DE102018128976A1 - Batteriemodul - Google Patents
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Abstract
Es ist ein Batteriemodul (10) für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem Gehäuse (12) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (20), einer Kühlplatte (18) zur Kühlung des Gehäuses (12) und einer zwischen dem Gehäuse (12) und der Kühlplatte (18) vorgesehenen wärmeleitenden Ausgleichsschicht (17) zum Ausfüllen von Hohlräumen zwischen dem Gehäuse (12) und der Kühlplatte (18), wobei die Ausgleichsschicht (17) elektrisch leitfähig ist. Durch die elektrisch leitfähige Ausgleichsschicht (17) kann die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht (17) erhöht werden, wodurch eine gute Kühlung eines Batteriemoduls (10) ermöglicht ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit dessen Hilfe von Batteriezellen erzeugte Wärme abgeführt werden kann.
- Aus
EP 3 291 358 A1 ist ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen über ein Füllmaterial wärmeleitend an einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte angebunden ist. - Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Kühlung von Batteriemodulen zu verbessern.
- Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
- Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem Gehäuse zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen, einer Kühlplatte zur Kühlung des Gehäuses und einer zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte vorgesehenen wärmeleitenden Ausgleichsschicht zum Ausfüllen von Hohlräumen zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte, wobei die Ausgleichsschicht elektrisch leitfähig ist.
- Die Ausgleichsschicht weist in einem Bindemittel eingebundene Wärmeleitpartikel auf. Da die Ausgleichsschicht nicht elektrisch isolierend, sondern stattdessen elektrisch leitfähig ist, ist es möglich im Vergleich zu einer elektrisch isolierenden Ausgleichsschicht den Anteil an Wärmeleitpartikel auf Kosten des Bindemittels zu erhöhen und/oder Wärmeleitpartikel mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Werkstoffe mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit sind in der Regel metallische Werkstoffe, die gleichzeitig elektrisch leitfähig sind. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass das Gehäuse des Batteriemoduls zu den ladungstragenden Batteriezellen bereits ausreichend elektrisch isoliert ist, insbesondere um einen Kurzschlussstrom der Batteriezellen über das Material des Gehäuses zu verhindern. Zudem ist der in den Batteriezellen erzeugbare Energieinhalt und eine erreichbare Nennspannung gering genug, dass ein Spannungsdurchschlag der Batteriezelle an das Gehäuse des Batteriemoduls nicht zu befürchten ist. Die elektrische Leitfähigkeit der Ausgleichsschicht führt dadurch nicht zu einer nachteiligen Auswirkung für das Batteriemodul. Stattdessen kann die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht erheblich erhöht werden, wodurch der Wärmeaustausch mit der Kühlplatte verbessert ist und eine schnelle und temperaturbeständigere Temperierung der Batteriezellen möglichst nah an der optimalen Betriebstemperatur erreicht werden kann. Der Wirkungsgrad der Batteriezellen kann dadurch verbessert werden. Durch die elektrisch leitfähige Ausgleichsschicht kann die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht erhöht werden, wodurch eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist.
- Die auch als „Gapfiller“ oder „Gabpad“ bezeichnete Ausgleichsschicht kann plastisch verformbar, beispielsweise pastös, ausgestaltet sein. Die Ausgleichsschicht kann beispielsweise als eine verformbare Matte oder Wärmeleitpaste ausgestaltet sein. Durch die Verformbarkeit der Ausgleichsschicht kann ein ebener, insbesondere im Wesentlichen hohlraumfreier, Wärmeleitkontakt zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte hergestellt werden. Ein durch Herstellungstoleranzen und/oder Lagetoleranzen ansonsten möglicherweise verbleibender Spalt zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte kann durch die Ausgleichsschicht ausgefüllt werden. Der Wärmeleitstrom kann dadurch erhöht werden. Das Bindemittel kann beispielsweise ein Harz, ein Kleber oder Ähnliches sein, welches die Wärmeleitpartikel in sich festhält und einen signifikanten Wärmeleitstrom auch zwischen zueinander beabstandeten Wärmeleitpartikel zulässt.
