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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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WO 2013/022938 A2 zeigt eine mehrlagige flexible Leiterplatte zur Verbindung von Batteriezellen.
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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 Isolationsschicht, die die elektrischen Leiter elektrisch voneinander isoliert, wobei die Reaktionsfolie, die Isolationsschicht 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, wobei der erste elektrische Leiter teilweise mittels eines ersten Isolationsmaterials umhüllt ist und der zweite elektrische Leiter teilweise mittels eines zweiten Isolationsmaterials umhüllt ist, wobei die Reaktionsfolie und die Lotschicht zumindest teilweise gehäusebildend umgeben sind von den Isolationsmaterialien.
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Hintergrund der Erfindung ist die Bereitstellung eines zuverlässigen Überbrückungselementes. Die Leiterplatte fungiert als Aktivierungselement für die Reaktionsfolie und ist in einfacher Art und Weise kontaktierbar. Die Herstellung des elektrischen Überbrückungselementes ist erleichtert. Vorteilhafterweise sind die Reaktionsfolie und die Lotschicht mittels der Isolationsmaterialien fluiddicht eingehaust, so dass ein Eindringen von Feuchtigkeit und Staubpartikeln verhindert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die elektrischen Leiter voneinander beabstandet mittels der Lotschicht und der Reaktionsfolie, wobei das erste elastische Isolationsmaterial und das zweite elastische Isolationsmaterial miteinander verbunden sind, insbesondere klebverbunden. Somit ist ein Gehäuse gebildet aus den elektrischen Leitern und den Isolationsmaterialien, das die Reaktionsfolie und die Lotschicht umgibt.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn das erste elastische Isolationsmaterial und der erste elektrische Leiter als eine, insbesondere elastische, erste Leiterplatte ausgeführt sind, und/oder das zweite elastische Isolationsmaterial und der zweite elektrische Leiter als eine, insbesondere elastische, zweite Leiterplatte ausgeführt sind. Dabei sind der jeweilige elektrische Leiter als metallische Lage und das jeweilige Isolationsmaterial als Isolationsschicht der jeweiligen Leiterplatte ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die jeweilige Leiterplatte mit weiteren Bauteilen bestückbar ist, beispielsweise mit Sensoren.
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Vorteilhafterweise ist die Isolationsschicht als eine weitere Leiterplatte ausgeführt, wobei die weitere Leiterplatte zumindest eine erste Leiterbahn zur Aktivierung der Reaktionsfolie aufweist, insbesondere wobei die weitere Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgeführt ist. Dadurch ist die weitere Leiterplatte als integrales Design-Element verwendbar, das sowohl als elektrisch isolierende Schicht zwischen den elektrischen Leitern als auch als Aktivierungselement für die Reaktionsfolie fungiert. Somit sind Bauteile einsparbar und die Herstellung des elektrischen Überbrückungselementes ist erleichtert.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn die erste Leiterbahn eine Kontaktfläche aufweist zur Kontaktierung der Reaktionsfolie, insbesondere wobei die Kontaktfläche aus der ersten Leiterbahn auskragt. Vorteilhafterweise ist die erste Leiterbahn auf einen Innenlage der weiteren Leiterplatte angeordnet, so dass die erste 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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Von Vorteil ist es dabei, wenn das zweite Isolationsmaterial und die weitere Leiterplatte miteinander verbunden sind, wobei auf dem zweiten Isolationsmaterial zumindest eine zweite Leiterbahn zur elektrischen Kontaktierung der ersten Leiterbahn und ein mit der zweiten Leiterbahn verbundener Anschluss angeordnet sind. Somit ist die Reaktionsfolie, die innerhalb des Gehäuses aus Isolationsmaterial angeordnet ist, kontaktierbar mittels der Leiterbahnen und dem Anschluss, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise sind das zweite Isolationsmaterial und die weitere Leiterplatte einstückig ausgeführt, wobei die erste und zweite Leiterbahn einstückig ausgeführt sind. Von Vorteil ist dabei, dass die weitere Leiterplatte ersetzt wird durch das zweite Isolationsmaterial, insbesondere die zweite Leiterplatte. Dadurch ist ein geringerer elektrischer Übergangswiderstand vom Anschluss zu der Kontaktfläche ermöglicht, da kein zusätzlicher Kontaktierungsbereich zwischen der ersten und zweiten Leiterbahn benötigt wird.
