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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie, mit deren Hilfe elektrische Energie gespeichert und zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs wieder abgegeben werden kann.
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Aus
WO 01/28007 A1 ist eine als Pouch-Zelle ausgestaltete Batteriezelle bekannt, bei der abstehende Siegelnähte eines Beutelgehäuses auf eine Vorderseite und/oder Rückseite des Beutelgehäuses umgeschlagen und mit Hilfe eines Klebestreifens befestigt sind.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis nach einer bauraumsparenden und effizienten Kraftfahrzeugbatterie.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine bauraumsparende und effiziente Kraftfahrzeugbatterie ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle 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.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Taschengehäuse zur Aufnahme eines elektrochemischen Zellkerns, wobei das Taschengehäuse mindestens einen auf eine Oberfläche des Taschengehäuses zu umgefalteten Randstreifen aufweist, und einem mit dem Randstreifen und dem übrigen Taschengehäuse verklebten Klebestreifen zum Niederhalten des umgefalteten Randstreifens auf die Oberfläche des Taschengehäuses zu, wobei der Klebestreifen Öffnungen aufweist.
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Innerhalb des Taschengehäuses ist ein Aufnahmevolumen für den, insbesondere im Wesentlichen quaderförmigen, elektrochemischen Zellkern ausgebildet. Die Batteriezelle kann als Taschenzelle ausgestaltet sein, die auch als Pouch-Zelle bezeichnet wird. Der elektrochemische Zellkern stellt eine galvanische Zelle dar, die insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist. Von dem elektrochemischen Zellkern können, insbesondere einen Plus-Pol und einen Minus-Pol ausbildende, Elektroden abstehen, die aus dem Taschengehäuse herausgeführt sind. Der umgefaltete Randstreifen ist vorzugsweise an einem Rand des Taschengehäuses ausgebildet, an dem nicht die abstehende Elektrode vorgesehen ist. Der umgefaltete Randstreifen kann insbesondere eine Siegelnaht aufweisen, durch die zwei Lagen einer das Taschengehäuse ausbildenden Hüllfolie miteinander verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt, sein können. Das Taschengehäuse kann beispielsweise aus einer einzigen Hüllfolie oder zwei übereinander gelegten Hüllfolien ausgebildet sein, so dass sich insbesondere eine oder zwei Siegelnähte für jeweils einen umzufaltenden Randstreifen ergeben können. Die Hüllfolie kann insbesondere aus einem metallischen Material, beispielswiese Aluminium, hergestellt sein und insbesondere an einer zum elektrochemischen Zellkern weisenden Innenseite mit einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolierung versehen sein.
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Durch das Umfalten des Randstreifens zu einem Falz kann der Bauraumbedarf der Batteriezelle im Vergleich zu einer Batteriezelle ohne umgefalteten Randstreifen reduziert werden. Aufgrund des elastischen Anteils des durch das Umfalten verformten Randstreifens ist in der Regel ein flaches Anliegen des um ca. 90° umgefalteten Randstreifens an der Oberfläche des übrigen Taschengehäuses nicht möglich. Um das Potential der durch das Umfalten des Randstreifens ermöglichen Reduzierung des Bauraumbedarfs möglichst vollständig zu erschließen, kann der umgefaltete Randstreifen mit Hilfe des Klebestreifens niedergehalten und insbesondere auf zu Oberfläche des übrigen Taschengehäuses zu gedrückt werden. Vorzugsweise kann der umgefaltete Randstreifen mit Hilfe des Klebestreifens flächig an die Oberfläche des übrigen Taschengehäuses angedrückt sein. Dadurch ergibt sich eine bauraumsparende Batteriezelle, die eine bauraumsparende Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht.