- Das Batteriemodul ist insbesondere Teil einer als Traktionsbatterie verwendbaren Batterie oder Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von beispielsweise 12 V bis 1000 V. Das Gehäuse des Batteriemoduls kann derart ausgelegt sein, dass das Gehäuse auch bei der maximal auftretenden Nennspannung zu den ladungstragenden Batteriezellen eine ausreichend elektrische Isolierung bereitstellt und einen Kurzschlussstrom der Batteriezellen über das Material des Gehäuses verhindert. Das Gehäuse kann hierzu beispielsweise eine entsprechende Materialdicke und/oder ein entsprechendes als Dielektrikum wirkendes Material aufweisen. Das Gehäuse kann ausgestaltet sein, die Batteriezelle im Wesentlichen vollständig einzuhüllen, wobei gegebenenfalls lediglich elektrische Leitungen das Gehäuse passieren können, um die Batteriezellen elektrisch anschließen zu können. Alternativ kann das Gehäuse einseitig, insbesondere oben, geöffnet ausgeführt sein, wodurch beispielsweise die Pole der Batteriezellen leichter angeschlossen werden können. Die Batteriezelle kann beispielsweise taschenförmig als sogenannte Pouch-Zelle ausgestaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Batteriezelle als Rundzelle oder kastenförmig als Hardcase-Zelle ausgestaltet ist. Ein Plus-Pol und/oder ein Minus-Pol der Batteriezelle kann insbesondere nach oben, nach unten oder in horizontaler Richtung weisen. Die Ausgleichsschicht kann insbesondere in Schwerkraftrichtung unterhalb des Gehäuses vorgesehen sein, so dass das Eigengewicht der Batteriezelle und des Gehäuses die Ausgleichsschicht gegen die Kühlplatte drücken kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausgleichsschicht und die Kühlplatte in horizontaler Richtung seitlich neben dem Gehäuse vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Kühlplatte zwischen zwei jeweils über eine separate Ausgleichschicht beabstandete Gehäuse eines jeweiligen Batteriemoduls verpresst. Die Kühlplatte kann hierbei in insbesondere in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung zwischen den Gehäusen des jeweiligen Batteriemoduls vorgesehen sein. Beispielsweise können verschiedene Batteriemodule in einem Rahmen eingespannt sein, wobei sich jeweils nachfolgende Batteriemodule eine gemeinsame Kühlplatte teilen, an welche die Gehäuse der jeweiligen Batteriemodule über die jeweilige Ausgleichschicht angepresst sein können.
- Insbesondere weist die Ausgleichsschicht in einem Bindemittel eingebettete elektrisch leitfähige Metallpartikel auf. Die aus einem metallischen Material hergestellten Metallpartikel können eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit für die Ausgleichsschicht erreichen. Die elektrische Leitfähigkeit der Metallpartikel wirkt sich hierbei nicht nachteilig für das Batteriemodul aus.
- Vorzugsweise liegen die Metallpartikel als Pulver vor, wobei insbesondere mindestens 95 Gew.-% der Metallpartikel einen Äquivalentdurchmesser d von d ≤ 0,200 mm, vorzugsweise d ≤ 0,020 mm und besonders bevorzugt d ≤ 0,002 mm aufweisen. Durch die pulverförmigen Metallpartikel können besonders viele Metallpartikel in das Bindemittel eingebettet werden. Im Vergleich zu der selben Masse an Metallpartikeln mit einem größeren Äquivalentdurchmesser können die pulverförmigen Metallpartikel eine besonders große Gesamtoberfläche bereitstellen, welche den Wärmetransport durch die Ausgleichsschicht begünstigt.
- Besonders bevorzugt sind die Metallpartikel aus Aluminium und/oder Kupfer hergestellt. Die Metallpartikel können dadurch kostengünstig hergestellt werden und eine besonders große Wärmeleitfähigkeit für die Ausgleichsschicht erreichen.
- Insbesondere weist die Ausgleichsschicht eine Wärmeleitfähigkeit λ von λ ≥ 5 W/mK, insbesondere X ≥ 6 W/mK, vorzugsweise X ≥ 10 W/mK und besonders bevorzugt X ≥ 50 W/mK auf. Die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht ist dadurch höher als die Wärmeleitfähigkeit üblicher als Gapfiller verwendeter elektrisch isolierender Ausgleichsschichten und kann auch höher als für eine hohe Wärmeleitfähigkeit optimierte elektrisch isolierende Hochleistungs-Gapfiller sein. Die Kühlung der Batteriezellen ist dadurch verbessert.
