einer Schnellladung der Batterie 70 negativ auf die Ladedauer sowie die Lebensdauer der Batterie 70 auswirken. Der Wärmeübertrager 80 kann beispielsweise als Kühlplattenkomponente oder als Gehäusekomponente ausgestaltet sein, durch welche das Kühlmedium 84 über die Zulaufleitung 76 und die Rücklaufleitung 78 geführt werden kann. Denkbar ist beispielsweise eine Ausgestaltung der Gehäusekomponente als Strangpressprofil. Zur besseren Wärmeübertragung kann zwischen der Batteriezellenanordnung 72 und dem Wärmeübertrager 80 ein Wärmeleitmedium 86 angeordnet sein.
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2a, 3a und 4a zeigen jeweils verschiedene Perspektivansichten eines Teilbereichs einer Hochvoltbatterievorrichtung 10 für einen Kraftwagen 60, wobei der Kraftwagen 60 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in 2a schematisch angedeutet ist. Mittels der Hochvoltbatterievorrichtung 10 können wesentliche, aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile überwunden werden.
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2b zeigt eine Schnittdarstellung des in 2a gezeigten Teilbereichs der Hochvoltbatterievorrichtung 10 gemäß einer Schnittebene XY. 3b zeigt eine weitere Schnittdarstellung des in 3a gezeigten Teilbereichs der Hochvoltbatterievorrichtung 10 gemäß einer Schnittebene YZ. 4b zeigt eine Schnittdarstellung des in 4a gezeigten Teilbereichs der Hochvoltbatterievorrichtung 10 gemäß einer Schnittebene XZ.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung 10 umfasst eine Hochvoltbatterie 20 zum Versorgen einer hier nicht weiter dargestellten Antriebsmaschine des Kraftwagens 60 mit elektrischer Energie. Beim Betrieb der Hochvoltbatterie 20 kann diese unter Entwicklung von Wärme (Abwärme) geladen und entladen werden.
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Die Hochvoltbatterie 20 umfasst mehrere, ein jeweiliges Aktivmaterial 24 aufweisende Batteriezellen, von welchen vorliegend lediglich eine Batteriezelle 22 gezeigt ist. Des Weiteren umfasst die Hochvoltbatterie 20 eine Folienanordnung 30, welche das Aktivmaterial 24 der Batteriezelle 22 umgibt.
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Beim Betrieb der Hochvoltbatterie 20 stellt das Aktivmaterial 24 eine Wärmequelle dar, da beim Betrieb der Hochvoltbatterie 20 infolge von chemischen Prozessen innerhalb des Aktivmaterials 24 Wärme entsteht. Zum Abführen der Wärme umfasst die Hochvoltbatterievorrichtung 10 eine, vorliegend als Kühlplatte ausgebildete Kühlvorrichtung 12, welche über ein Wärmeleitmedium 14 wärmeübertragend (hier: wärmeleitend) mit der Hochvoltbatterie 20 gekoppelt ist. Über die Kühlvorrichtung 12, welche auch als Wärmesenke bezeichnet werden kann, kann somit die beim Betrieb der Hochvoltbatterie 20 entstehende Wärme abgeführt werden. Bei dem Wärmeleitmedium 14 kann es sich beispielsweise um eine Wärmeleitpaste handeln. Das Wärmeleitmedium 14 ist vorliegend an einer Unterseite der Batteriezelle angeordnet und wärmeleitend mit der Kühlvorrichtung 12 verbunden. Die Kühlvorrichtung 12 (hier: Kühlplatte) kann Bestandteil eines hier nicht weiter dargestellten Kühlkreislauf sein.
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Um eine besonders aufwandsarme, passive Kühlung der Hochvoltbatterievorrichtung 10 zu ermöglichen, umfasst die Folienanordnung 30 eine das Aktivmaterial 24 umgebende, erste Folie 32 und eine die erste Folie 32 sowie das Aktivmaterial 24 umgebende, zweite Folie 34, wobei zwischen der ersten Folie 32 und der zweiten Folie 34 ein poröses Material 40 angeordnet ist, mittels welchem ein zwischen den Folien 32, 34 gespeichertes Kühlmedium 50 unter Ausnutzung des Kapillareffekts entlang des Aktivmaterials 24 führbar ist. Die Folien 32, 34 sind vorliegend als sogenannte Pouchfolien ausgestaltet. Das Kühlmedium 50 ist elektrisch nicht leitend. Bei dem Kühlmedium 50 kann es sich beispielsweise um das Kühlmittel Novec handeln.
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Mittels des porösen Materials 40, welches zwischen den beiden Folien 32, 34 durch Aufsprühen oder Hineindrücken eingebracht werden kann, kann das Kühlmedium 50 in dessen Flüssigphase 54 entlang einer, durch einen Pfeil in 3b verdeutlichten Zuführrichtung 56 von der Kühlvorrichtung 12 unter Ausnutzung des Kapillareffekts weggeführt, entlang einer Oberfläche des Aktivmaterials 24 verteilt und bis hin zu einem, der Kühlvorrichtung 12 gegenüberliegenden Zellenendbereich 23 der Batteriezelle 22 gefördert werden. Somit ist in vorteilhafter Weise eine besonders großflächige, passive Kühlung des Aktivmaterials 24 beim Betrieb der Hochvoltbatterie 20 möglich.
