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Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Überbrückungselement, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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EP 2 642 582 B1 zeigt ein elektrisches Überbrückungselement, insbesondere zur Überbrückung von defekten Speicherzellen eines Energiespeichers. Dabei ist zwischen zwei elektrischen Leitern eine Schichtfolge mit einer elektrischen Isolationsschicht und einem reaktiven Schichtstapel angeordnet, der mittels einer exothermen Reaktion die Isolationsschicht auflösen und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern herstellen kann.
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US 2016/0233479 A1 zeigt eine Sekundärbatterie mit einem elektrischen Sicherheitsmodul, das eine Leiterplatte in einem Gehäuse aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Überbrückungselement aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter, eine Reaktionsfolie, eine Lotschicht und eine Leiterplatte, die die elektrischen Leiter elektrisch voneinander isoliert, wobei die Reaktionsfolie, die Leiterplatte und die Lotschicht derart zwischen den elektrischen Leitern angeordnet sind, dass die Reaktionsfolie bei einer exothermen Reaktion die Lotschicht aufschmilzt, so dass Lot der Lotschicht eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern herstellt.
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Hintergrund der Erfindung ist, die Leiterplatte als integrales Design-Element zu verwenden, das sowohl als elektrisch isolierende Schicht zwischen den elektrischen Leitern als auch als Aktivierungselement für die Reaktionsfolie fungiert. Dabei ist die Leiterplatte mittels des Lots elektrisch überbrückbar, so dass die elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden werden. Somit sind Bauteile einsparbar und die Herstellung des elektrischen Überbrückungselementes ist erleichtert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leiterplatte zumindest eine Leiterbahn auf, die mit einer Kontaktfläche zur Kontaktierung der Reaktionsfolie verbunden ist. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn auf einen Innenlage der Leiterplatte angeordnet, so dass die Leiterbahn von der Reaktionsfolie beabstandet ist und lediglich mittels der Kontaktfläche mit der Reaktionsfolie verbunden ist. Dadurch ist ein Punktkontakt zwischen der Reaktionsfolie und der Kontaktfläche ermöglicht, der eine lokale Erhöhung der Stromdichte ermöglicht, die die Zündung der Reaktionsfolie verbessert.
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Vorteilhafterweise ist die Kontaktfläche als Auskragung aus der Leiterbahn ausgeführt, wobei die Kontaktfläche einstückig mit der Leiterbahn ausgeführt ist. Somit ist ein geringer elektrischer Widerstand zwischen der Leiterbahn und der Kontaktfläche ermöglicht.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Kontaktfläche einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, insbesondere der mit zunehmendem Abstand von der Leiterbahn abnimmt. Dadurch ist die Berührfläche zwischen der Kontaktfläche und der Reaktionsfolie reduzierbar, so dass eine lokale Erhöhung der Stromdichte ermöglicht ist, die die Zündung der Reaktionsfolie verbessert.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Kontaktfläche an einem Endbereich der Leiterbahn angeordnet ist, insbesondere wobei der Querschnitt der Leiterbahn zu der Kontaktfläche hin abnimmt. Somit ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Leiterbahn zu der Kontaktfläche hin ermöglicht, so dass die Stromdichte zu der Kontaktfläche hin zunimmt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrische Überbrückungselement ein Gehäuse, aufweisend einen Innenraum und zumindest ein Gehäuseteil, auf, wobei das Gehäuse die Reaktionsfolie, die Leiterplatte und die Lotschicht zumindest teilweise gehäusebildend umgibt. Von Vorteil ist dabei, dass das Gehäuse die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes einhaust. Dadurch sind die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes vor Partikeln und/oder Feuchtigkeit in der Umgebung geschützt.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Leiterplatte und die darauf angeordnete Leiterbahn sich durch das Gehäuse hindurch in den Innenraum des Gehäuses hinein erstrecken. Dadurch ist ein geringer elektrischer Widerstand zwischen einem externen Anschluss der Überbrückungselementes und der Reaktionsfolie ermöglicht. Somit ist die Reaktionszeit des Überbrückungselementes verkürzbar.
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Vorteilhafterweise weist die Leiterplatte einen Kontaktierungsbereich auf, wobei der Kontaktierungsbereich mittels der Leiterbahn mit der Kontaktfläche verbunden ist, wobei der Kontaktierungsbereich außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und die Kontaktfläche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch ist die Leiterplatte zur Kontaktierung der Reaktionsfolie verwendbar, wobei eine Spannungsquelle an den Kontaktierungsbereich anschließbar ist.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das elektrische Überbrückungselement ein Federelement aufweist, das eingerichtet ist, die Kontaktfläche auf die Reaktionsfolie zu drücken. Somit ist eine sichere elektrische Kontaktierung der Reaktionsfolie über die Lebensdauer des elektrischen Überbrückungselementes ermöglicht. Weiterhin ist die Zuverlässigkeit des elektrischen Überbrückungselementes verbessert.