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Von Vorteil ist es ferner, wenn das zweite Isolationsmaterial teilweise zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist. Somit ist die weitere Leiterplatte ersetzbar mittels des zweiten Isolationsmaterials, insbesondere der zweiten Leiterplatte.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Leiterbahn einen Kontaktierungsbereich zur Kontaktierung der ersten Leiterbahn auf, der mittels der zweiten Leiterbahn elektrisch leitend mit dem Anschluss verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Reaktionsfolie, die innerhalb des Gehäuses aus Isolationsmaterial angeordnet ist, kontaktierbar ist mittels der Leiterbahnen und des Anschlusses, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise weist das jeweilige Isolationsmaterial jeweils eine Öffnung auf, wobei der jeweilige elektrische Leiter durch die Öffnung hindurch mit der Lotschicht und/oder der Reaktionsfolie elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch ist ein Flächenkontakt ausgebildet zwischen dem jeweiligen elektrischen Leiter und der jeweiligen Lotschicht und/oder der Reaktionsfolie.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das zweite Isolationsmaterial weitere Leiterbahnen zur Kontaktierung der elektrischen Leiter aufweist. Somit sind alle externen Anschlüsse des Überbrückungselementes an dem zweiten Isolationsmaterial, insbesondere 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 einem der auf den Energiespeicher bezogenen Ansprüche aufweist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels des Überbrückungselementes der Energiespeicher bei kritischen Energiespeicherzuständen oder 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 Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1;
- 2 eine Draufsicht auf einen ersten elektrischen Leiter 20 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101) gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Draufsicht auf einen zweiten elektrischen Leiter 6 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 101
und
- 5 eine Draufsicht auf einen zweiten elektrischen Leiter 102 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 101 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselements 1 dargestellt.
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Das elektrische Überbrückungselement 1 weist einen ersten und zweiten elektrischen Leiter (20, 6), die jeweils eine Lotschicht 3 aufweisen, eine Reaktionsfolie 5 und eine weitere Leiterplatte 4, die zumindest eine erste Leiterbahn aufweist und die die elektrischen Leiter (20, 6) elektrisch voneinander isoliert, auf.
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Die Lotschichten 3, die Reaktionsfolie 5 und die weitere Leiterplatte 4 sind stapelförmig, insbesondere als Schichtstapel, zwischen den elektrischen Leitern (20, 6) angeordnet. Die elektrischen Leiter (20, 6) sind also beabstandet voneinander mittels der Lotschichten 3, der Reaktionsfolie 5 und der Leiterplatte 4. Dabei erstrecken sich die Lotschichten 3 und die Reaktionsfolie 5 in einer Querrichtung zur Stapelrichtung des Schichtstapels weiter als die weitere Leiterplatte 4, so dass die Lotschichten 3 mittels der weiteren Leiterplatte 4 und eines Luftraumes 13 voneinander elektrisch isoliert sind. Zur elektrisch leitenden Verbindung der elektrischen Leiter (20, 6) strömt das geschmolzene Lot durch den Luftraum 13 neben der weiteren Leiterplatte 4.
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Die Schichtdicke der jeweiligen Lotschicht 3 beträgt 5 µm bis 400 µm, vorzugsweise 10 µm bis 200 µm.
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Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Lotschichten 3 identisch, so dass beide Lotschichten 3 in einem Arbeitsgang auf die elektrischen Leiter (20, 6) aufbringbar sind. Beispielsweise sind die Lotschichten 3 als Lotplättchen ausführbar. Vorzugsweise weisen die Lotschichten 3 zinnhaltige Lotmaterialien auf.
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Die erste Leiterbahn auf der weiteren Leiterplatte 4 weist eine Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung der Reaktionsfolie 4 auf, die aus der ersten Leiterbahn auskragt und einstückig mit der ersten Leiterbahn ausgeführt ist.
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Auf dem zweiten Isolationsmaterial 8 sind zumindest eine zweite Leiterbahn 11, die einen Kontaktierungsbereich 12 aufweist, und ein Anschluss 9 angeordnet. Mittels des Kontaktierungsbereichs 12 ist die zweite Leiterbahn 11 elektrisch leitend mit der ersten Leiterbahn auf der weiteren Leiterplatte 4 verbindbar, beispielsweise mittels eines elektrisch leitenden Klebemittels.