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Damit die Kraftfahrzeugbatterie mit einem möglichst guten Wirkungsgrad betrieben werden kann, ist es erforderlich die Batteriezellen der Kraftfahrzeugbatterie in einem optimalen Temperaturbereich zu betreiben. Hierzu kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, die insbesondere in einer Kaltstartphase die Batteriezellen erwärmt und insbesondere in regulären Betrieb die Batteriezellen kühlt, um die Batteriezellen in dem optimalen Temperaturbereich zu halten. Es wurde jedoch erkannt, dass der Klebestreifen einen Wärmeleitwiderstand darstellt, der eine möglichst schnelle und präzise Regelung der Temperatur der Batteriezelle beeinträchtigt, wodurch der Wirkungsgrad und die Effizienz der Batteriezelle beeinträchtigt werden könnte. Durch die Öffnungen in dem Klebestreifen sind jedoch Flächenbereiche innerhalb des Klebestreifens ausgebildet, in denen der Wärmeleitwiderstand des Klebestreifens nicht zum Tragen kommt und die Oberfläche des Taschengehäuses unmittelbar exponiert ist. Dadurch ist es möglich, dass ein Wärmeleitmedium über die Öffnungen in dem Klebestreifen in direkten thermischen Kontakt mit dem zu temperierenden, insbesondere zu kühlenden, Taschengehäuse gelangen kann. Ein zwischen dem Wärmeleitmedium und dem Taschengehäuse ausgetauschter Wärmestrom kann auch durch Wärmeleitung innerhalb des Taschengehäuses zwischen den von dem Material des Klebestreifens abgedeckten Flächenbereichen und den durch die Öffnungen des Klebestreifens freigelassenen Flächenbereichen erfolgen. Dadurch kann sich entlang des Taschengehäuses leicht eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur für das Taschengehäuse einstellen und ein lokaler Wärmestau vermieden werden. Der Wärmeleitwiderstand an den Flächenbereichen des Klebestreifens außerhalb der Öffnungen wird dadurch vernachlässigbar für den sich einstellenden Wärmestrom. Durch die Öffnungen kann der Klebestreifen, der eine bauraumsparende Form des Taschengehäuses erzwingt, eine signifikante Beeinträchtigung der Temperierung der Batteriezelle vermeiden. Durch die Öffnungen in dem Klebestreifen kann eine Beeinträchtigung einer ausreichenden Temperierung der Batteriezelle durch den Wärmeleitwiderstand des Klebestreifens vermieden werden, so dass eine bauraumsparende und effiziente Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht ist.
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Die Summe aller Flächen der Öffnungen können in der selber Größenordnung wie die Fläche des Klebestreifens außerhalb der Öffnungen sein oder sogar größer als die Fläche des Klebestreifens außerhalb der Öffnungen sein. Der Klebestreifen kann dadurch im Wesentlichen netzartig ausgestaltet sein. Grundsätzlich ist es möglich, dass an einem Rand des Klebestreifens eine nach außen geöffnete Öffnung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass alle Öffnungen durch das Material des Klebestreifens in Umfangsrichtung vollständig geschlossen ausgeführt sind. Das Verkleben des Klebestreifens und das Umwickeln des Taschengehäuses mit dem Randstreifen ist dadurch vereinfacht. Insbesondere sind die Öffnungen regelmäßig in Reihen und Spalten angeordnet, wobei vorzugsweise einander nachfolgende Reihen und/oder Spalten um ein halbes Abstandsmaß der einander nachfolgenden Öffnungen zueinander versetzt sind. Dadurch lassen sich besonders viele, beispielsweise kreisförmige, Öffnungen in einer Flächeneinheit des gesamten Klebestreifens unterbringen und gleichzeitig eine gute Festigkeit und Strukturintegrität des Klebestreifens erreichen. Besonders bevorzugt ist die Festigkeit und die Klebekraft in dem außerhalb der Öffnungen vorgesehenen Materials des Klebestreifens, insbesondere dessen Fläche, derart bemessen, dass der Klebestreifen einem Aufblähen des Taschengehäuses bei einem defekten elektrochemischen Zellkern einen signifikanten Widerstand entgegensetz oder sogar ein Aufblähen blockieren kann. Eine mechanische Beschädigung benachbarter Batteriezellen durch eine sich aufblähende defekte Batteriezelle kann dadurch vermieden oder zumindest weniger wahrscheinlich sein.
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Insbesondere ist der Klebestreifen über einen Großteil einer parallel zum umgefalteten Randstreifen verlaufenden Erstreckung, insbesondere über die gesamte Erstreckung, des Zellkerns mit dem umgefalteten Randstreifen verklebt. Anstatt mehrere kleinere Klebestreifen können weniger oder nur ein Klebestreifen verwendet werden, um den umgefalteten Randstreifen auf die Oberfläche des Taschengehäuses herunterzudrücken. Da der Klebestreifen zumindest über einen Großteil des freien Endes des Randstreifens, der von einer Biegelinie des Randstreifens absteht, entlang verläuft, kann ein ansonsten zwischen zwei zueinander beabstandet vorgesehenen Klebestreifen stattfindendes teilweises elastisches Abheben des freien Endes des umgefalteten Randstreifens vermieden werden. Dies ermöglicht einen möglichst geringen Bauraumbedarf der Batteriezelle, während bereits im konstruktiven Entwicklungsprozess genau vorbekannte Abmessungen der Batteriezelle bekannt sind, wodurch eine besonders kompakte und leistungsstarke Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht wird.