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Vorteilhafterweise ist das Federelement als Schraubenfeder ausgeführt, insbesondere wobei die Schraubenfeder in einer hohlzylindrischen Ausnehmung des Gehäuseteils teilweise aufgenommen ist. Dadurch ist eine stabile Auflagerung der Schraubenfeder an dem Gehäuseteil ermöglicht.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse gebildet ist aus dem zumindest einen Gehäuseteil, einem Dichtmittel und den elektrischen Leitern, wobei der Innenraum des Gehäuses fluiddicht ausgeführt ist. Dadurch sind die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes vor Partikeln und/oder Feuchtigkeit in der Umgebung geschützt.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Leiterplatte eine weitere Leiterbahn, eine Verbindungsfläche zur Kontaktierung eines der elektrischen Leiter und einen weiteren Kontaktierungsbereich aufweist, wobei die weitere Leiterbahn die Verbindungsfläche mit dem weiteren Kontaktierungsbereich elektrisch leitend verbindet, insbesondere wobei die Verbindungsfläche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und der weitere Kontaktierungsbereich außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch ist die Leiterplatte zur Kontaktierung der elektrischen Leiter verwendbar. Vorteilhafterweise sind somit alle externen Anschlüsse des Überbrückungselementes an der Leiterplatte anschließbar.
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Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Überbrückungselement bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass das elektrische Überbrückungselement parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass die Energiespeicherzelle in einer Gefahrensituation mittels des Überbrückungselements kurzgeschlossen wird. Dadurch wird der Separator in der Zelle aufgeschmolzen und ein Überhitzen der Energiespeicherzelle zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder einen kritischen Ladezustand ist vermeidbar.
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Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug einen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach dem auf den Energiespeicher bezogenen Anspruch aufweist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels des Überbrückungselementes der Energiespeicher in kritischen Fahrzeugsituationen kurzgeschlossen wird. Beispielsweise ist das Überbrückungselement mittelbar oder unmittelbar mit Fahrzeugsensoren verbunden, die eine kritische Fahrzeugsituation detektieren, das Überbrückungselement auslösen und so den Energiespeicher in einen sicheren Zustand bringen können.
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Figurenliste
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Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1;
- 2 eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überbrückungselementes 1;
- 3 eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1;
- 4 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überbrückungselementes 101;
- 5 eine Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 101;
- 6 eine Leiterplatte 6 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101);
- 7 eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Leiterbahn 17 mit einer Kontaktfläche 11 auf der Leiterplatte 6;
- 8 eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Leiterbahn 217 mit einer Kontaktfläche 211 auf der Leiterplatte 6;
- 9 eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Leiterbahn 317 mit einer Kontaktfläche 311 auf der Leiterplatte 6;
- 10 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101)
und
- 11 eine Detailansicht der schematischen Schnittansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselements 1 dargestellt.
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Das elektrische Überbrückungselement 1 weist einen ersten elektrischen Leiter 3 und einen zweiten elektrischen Leiter 9, die jeweils eine Lotschicht 4 aufweisen, eine Reaktionsfolie 7, eine Leiterplatte 6, die die elektrischen Leiter (3, 9) elektrisch voneinander isoliert, und ein Gehäuse, das zwei Gehäuseteile (2, 10) aufweist, auf.
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Das Gehäuse umgibt einen Innenraum des Gehäuses, in dem die Reaktionsfolie 7, die Leiterplatte 6 und die Lotschichten 4 zumindest teilweise aufgenommen sind, gehäusebildend.
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Die Gehäuseteile (2, 10) sind miteinander klipsverbunden. Ein Gehäuseteil 2 weist einen Klipsverbindungsabschnitt und ein weiteres Gehäuseteil 10 weist einen Gegenklipsverbindungsabschnitt auf, die jeweils aus dem jeweiligen Gehäuseteil (2, 10) auskragen.