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Der Anschluss 9 ist mittels eines Schaltelementes, insbesondere eines MOSFET-Schalters, mit einem ersten Ausgang einer Spannungsquelle verbunden. Ein zweiter Ausgang der Spannungsquelle ist mit einem der elektrischen Leiter (20, 6) elektrisch leitend verbunden, der elektrisch leitend mit der Reaktionsfolie 5 verbunden ist. Der zweite Ausgang der Spannungsquelle ist mittels des Anschlusses 9, der mittels der zweiten Leiterbahn 11, dem Kontaktierungsbereich 12, und der ersten Leiterbahn elektrisch leitend mit der Kontaktfläche verbunden ist, und des Schaltelements, insbesondere eines MOSFET-Schalters, elektrisch leitend mit der Reaktionsfolie 5 verbindbar.
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Die Dicke der weiteren Leiterplatte 4 beträgt zwischen 25 µm und 1000 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 150 µm, besonders bevorzugt zwischen 80 µm und 120 µm.
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Die weitere Leiterplatte 4 ist als flexible Leiterplatte oder starre Leiterplatte oder Starrflex-Leiterplatte oder Semiflex-Leiterplatte ausgeführt.
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Zwischen der auf dem zweiten elektrischen Leiter 20 angeordneten Lotschicht 3 und der weiteren Leiterplatte 4 ist die Reaktionsfolie 5 angeordnet.
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Die Reaktionsfolie
5 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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Durch eine Aktivierung der Reaktionsfolie 5 wird eine exotherme Reaktion ausgelöst, die zumindest eine Lotschicht 3 zumindest teilweise aufschmilzt. Das geschmolzene Lot der Lotschicht 3 durchdringt den Luftraum 13 und stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (20, 6) her.
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Der erste elektrische Leiter 20 ist teilweise von einem elektrisch isolierenden ersten Isolationsmaterial 2 umgeben, das vorzugsweise elastisch ausgeführt ist.
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Der zweite elektrische Leiter 6 ist teilweise von einem elektrisch isolierenden zweiten Isolationsmaterial 8 umgeben, das vorzugsweise elastisch ausgeführt ist.
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Die Reaktionsfolie 5, die Leiterplatte 4 und die Lotschicht 3 sind zumindest teilweise gehäusebildend umgeben von den Isolationsmaterialien (2, 8). Dazu erstreckt sich das erste Isolationsmaterial 2 von dem ersten elektrischen Leiter 20 zu dem zweiten elektrischen Leiter 6 und/oder dem zweiten Isolationsmaterial 8. Das zweite Isolationsmaterial 8 erstreckt sich von dem zweiten elektrischen Leiter 6 zu dem ersten elektrischen Leiter 20 und/oder dem ersten Isolationsmaterial 2.
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Das erste und zweite Isolationsmaterial (2, 8) sind dabei miteinander laminiert und/oder klebverbunden und/oder verschweißt.
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Vorzugsweise sind die Reaktionsfolie 5, die Leiterplatte 4 und die Lotschicht 3 dicht, insbesondere fluiddicht, eingehaust mittels der Isolationsmaterialien (2, 8).
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2 zeigt eine Draufsicht auf den ersten elektrischen Leiter 20 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In dem ersten Isolationsmaterial 2 ist eine Öffnung 14 vorgesehen, die von dem ersten elektrischen Leiter 20 in einer Querrichtung zur Erstreckungsrichtung des ersten elektrischen Leiters 20 zumindest teilweise überdeckt ist. In der Öffnung 14 ist die Lotschicht 3 zumindest teilweise angeordnet.
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Der erste elektrische Leiter 20 weist eine Bohrung 10 auf. Mittels der Bohrung 10 ist der erste elektrische Leiter 20 beispielsweise mit einem Anschluss eines elektrischen Energiespeichers verbindbar.
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Der erste elektrische Leiter 20 ist beispielsweise als Stanzgitter oder metallische Lage einer Leiterplatte ausgeführt, insbesondere aus Kupfer.