- Vorzugsweise sind in dem Gehäuse mehrere, insbesondere als Taschenzellen ausgestaltete, Batteriezellen aufgenommen, wobei zumindest zwischen einem Zellengehäuse der jeweiligen Batteriezelle und einer Innenseite eines Bodens des Gehäuses eine wärmeleitende Innenausgleichsschicht zum Ausfüllen eines Abstands zwischen den Zellengehäusen und dem Gehäuse vorgesehen ist, wobei die Innenausgleichsschicht elektrisch leitfähig ist. Die Innenausgleichsschicht ist vorzugsweise wie die vorstehend beschriebene Ausgleichsschicht aus- und weitergebildet. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass auch das Zellengehäuse der Batteriezellen zu den ladungstragenden Bereichen im Inneren des Zellengehäuses bereits ausreichend elektrisch isoliert sein kann und eine elektrische Isolierung zwischen dem Zellengehäuse der Batteriezelle und dem Gehäuse des Batteriemoduls nicht zwingend erforderlich ist. Ein Spannungsdurchschlag durch das Zellengehäuse ist nicht zu befürchten. Die elektrische Leitfähigkeit der Innenausgleichsschicht führt dadurch nicht zu einer nachteiligen Auswirkung für das Batteriemodul. Stattdessen ist der Wärmeaustausch mit der Kühlplatte verbessert.
- Besonders bevorzugt sind die Batteriezellen über einen zum Zellengehäuse elektrisch isolierten ersten Anschluss mit einem einen Plus-Pol ausbildenden ersten Kontaktleiter und über einen zum Zellengehäuse elektrisch isolierten zweiten Anschluss mit einem einen Minus-Pol ausbildenden zweiten Kontaktleiter elektrisch kontaktiert, wobei der erste Kontaktleiter und der zweite Kontaktleiter zu der Innenausgleichsschicht und zu dem Gehäuse, insbesondere über einen Luftspalt, elektrisch isoliert sind. Die außerhalb des Zellengehäuses und innerhalb des Gehäuses verlaufenden Kontaktleiter, die zur Ausbildung des Puls-Pols und des Minus-Pols elektrisch isoliert durch das Gehäuse nach außen geführt sein können, sind hinreichend isoliert, dass ein Spannungsdurchschlag an das Gehäuse und/oder an die Innenausgleichsschicht nicht zu befürchten ist. Die ausreichende Isolierung kann bereits durch einen ausreichenden Abstand zu dem Gehäuse und der Innenausgleichsschicht erreicht werden, wobei es grundsätzlich möglich ist einen ansonsten ausgebildeten Luftspalt durch ein Isoliermaterial zur elektrischen Isolierung auszufüllen.
- Insbesondere ist zwischen dem Zellengehäuse der jeweiligen Batteriezelle und einer Innenseite einer oberen Decke des Gehäuses eine wärmeleitende Zusatzausgleichsschicht zum Ausfüllen eines Abstands zwischen den Zellengehäusen und der Decke des Gehäuses vorgesehen, wobei die Zusatzausgleichsschicht elektrisch leitfähig ist. Die Zusatzausgleichsschicht ist vorzugsweise wie die vorstehend beschriebene Innenausgleichsschicht und/oder Ausgleichsschicht aus- und weitergebildet. Im Vergleich zu der Innenausgleichsschicht kann die Zusatzausgleichsschicht eine geringere Erstreckung in horizontaler Richtung aufweisen, damit ein Spannungsdurchschlag zwischen den Kontaktleitern, die den Plus-Pol und den Minus-Pol an der Oberseite des Gehäuses ausbilden, und der Zusatzausgleichsschicht sicher vermieden ist. Dadurch kann eine Temperierung der Batteriezellen auch über die Oberseite des Zellengehäuses erfolgen. Der Wärmeaustausch mit der Kühlplatte ist verbessert.