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Die elektrischen Leiter (3, 9) erstrecken sich durch das Gehäuse hindurch in den Innenraum des Gehäuses hinein. Das Gehäuse ist fluiddicht ausgeführt. Dazu ist an den elektrischen Leitern (3, 9) jeweils ein Dichtmittel 5 angeordnet, vorzugsweise ist das Dichtmittel 5 an den jeweiligen elektrischen Leiter (3, 9) angespritzt. Dabei ist das Dichtmittel 5 derart zwischen den elektrischen Leitern (3, 9) und den Gehäuseteilen (2, 10) angeordnet, dass die elektrischen Leiter (3, 9), die Gehäuseteile (2, 10) und das Dichtmittel 5 das fluiddichte Gehäuse bilden. Vorzugsweise weist das Dichtmittel 5 Silikon auf und/oder ist als Klebstoffdichtmittel ausgeführt.
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Die Lotschichten 4, die Reaktionsfolie 7 und die Leiterplatte 6 sind stapelförmig, insbesondere als Schichtstapel, zwischen den elektrischen Leitern (3, 9) angeordnet. Vorzugsweise ist der Schichtstapel mittels eines Klebemittels 8 mit dem ersten und/oder zweiten elektrischen Leiter (3, 9) verbunden. Dabei erstrecken sich die Lotschichten 4 und die Reaktionsfolie 7 in einer Querrichtung zur Stapelrichtung des Schichtstapels weiter als die Leiterplatte 6, so dass die Lotschichten 4 mittels der Leiterplatte 6 und eines Luftraumes 14 voneinander elektrisch isoliert sind. Zur elektrisch leitenden Verbindung der elektrischen Leiter (3, 9) strömt das geschmolzene Lot durch den Luftraum 14 neben der Leiterplatte 6.
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Die Schichtdicke der jeweiligen Lotschicht 4 beträgt 5 µm bis 400 µm, vorzugsweise 10 µm bis 200 µm.
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Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Lotschichten 4 identisch. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen Lotschichten 4 in einem Arbeitsschritt auf den ersten beziehungsweise zweiten Leiter (3, 9) aufbringbar. Vorzugsweise weisen die Lotschichten 4 zinnhaltige Lotmaterialien auf.
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Die Dicke der Leiterplatte 6 beträgt zwischen 25 µm und 200 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 120 µm.
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Zwischen der auf dem ersten elektrischen Leiter 3 angeordneten Lotschicht 4 und der Leiterplatte 6 ist die Reaktionsfolie 7 angeordnet. Auf der Leiterplatte 6 ist eine Leiterbahn (17, 217, 317) angeordnet, aus der eine Kontaktfläche (11, 211, 311) zur Kontaktierung der Reaktionsfolie 7 auskragt, die einstückig mit der Leiterbahn (17, 217, 317) ausgeführt ist.
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Die Leiterplatte 6 und die Leiterbahn (17, 217, 317) erstrecken sich durch das Gehäuse in den Innenraum des Gehäuses hinein. Die Leiterplatte 6 weist zumindest einen Kontaktierungsbereich 13 und/oder einen weiteren Kontaktierungsbereich 19 auf, der jeweils außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der Kontaktierungsbereich 13 ist mittels der Leiterbahn (17, 217, 317) mit der Kontaktfläche (11, 211, 311) verbunden. Eine weitere Leiterbahn 18 verbindet den weiteren Kontaktierungsbereich 19 mit einem Verbindungsbereich 12 zur elektrisch leitenden Verbindung mit einem elektrischen Leiter (3, 9), der vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Die Reaktionsfolie
7 ist beispielsweise ein reaktiver Schichtstapel, der eine Vielzahl von Nanoschichten aufweist, wobei die Nanoschichten eine Schichtdicke von 1 nm bis 500 nm aufweisen. Der reaktive Schichtstapel weist alternierend angeordnete Nanoschichten auf, wie sie beispielsweise in der
WO 01/83182 beschrieben sind.
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Die Leiterbahn (17, 217, 317) ist mittels eines Schaltelementes, insbesondere eines MOSFET-Schalters, mit einem ersten Anschluss einer Spannungsquelle verbunden. Ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle ist mit einem der elektrischen Leiter (3, 9) elektrisch leitend verbunden, der elektrisch leitend mit der Reaktionsfolie 7 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle ist mittels des Kontaktierungsmittels und des Schaltelements, insbesondere eines MOSFET-Schalters, elektrisch leitend mit der Reaktionsfolie 5 verbindbar.
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Im Inneren eines Gehäuseteils (2, 10) ist zumindest ein Federelement angeordnet, das auf den Schichtstapel drückt, insbesondere wobei das Federelement die Leiterplatte 6 mit der Kontaktfläche (11, 211, 311) auf die Reaktionsfolie 7 drückt. Vorzugsweise ist das Federelement als Schraubenfeder ausgeführt, insbesondere wobei die Schraubenfeder in einer hohlzylindrischen Ausnehmung des Gehäuseteils (2, 10) teilweise aufgenommen ist.