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Das Kühlmedium 50 ist durch Betreiben der Hochvoltbatterie 20 infolge der in dem Aktivmaterial 24 ablaufenden chemischen Prozesse erwärmbar und dabei zumindest teilweise von dessen Flüssigphase 54 in dessen Gasphase 52 überführbar, wie ebenfalls in 3b erkennbar ist.
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2b und 3b zeigen exemplarisch, dass sich eine Mehrzahl von Fluidkanälen 42, 44 durch das poröse Material 40 erstreckt, um das Kühlmedium 50 in dessen Gasphase 52 mittels der Fluidkanäle 42, 44 in einer, durch einen Pfeil in 3b verdeutlichten Rückführrichtung 58 entlang des Aktivmaterials 24 zur Kühlvorrichtung 12 zurück zu führen. Die Fluidkanäle 42, 44 können beispielsweise durch ein bohrendes Bearbeiten des porösen Materials 40 in dieses eingebracht werden.
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Mittels der Kühlvorrichtung 12 kann dem Kühlmedium 50 Wärme entzogen werden, wodurch eine Kondensation des Kühlmediums 50 bewirkt wird und dementsprechend ein Phasenwechsel von der Gasphase 52 in die Flüssigphase 54 erfolgt. Mit anderen Worten ist das Kühlmedium 50 also mittels der Kühlvorrichtung 12 von dessen Gasphase 52 in dessen Flüssigphase 54 überführbar.
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Somit können das poröse Material 40 und die Fluidkanäle 42, 44 ein Fördern des Kühlmediums 50 in einem geschlossenen, passiv arbeitenden Kreislauf bewirken, wobei das Fördern des Kühlmediums in der Zuführrichtung 56 bzw. in der Rückführrichtung 58 durch Temperaturunterschiede zwischen dem Aktivmaterial 24 (Wärmequelle) und der Kühlvorrichtung 12 (Wärmesenke) erfolgen kann.
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Das Kühlmedium 50 wird also insgesamt aufgrund des Kapillareffekts durch das poröse Material 40 hindurch in der Zuführrichtung 56 bis hin zum Zellenendbereich 23 nach oben gezogen und verdampft dabei. Das Kühlmedium 50 wird hierbei also einem Phasenwechsel von dessen Flüssigphase 54 in dessen Gasphase 52 unterzogen. Das dampfförmige, also in der Gasphase 52 vorliegende Kühlmedium 50 strömt dann innerhalb der Fluidkanäle 42, 44 gasdruckgetrieben in Richtung der Kühlvorrichtung 12 (Wärmesenke) zurück, an welcher das Kühlmedium 50 kondensiert, also von der Gasphase 52 in die Flüssigphase 54 überführt wird. Das Kühlmedium 50 tritt dann in dessen Flüssigphase 54 wiederum aus den Fluidkanälen 42, 44 aus und dringt im Bereich der Kühlvorrichtung 12 in das poröse Material 40 ein. Sodann kann das Kühlmedium 50 erneut aufgrund des Kapillareffekts durch das poröse Material 40 hindurch in der Zuführrichtung 56 gefördert werden.
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Zusammenfassend kann durch den Phasenübergang des Kühlmediums 50 während des Kühlprozesses auf Grund der Verdampfungsenthalpie hohe Wärmemengen von der Batteriezelle 22 abgeführt werden.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung 10 weist insgesamt mehrere Vorteile gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Systemen auf:
Einerseits enthält die Batteriezelle 22 ein kompaktes, integriertes Kühlsystem das wenig Bauraum benötigt und einfach zu montieren ist. Andererseits wird die Batteriezelle 22 nicht nur einseitig sondern von allen Seiten großflächig gekühlt, wodurch der Temperaturgradient über die Batteriezelle 22 in deren Längen- und Dickenrichtung kleiner wird. Darüber hinaus lassen sich durch den Phasenübergang des Kühlmediums 50 wesentlich höhere Wärmemengen abführen als durch reine Wärmeleitung mit Kühlblechen. Zudem ist der Kühlkreislauf zwischen den beiden Folien 32, 34 (Pouchfolien) in sich geschlossen und benötigt keine Pumpe. Des Weiteren zirkuliert das Kühlmedium 50 pro Batteriezelle 22 in einem jeweils abgeschlossenen Kreislauf, die Hochvoltbatterie 20 muss also nicht wie bei einer Flüssigkühlung aufwendig abgedichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltbatterievorrichtung
- 12
- Kühlvorrichtung
- 14
- Wärmeleitmedium
- 20
- Hochvoltbatterie
- 22
- Batteriezelle
- 23
- Zellenendbereich
- 24
- Aktivmaterial
- 30
- Folienanordnung
- 32
- erste Folie
- 34
- zweite Folie
- 40
- poröses Material
- 42
- Fluidkanal
- 44
- Fluidkanal
- 50
- Kühlmedium
- 52
- Gasphase
- 54
- Flüssigphase
- 60
- Kraftwagen
- 70
- Batterie
- 71
- Batteriegehäuse
- 72
- Batteriezellenanordnung
- 74
- Fahrzeugkühlkreislauf
- 76
- Zulaufleitung
- 78
- Rücklaufleitung
- 80
- Wärmeübertrager
- 84
- Kühlwasser
- 86
- Wärmeleitmedium
- XY
- Schnittebene
- YZ
- Schnittebene
- XZ
- Schnittebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012200401 A1 [0002]