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Vorzugsweise ist der Klebestreifen über einen Umfangswinkel von über 180°, insbesondere über 270°, vorzugsweise über 360°, um das Taschengehäuse gewickelt. Dadurch kann eine auf den Klebestreifen von dem Randstreifen aufgeprägte elastische Federkraft selbstverstärkend an einer entgegen der Federkraft weisenden Rückseite des Taschengehäuses abgestützt werden. Wenn der Klebestreifen sogar einen Umfangswinkel von über 360° überstreicht, können die in Wickelrichtung endseitigen Endbereiche des Klebestreifens einander zumindest teilweise überlappen und sich gegenseitig gegen ein Auseinanderziehen sichern. Dadurch kann der Klebestreifen auch bei den bei einem Aufblähen des Taschengehäuses auftretenden nach außen gerichteten Kräften das Taschengehäuse rahmenartig zusammenhalten und ein Aufblähen des Taschengehäuses ganz oder teilweise unterdrücken.
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Besonders bevorzugt ist der Klebestreifen längs oder quer zur Längsausrichtung des umgefalteten Randstreifens gewickelt. Wenn der Klebestreifen längs zur Längsausrichtung des umgefalteten Randstreifen gewickelt ist, verläuft die Wickelrichtung entlang einer Biegelinie des umgefalteten Randstreifens. Wenn der Klebestreifen quer zur Längsausrichtung des umgefalteten Randstreifen gewickelt ist, verläuft die Wickelrichtung quer zu der Biegelinie des umgefalteten Randstreifens. Bei einer Wickelrichtung des Klebestreifens längs zur Längsausrichtung des umgefalteten Randstreifens kann der Klebestreifen die gesamte Erstreckung des freien Endes des umgefalteten Randstreifens erfassen und herunterdrücken. Bei einer Wickelrichtung des Klebestreifens quer zur Längsausrichtung des umgefalteten Randstreifens kann der Klebestreifen mit der mindestens einen Flachseite des Taschengehäuses verklebt werden, wodurch ein besonders guter Verbund mit dem Taschengehäuse erreicht werden kann.
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Insbesondere ist an mindestens einer Kurzseite des im Wesentlichen quaderförmigen Taschengehäuses eine abstehende Elektrode vorgesehen, wobei an mindestens einer Langseite des Taschengehäuses der umgefaltete Randstreifen vorgesehen ist. Dadurch kann vermieden werden, dass der Randstreifen beim Umfalten zu einem Falz die abstehende Elektrode beschädigen kann. Zudem ist der Bauraumbedarf der Batteriezelle an der Seite der abstehenden Elektrode im Wesentlichen durch die Kontaktierungsmöglichkeit der abstehenden Elektrode bestimmt, so ein an dieser Seite umgefalteter Randstreifen nur einen geringeren Beitrag zur Bauraumeinsparung leistet, so dass insbesondere an der Seite mit der abstehenden Elektrode gar kein umgefalteter Randstreifen vorgesehen ist, der von einem Klebestreifen gesichert werden müsste. Da der umgefaltete Randstreifen an der Langseite und die abstehende Elektrode an der Kurzseite vorgesehen ist, kann durch den umgefalteten Randstreifen besonders viel Bauraum eingespart werden.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei umgefaltete Randstreifen vorgesehen, wobei die mindestens zwei umgefalteten Randstreifen von einem gemeinsamen Klebestreifen niedergehalten sind. Die zwei umgefalteten Randstreifen sind insbesondere an voneinander wegweisenden Flächen, insbesondere Langseiten, des Taschengehäuses vorgesehen. Durch das Umbiegen und Niederhalten von zwei verschiedenen Randstreifen kann entsprechend viel Bauraum eingespart werden. Da hierzu ein gemeinsamer Klebestreifen verwendet wird, kann die Bauteileanzahl und der Herstellungsaufwand gering gehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist nur genau ein Klebestreifen vorgesehen. Sämtliche umgebogenen Randstreifen können von nur genau einem entsprechend groß dimensionierten Klebestreifen an die Oberfläche des Taschengehäuses angedruckt sein, ohne dass hierbei die Kühlung der Batteriezelle signifikant beeinträchtigt ist. Der Bauraumbedarf und die Bauteileanzahl können dadurch minimiert werden.