- Vorzugsweise ist die Kühlplatte geerdet. Eine Ansammlung von unerwünschten Ladungen in metallischen Komponenten des Batteriemoduls kann dadurch vermieden werden. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Ausgleichschicht kann dies auch bei dem Gehäuse und gegebenenfalls im Inneren des Gehäuses erfolgen. Die Erdung kann beispielsweise mit Hilfe eines Schutzleiters erfolgen, der, insbesondere in der Art eines Nullleiters, einen örtlichen Potentialausgleich beispielsweise mit einer Haupterdungsschiene herbeiführt.
- Besonders bevorzugt ist die Kühlplatte flüssigkeitsgekühlt. Die Kühlleistung der Kühlplatte kann im Vergleich zu einer passiven Luftkühlung erheblich erhöht sein. Der durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichschicht erreichbare erhöhte Wärmestrom kann in diesem Ausmaß über die Flüssigkeitskühlung auch an die Umgebung abgegeben werden.
- Die Erfindung betrifft ferner eine Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit mehreren miteinander verschalteten Batteriemodulen, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein können, wobei für die Batteriemodule eine gemeinsame einstückige Kühlplatte vorgesehen ist. Durch die elektrisch leitfähige Ausgleichsschicht kann die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichsschicht erhöht werden, wodurch eine gute Kühlung eines Batteriemoduls ermöglicht ist. Durch die gemeinsame Kühlplatte kann die Bauteileanzahl für die Traktionsbatterie geringgehalten werden, so dass die Herstellungskosten geringgehalten werden können. Zudem ist ein Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Batteriezellen über die Kühlplatte möglich, so dass Temperaturspitzen in einzelnen Batteriemodulen schnell ausgeglichen werden können.
- Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
-
1 : eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Batteriemoduls, -
2 : eine schematische Schnittansicht des Batteriemoduls aus1 . -
3 : eine schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Batteriemoduls und -
4 : eine schematische perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Batteriemoduls. - Das in
1 und2 dargestellte Batteriemodul10 für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist ein Gehäuse12 auf, auf dessen Oberseite ein Plus-Pol14 und ein Minus-Pol16 ausgebildet sein kann. Das Gehäuse12 ist über eine elektrisch leitfähige Ausgleichsschicht17 , die dadurch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, an einer Kühlplatte18 mechanisch und thermisch angebunden. - Innerhalb des Gehäuses
12 sind mehrere Batteriezellen20 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als auch als „Pouch-Zellen“ bezeichnete Taschenzellen ausgestaltet sind. Die hintereinander angeordneten Batteriezellen20 weisen jeweils einen ersten Anschluss22 auf, der mit einem zum Plus-Pol14 führenden ersten Kontaktleiter24 verbunden ist. Zudem weisen die Batteriezellen20 jeweils einen zweiten Anschluss26 auf, der mit einem zum Minus-Pol16 führenden zweiten Kontaktleiter28 verbunden ist. Zwischen einer Unterseite eines Zellengehäuses30 der Batteriezellen20 und einer Innenseite32 eines Bodens des Gehäuses12 ist eine elektrisch leitfähige Innenausgleichsschicht34 , die dadurch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorgesehen, um den Wärmetransport zwischen den Batteriezellen20 und der Kühlplatte18 zu verbessert. Die ersten Anschlüsse22 und die zweiten Anschlüsse26 der Batteriezellen20 sowie der erste Kontaktleiter24 und der zweite Kontaktleiter28 sind gegenüber der Zellengehäuse30 , dem Gehäuse12 und der Innenausgleichsschicht34 beispielsweise über Luftspalte ausreichend elektrisch isoliert. - Bei der in
3 dargestellten Ausführungsform des Batteriemoduls10 sind im Vergleich zu der in1 und2 dargestellten Ausführungsform des Batteriemoduls10 die Batteriezellen20 als Hardcase-Zelle mit einem rechteckigen flachen Gehäuse12 ausgestaltet. Zudem ist die Kühlplatte18 zusätzlich oder alternativ horizontal neben den Gehäusen12 von in horizontaler Richtung nachfolgenden Batteriemodulen10 vorgesehen, so dass an beiden Seiten der Kühlplatte18 jeweils ein Batteriemodul an der gemeinsamen Kühlplatte18 mittelbar über jeweils eine Ausgleichsschicht17 thermisch angekoppelt sein kann. - Bei der in
