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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie mindestens eine erste Batteriezelle, eine Abstützkomponente und mindestens eine zwischen der mindestens einen Batteriezelle und der Abstützkomponente angeordnete, zumindest teilweise deformierbare Swelling-Platte aufweist, die dazu ausgelegt ist, sich unter einem von der mindestens einen Batteriezelle und der Abstützkomponente auf die mindestens eine Swelling-Platte zumindest bereichsweise ausgeübten Druck zumindest teilweise zu deformieren. Dabei weist die mindestens eine Swelling-Platte zudem eine Dicke in einer ersten Richtung von der mindestens einen ersten Batteriezelle zur Abstützkomponente auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien für Kraftfahrzeuge bekannt, die insbesondere als Traktionsbatterien ausgebildet sein können. Solche Traktionsbatterien werden üblicherweise in Form von Hochvoltbatterien bereitgestellt. Eine solche Hochvoltbatterie weist üblicherweise mehrere Batteriezellen auf. Diese können wiederum zu Zellpacks, auch Zellstapel oder Zellmodule genannt, zusammengefasst sein. Im Zwischenraum zweier Batteriezellen in solchen Hochvoltbatterien werden typischerweise mindestens zwei Schichten eingebracht, die auch als Zelltrennelemente bezeichnet werden können Die erste Schicht dient zur Aufnahme von Swelling-Kräften. Diese Schicht ist vorliegend auch als Swelling-Platte bezeichnet. Bisherige Swelling-Schichten sichern eine temporal homogene Druckverteilung auf die Zellen, was sich positiv auf die Lebenszeit beziehungsweise das Alterungsverhalten der Zellen auswirkt. Die zweite Schicht dient der thermischen Isolation bei einer durchgehenden Zelle. Durch die thermische Isolation zwischen den Zellen werden die benachbarten Zellen geschützt und der Fehlerfall kann eingegrenzt werden. Da die erste Schicht, das sogenannte Swelling-Pad, in der Regel aus einem Schaum besteht, wirkt es ähnlich wie eine Feder und die Kräfte steigen über Laufzeit beziehungsweise Alterungsfortschritt an. Dies beschleunigt wiederum die Alterung und reduziert somit die Produktlebenszeit erheblich. Beim Swelling handelt es sich um einen Effekt, gemäß welchem die Zellen über Lebenszeit anschwellen. Dieses alterungsbedingte Swelling ist zudem von einem ladungsbedingten Swelling überlagert, welches bewirkt, dass die Zellen beim Laden anschwellen, während sie beim Entladen wieder abschwellen. Durch die aktuelle Verwendung von Schäumen wird der Druckanstieg bedingt durch das Swelling, vor allem dem alterungsbedingten Swelling, zwar reduziert, aber nicht verhindert. Es findet immer noch eine beschleunigte Alterung statt. Entsprechend wäre es wünschenswert, einen permanenten Druckanstieg über Lebenszeit zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Die
DE 10 2018 123 771 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl aneinander angeordneter und einen Zellverbund bildender Batteriezellen und wenigstens eine an den Zellverbund angeordneten Druckplatte, wobei der Zellverbund und die Druckplatte durch zumindest eine Spannvorrichtung umlaufend umspannt sind. Dabei weist die Spannvorrichtung eine Kennlinie mit einer konstanten Steigung auf, wobei sich die Steigung der Kennlinie mit zunehmender Ausdehnung der Spannvorrichtung wenigstens einmal erhöht. Dadurch wird gerade erreicht, dass eine alterungsbedingte Ausdehnung der Zellen, die über einen kritischen Punkt hinausläuft, aufgrund der sich erhöhenden Steigung der Kennlinie weitgehend begrenzt werden kann, da dann über die Spannvorrichtung eine deutlich gesteigerte Kraft auf den Zellverbund wirkt. Folglich wird dadurch gerade das Gegenteil erreicht und nicht vermieden, dass die Swelling-Kräfte über Lebenszeit ansteigen.