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Insbesondere ist ein, insbesondere pastöses, Wärmeleitmaterial zur direkten thermischen Kontaktierung des Taschengehäuses in zumindest einem Teil der Öffnungen des Klebestreifens und/oder in einem zwischen dem Klebestreifen und dem Taschengehäuse am umgefalteten Randstreifen verbleibenden Freiraum vorgesehen, wobei insbesondere das Wärmeleitmaterial zumindest in einem Teilbereich zusätzlich an einer von dem Taschengehäuse wegweisenden Außenfläche des Klebestreifens vorgesehen ist. Ein thermisch isolierender Luftspalt an der Oberfläche des Taschengehäuses kann dadurch vermieden werden. Das, insbesondere auch als „Gapfiller“ bezeichnete, Wärmeleitmaterial weist insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Klebestreifen auf. Durch den flüssigen beziehungsweise pastösen Zustand des Wärmeleitmaterials zumindest während des Auftrags des Wärmeleitmaterials können ansonsten zwischen dem Klebestreifen und dem Taschengehäuse verbleibende Lufteinschlüsse vermieden und durch das Wärmeleitmaterial ausgefüllt werden. Der Wärmestrom und damit insbesondere die Kühlleistung kann dadurch erheblich gesteigert werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad der Batteriezelle beibehalten werden kann.
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Vorzugsweise ist eine Flächengröße der Öffnungen und/oder eine Formgestaltung der Öffnungen und/oder eine Anzahl von Öffnung in einer Flächeneinheit des Klebestreifens innerhalb des Klebestreifens, insbesondere benachbart zum umgefalteten Randstreifen einerseits und beabstandet zum umgefalteten Randstreifen andererseits, unterschiedlich gewählt, insbesondere zu dem Zweck eine Wärmestromstromdichte an der Oberfläche des Taschengehäuses zu vergleichmäßigen. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass beispielsweise im Bereich des umgefalteten Randstreifens eine großflächigere Klebefläche gewünscht sein kann, während sich eine im Wesentlichen gleich große Klebefläche des Klebestreifens an einer großflächigen Vorderseite oder Rückseite des Taschengehäuses über eine größere Gesamtfläche der Vorderseite oder Rückseite verteilen kann. Dies ermöglicht es zudem die lokale Wärmestromstromdichte an der Oberfläche des Taschengehäuses zu vergleichmäßigen, so dass lokal verteilte Wärmesenken und Wärmequellen an der Oberfläche des Taschengehäuses möglichst ausgeglichen werden können. Dies ermöglicht eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Batteriezelle, so dass in allen Teilbereichen des elektrochemischen Zellkerns im Wesentlichen die gleiche möglichst optimale Temperatur beibehalten werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere zum elektrischen Fortbewegen eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und mindestens einer in dem Gehäuse eingesetzten Batteriezelle, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei das Taschengehäuse der Batteriezelle durch die Öffnungen des Klebestreifens hindurch thermisch mit einer Gehäusewand des Gehäuses kontaktiert ist, wobei insbesondere eine Kühleinrichtung zur aktiven Temperierung der Gehäusewand vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung und/oder sind Kühlkanäle der Kühleinrichtung in der aktiv gekühlten Gehäusewand integriert. Besonders bevorzugt ist die aktiv gekühlten Gehäusewand über das Wärmeleitmaterial mit der Oberfläche des Taschengehäuses der Batteriezelle direkt, das heißt ohne weitere dazwischenliegende Bauteile, thermisch kontaktiert. Durch die Öffnungen in dem Klebestreifen kann eine Beeinträchtigung einer ausreichenden Temperierung der Batteriezelle durch den Wärmeleitwiderstand des Klebestreifens vermieden werden, so dass eine bauraumsparende und effiziente Kraftfahrzeugbatterie ermöglicht ist.