4 dargestellten Ausführungsform des Batteriemoduls10 sind im Vergleich zu der in3 dargestellten Ausführungsform des Batteriemoduls10 die Batteriezellen20 als Rundzellen mit einem zylindrischen Gehäuse12 ausgestaltet. Die Dicke und/oder die Nachgiebigkeit der Ausgleichsschicht17 kann hierbei derart gewählt sein, dass das Material der Ausgleichsschicht17 einen signifikanten Teil eines sich zwischen nebeneinander angeordneten Gehäusen12 ausbildender Zwickel ausfüllen kann, um einen entsprechend guten Wärmeübergang bereitstellen zu können. Zudem ist dargestellt, dass sich nicht nur an verschiedenen Seiten der Kühlplatte18 vorgesehene Batteriemodule10 , sondern auch an derselben Seite der Kühlplatte18 vorgesehene Batteriemodule10 die selbe Kühlplatte18 teilen können, um die gekühlte Traktionsbatterie auszubilden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 3291358 A1 [0002]
Claims (11)
- Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse (12) zur Aufnahme von mehreren Batteriezellen (20), einer Kühlplatte (18) zur Kühlung des Gehäuses (12) und einer zwischen dem Gehäuse (12) und der Kühlplatte (18) vorgesehenen wärmeleitenden Ausgleichsschicht (17) zum Ausfüllen von Hohlräumen zwischen dem Gehäuse (12) und der Kühlplatte (18), wobei die Ausgleichsschicht (17) elektrisch leitfähig ist.
- Batteriemodul nach
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (17) in einem Bindemittel eingebettete elektrisch leitfähige Metallpartikel aufweist. - Batteriemodul nach
Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel als Pulver vorliegen, wobei insbesondere mindestens 95 Gew.-% der Metallpartikel einen Äquivalentdurchmesser d von d ≤ 0,200 mm, vorzugsweise d ≤ 0,020 mm und besonders bevorzugt d ≤ 0,002 mm aufweisen. - Batteriemodul nach
Anspruch 2 oder3 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel aus Aluminium und/oder Kupfer hergestellt sind. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (17) eine Wärmeleitfähigkeit λ von λ ≥ 5 W/mK, insbesondere X ≥ 6 W/mK, vorzugsweise X ≥ 10 W/mK und besonders bevorzugt λ ≥ 50 W/mK aufweist. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis5 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (12) mehrere, insbesondere als Taschenzellen ausgestaltete, Batteriezellen (20) aufgenommen sind, wobei zumindest zwischen einem Zellengehäuse (30) der jeweiligen Batteriezelle (20) und einer Innenseite (32) eines Bodens des Gehäuses (12) eine wärmeleitende Innenausgleichsschicht (34) zum Ausfüllen eines Abstands zwischen den Zellengehäusen (30) und dem Gehäuse (12) vorgesehen ist, wobei die Innenausgleichsschicht (34) elektrisch leitfähig ist. - Batteriemodul nach
Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (20) über einen zum Zellengehäuse (30) elektrisch isolierten ersten Anschluss (22) mit einem einen Plus-Pol (14) ausbildenden ersten Kontaktleiter (24) und über einen zum Zellengehäuse (30) elektrisch isolierten zweiten Anschluss (26) mit einem einen Minus-Pol (16) ausbildenden zweiten Kontaktleiter (28) elektrisch kontaktiert sind, wobei der erste Kontaktleiter (24) und der zweite Kontaktleiter (28) zu der Innenausgleichsschicht (34) und zu dem Gehäuse (12), insbesondere über einen Luftspalt, elektrisch isoliert sind. - Batteriemodul nach
Anspruch 6 oder7 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zellengehäuse (30) der jeweiligen Batteriezelle (20) und einer Innenseite einer oberen Decke des Gehäuses (12) eine wärmeleitende Zusatzausgleichsschicht zum Ausfüllen eines Abstands zwischen den Zellengehäusen (30) und der Decke des Gehäuses (12) vorgesehen ist, wobei die Zusatzausgleichsschicht elektrisch leitfähig ist. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (18) geerdet ist. - Batteriemodul nach einem der
Ansprüche 1 bis9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (18) flüssigkeitsgekühlt ist. - Traktionsbatterie zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit mehreren miteinander verschalteten Batteriemodulen (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , wobei für die Batteriemodule (10) eine gemeinsame einstückige Kühlplatte (18) vorgesehen ist.
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