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Vorzugsweise weist eine erste Leiterplatte 21 den ersten elektrischen Leiter 20 als metallische Lage und das erste Isolationsmaterial 2 als Isolierung auf. Die Dicke des ersten elektrischen Leiters 20 beträgt dabei mindestens 1mm.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den zweiten elektrischen Leiter 6 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Auf dem zweiten Isolationsmaterial 8 sind neben der zweiten Leiterbahn 11 weitere Leiterbahnen zur Kontaktierung des ersten und/oder zweiten elektrischen Leiters (20, 6) angeordnet. Die weiteren Leiterbahnen verbinden jeweils weitere Anschlüsse (16, 17) zur externen Kontaktierung mit weiteren Kontaktflächen (18, 19) zur Kontaktierung des jeweiligen elektrischen Leiters (20, 6). Die weiteren Leiterbahnen verlaufen zumindest teilweise parallel zu der zweiten Leiterbahn 11.
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In dem zweiten Isolationsmaterial 8 ist eine Öffnung 15 vorgesehen, die von dem zweiten elektrischen Leiter 6 in einer Querrichtung zur Erstreckungsrichtung des zweiten elektrischen Leiters 6 zumindest teilweise überdeckt ist. In der Öffnung 15 ist die Lotschicht 3 zumindest teilweise angeordnet.
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Der zweite elektrische Leiter 6 weist eine Bohrung 7 auf. Mittels der Bohrung 7 ist der zweite elektrische Leiter 6 beispielsweise mit einem Anschluss eines elektrischen Energiespeichers verbindbar.
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Der zweite elektrische Leiter 6 ist beispielsweise als Stanzgitter oder metallische Lage einer Leiterplatte ausgeführt, insbesondere aus Kupfer.
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Vorzugsweise weist eine zweite Leiterplatte 22 den zweiten elektrischen Leiter 6 als metallische Lage und das zweite Isolationsmaterial 8 als Isolierung auf. Die Dicke des zweiten elektrischen Leiters 6 beträgt dabei mindestens 1mm.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselements 101.
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Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich bei dem elektrischen Überbrückungselement 101 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das zweite Isolationsmaterial 108 zwischen die elektrischen Leiter (20, 6), wobei das zweite Isolationsmaterial 108 als weitere Leiterplatte fungiert. Dazu ist das zweite Isolationsmaterial 108 elastisch ausgeführt und umgibt die Reaktionsfolie 5 und die zweite Lotschicht 3 zumindest teilweise gehäusebildend.
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Auf dem zweiten Isolationsmaterial 108 ist zumindest eine erste Leiterbahn 111 angeordnet, die einen Anschluss 109 elektrisch leitend mit einer Kontaktfläche 112 zur Kontaktierung der Reaktionsfolie 5 verbindet.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den zweiten elektrischen Leiter 6 des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 101 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Im Unterschied zu dem zweiten elektrischen Leiter 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auf dem zweiten Isolationsmaterial 108 neben der ersten Leiterbahn 111 weitere Leiterbahnen zur Kontaktierung des ersten und/oder zweiten elektrischen Leiters (20, 6) angeordnet. Die weiteren Leiterbahnen verbinden jeweils weitere Anschlüsse (116, 117) zur externen Kontaktierung mit weiteren Kontaktflächen (118, 119) zur Kontaktierung des jeweiligen elektrischen Leiters (20, 6). Die weiteren Leiterbahnen verlaufen zumindest teilweise parallel zu der ersten Leiterbahn 111.
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Vorzugsweise weist eine zweite Leiterplatte 122 den zweiten elektrischen Leiter 6, die weiteren Leiterbahnen und die Leiterbahn 111 als metallische Lagen und das zweite Isolationsmaterial 108 als Isolierung auf. Die Dicke der weiteren Leiterbahnen beträgt dabei 18 µm bis 70 µm.
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Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher ist beispielsweise als Batterie ausführbar. Unter einer Batterie wird hierbei beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie verstanden, insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriepack aufweisend zumindest ein Batteriemodul. Die Batteriezelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausgeführt. Alternativ ist die Batteriezelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.
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Der beschriebene Energiespeicher ist in der Fahrzeugtechnik und auch in stationären Anwendungen wie der Energietechnik, insbesondere Solarenergietechnik und/oder Windenergietechnik und/oder Wasserenergietechnik, einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2642582 B1 [0002]
- WO 2013/022938 A2 [0003]
- WO 0183182 [0034]