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Durch eine Aktivierung der Reaktionsfolie 7 wird eine exotherme Reaktion ausgelöst, die zumindest eine Lotschicht 4 zumindest teilweise aufschmilzt. Das geschmolzene Lot der Lotschicht 4 durchdringt den Luftraum 14 neben der Leiterplatte 6 und stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (3, 9) her.
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Die 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 101.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist ein Gehäuse des zweiten Ausführungsbeispiels zwei Gehäuseteile (102, 110) auf, die mittels eines Federelementes 115 miteinander kraftschlüssig verbunden sind. Das Federelement 115 ist U-förmig ausgeführt, wobei das Gehäuse zwischen zwei Schenkeln des Federelements 115 angeordnet ist. Jedes Gehäuseteil (102, 110) weist jeweils eine Einkerbung auf, in die das Federelement 115 einklipsbar ist.
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6 zeigt die Leiterplatte 6 im Detail. Die Leiterplatte 6 weist zumindest eine Leiterbahn 17, die eine Kontaktfläche 11 mit einem Kontaktierungsbereich 13 verbindet, und zumindest eine weitere Leiterbahn 18, die einen weiteren Kontaktierungsbereich 19 mit einer Verbindungsfläche 12 verbindet, auf.
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Die Leiterplatte 6 ist als flexible Leiterplatte oder starre Leiterplatte oder Starrflex-Leiterplatte oder Semiflex-Leiterplatte ausgeführt.
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Die 7 bis 9 zeigen drei verschiedene Varianten der Leiterbahn (17, 217, 317) mit der jeweiligen Kontaktfläche (11, 211, 311) im Detail. Die Kontaktfläche (11, 211, 311) ist einstückig mit der Leiterbahn (17, 217, 317) ausgeführt und kragt aus der Leiterbahn (17, 217, 317) aus. Dabei weist die Kontaktfläche (11, 211, 311) eine kleinere Oberfläche auf als die Leiterbahn (17, 217, 317). Die Kontaktfläche (11, 211, 311) ist in einem Endbereich der Leiterbahn (17, 217, 317) angeordnet.
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In 7 ist eine erste Variante der Leiterbahn 17 dargestellt. Die Leiterbahn 17 weist einen rechtwinkligen Endbereich auf. Die Kontaktfläche 11 ist rechtwinklig ausgeführt, wobei eine Seitenfläche der Kontaktfläche 11 und eine Seitenfläche des Endbereichs der Leiterbahn 17 parallel angeordnet sind, insbesondere wobei die Seitenflächen einander berühren.
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8 zeigt eine zweite Variante der Leiterbahn 217. Der Querschnitt der Leiterbahn 217 nimmt zu der Kontaktfläche 211 hin ab, insbesondere wobei der Endbereich trapezförmig ausgeführt ist, insbesondere als symmetrisches Trapez. Die Kontaktfläche 211 ist am schmalsten Punkt der Leiterbahn 217 angeordnet.
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In 9 ist eine dritte Variante der Leiterbahn 317 dargestellt. Die Kontaktfläche 311 weist einen sich verjüngenden Querschnitt auf, der mit zunehmenden Abstand von der Leiterbahn 317 abnimmt. Die Kontaktfläche 311 ist beispielsweise pyramidisch oder halbkugelförmig ausgeführt.
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10 und 11 zeigen eine schematische Schnittansicht des Schichtstapels. Zwischen den elektrischen Leitern (3, 9) sind die Lotschichten 4 angeordnet, die mittels der Leiterplatte 6 und der Reaktionsfolie 7 voneinander beabstandet sind. Der Luftraum 14 erstreckt sich von einer Lotschicht 4 bis zu der Reaktionsfolie 7. Innerhalb der Leiterplatte 6 ist die Leiterbahn 17 angeordnet, also auf einer Innenlage der Leiterplatte 6, die mittels der Kontaktfläche 11 mit der Reaktionsfolie 7 verbunden ist.
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Die beschriebene Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101) für einen Energiespeicher ist in der Fahrzeugtechnik und auch in stationären Anwendungen wie der Energietechnik, insbesondere Solarenergietechnik und/oder Windenergietechnik und/oder Wasserenergietechnik, möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2642582 B1 [0002]
- US 2016/0233479 A1 [0003]
- WO 0183182 [0035]