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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 Schnittansicht eines Teils einer Batteriezelle,
- 2: eine schematische perspektivische Ansicht der Batteriezelle aus 1 und
- 3 einen Teil einer Kraftfahrzeugbatterie mit mehreren Batteriezellen aus 1.
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Die in 1 und 2 dargestellte Batteriezelle 10 kann für eine zum Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgesehene Kraftfahrzeugbatterie 12 verwendet werden. Die Batteriezelle 10 weist ein aus zwei Lagen 14 zusammengesetztes Taschengehäuse 16 auf, in dem ein elektrochemischer Zellkern in Form einer auf Lithium-Ionen basierenden galvanischen Zelle eingeschlossen sein kann. Mit dem elektrochemischen Zellkern verbundene Elektroden 18, die jeweils einen Plus-Pol und einen Minus-Pol ausbilden können, können an verschiedenen oder einer gemeinsamen Seite des Taschengehäuses 16 zwischen den zwei Lagen 14 aus dem Taschengehäuse 16 herausgeführt sein. An einer Seite des Taschengehäuses 16, an dem keine Elektrode 18 vorgesehen ist, ist ein aus den zwei über eine Siegelnaht miteinander verbundenen Lagen 14 gebildeter abstehender Randstreifen 20 zu einem Falz umgebogen. Der entlang einer Biegelinie umgefaltete Randstreifen 20 kann von einem Klebestreifen 22 auf eine Oberfläche 24 des Taschengehäuses 16 zu niedergehalten und insbesondere angedrückt werden, so dass der umgefaltete Randstreifen 20 vorzugsweise flächig an der Oberfläche 24 des Taschengehäuses 16 anliegen kann. Der Klebestreifen 22 kann hierzu mit dem umgefalteten Randstreifen 20 und dem Taschengehäuse 16 verklebt sein. Insbesondere ist der Klebestreifen 22 sowohl mit einer großflächigen Vorderseite 26 als einer großflächigen Rückseite 28 des Taschengehäuses 16 verklebt. Hierbei kann sich der Klebestreifen 22 über einen Großteil der entlang der Biegelinie verlaufende Längserstreckung des umgefalteten Randstreifens 20 erstrecken. Beispielsweise entspricht die Erstreckung des Klebestreifens 22 entlang der Längserstreckung des umgefalteten Randstreifens 20 im Wesentlichen der gesamten Breite der Vorderseite 26 beziehungsweise der Rückseite 28.
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Der Klebestreifen 22 weist mehrere Öffnungen 30 auf, so dass ein als Gapfiller verwendetes pastöses Wärmeleitmaterial 32 durch die Öffnungen 30 hindurch direkt die Oberfläche 24 des Taschengehäuses 16 kontaktieren kann. Das Wärmeleitmaterial 32 dann dadurch insbesondere einen zwischen dem Taschengehäuse 16 und dem Klebestreifen 22 an der Seite des umgefalteten Randstreifens 20 ausgebildeten Freiraum 34 ausfüllen, so dass von der Oberfläche 24 des Taschengehäuses 16 in dem Freiraum 34 durch die Öffnungen 30 des Klebestreifens 22 hindurch mit Hilfe des Wärmeleitmaterials 32 eine gute Wärmestromdichte erreicht werden kann, ohne dass ein Wärmeleitwiderstand des Klebestreifens 22 den Wärmestrom signifikant beeinträchtigen kann.
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Wie in 3 dargestellt können mehrere Batteriezellen 10 über das Wärmeleitmaterial 32 mit einer aktiv temperierten, insbesondere gekühlten, Gehäusewand 36 der Kraftfahrzeugbatterie 12 thermisch kontiert sein. Ein Wärmestrom zwischen dem Taschengehäuse 16 der Batteriezelle 10 und der Gehäusewand 36 der Kraftfahrzeugbatterie 12 kann durch die Öffnungen 30 des Klebestreifens 22 hindurch im Wesentlichen ausschließlich über das Wärmeleitmaterial 32 erfolgen. Durch den durch die Öffnungen 30 reduzierten Flächenanteil des den Klebestreifen 22 ausbildenden Materials kann der Wärmeleitwiderstand des Klebestreifen 22 vernachlässigt werden, wodurch eine schnelle und präzise Temperaturregelung der Temperatur der Batteriezelle 10 in einem für den Wirkungsgrad optimalen Temperaturbereich ermöglicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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