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Auch die
EP 3 420 609 B1 beschäftigt sich mit einem Rahmen für einen Zellstack. Insbesondere ist hierbei ein Zellstack einer Redox-Durchflussbatterie beschrieben, der zwei Endplatten aufweist, zwischen welchen eine Mehrzahl von Zellen angeordnet ist. Die Zellen weisen dabei jeweils zwei elastomere Stackrahmen mit einer Anzahl an Rahmenseitenflächen an einer Anzahl an Rahmenseiten auf, die gemeinsam jeweils eine Umfangsfläche eines Stackrahmens bilden, wobei Spannmittel vorhanden sind, die die erste Endplatte und die zweite Endplatte zusammendrücken und zwischen der ersten Endplatte und zweiten Endplatte ist zumindest ein Abstandshalter angeordnet, um einen Abstand zwischen der ersten und zweiten Endplatte einzustellen. Zielsetzung hierbei ist es, die Dichtheit von Redox-Durchflussbatterien mit ineinander gepressten elastomeren Stackrahmen sicherzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, die Lebensdauer einer Batterie zu erhöhen und insbesondere Swelling-bedingte Alterungseffekte zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist mindestens eine erste Batteriezelle, eine Abstützkomponente und mindestens eine zwischen der mindestens einen ersten Batteriezelle und der Abstützkomponente angeordnete, zumindest teilweise deformierbare Swelling-Platte auf. Diese ist dazu ausgelegt, sich unter einem von der mindestens einen ersten Batteriezelle und der Abstützkomponente auf die mindestens eine Swelling-Platte zumindest bereichsweise ausgeübten Druck zumindest teilweise zu deformieren. Weiterhin weist die mindestens eine Swelling-Platte eine Dicke in einer ersten Richtung von der mindestens einen ersten Batteriezelle zur Abstützkomponente auf. Des Weiteren ist die mindestens eine Swelling-Platte zumindest zum Großteil aus einem nicht geschäumten Kunststoffmaterial gebildet, sodass die mindestens eine Swelling-Platte dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten eines bestimmten Druckschwellwerts des auf die mindestens eine Swelling-Platte ausgeübten Drucks sich derart zu verformen, dass sich ihre Dicke in zumindest einem ersten Bereich der mindestens einen Swelling-Platte verringert und sich eine Abmessung der mindestens einen Swelling-Platte in zumindest einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung vergrößert. Vorzugsweise ist die Swelling-Platte derart ausgebildet, dass mit dem Verformen der Swelling-Platte beim Überschreiten des bestimmten Druckschwellwerts der Druck wieder abfällt, insbesondere unter einen bestimmten Wert, der mit dem bestimmten Druckschwellwert identisch sein kann.
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Die Swelling-Platte ist also nicht als Schaum ausgeführt, sondern vielmehr einfach durch eine Kunststoffplatte bereitgestellt. Da Kunststoffe unter Last nicht strukturstabil sind, sondern zum Kriechen neigen, werden diese in der Regel nicht für unter Dauerlast stehende Bauteile eingesetzt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Funktion der Swelling-Platte gerade diese Eigenschaft von Kunststoffen ausgenutzt werden kann. Verschiedene Kunststoffe können auch unterschiedlich stark kriechen, wobei ein solches Kriechen zusätzlich durch Füllstoffe beeinflusst werden kann. Vorteilhafterweise kann also für die Swelling-Platte ein solches Kunststoffmaterial gewählt werden, dass diese Swelling-Platte so eingestellt werden kann, dass diese bei einer vorliegenden Geometrie ab einer bestimmten Last, dem oben genannten Druckschwellwert, anfängt zu kriechen. Die Swelling-Platte kann dann also so ausgelegt werden, dass sie unter der vorliegenden Vorspannkraft des Moduls, welche idealerweise zu einem optimalen Betriebszustand korrespondiert, nicht kriecht und damit möglichst formstabil ist. Altert eine Batteriezelle allerdings und die Drücke steigen durch das Zellswelling an, so steigt auch der Druck auf die Kunststoff-Swelling-Platte an und diese fängt an zu kriechen, sodass dadurch der Swelling-Druck wieder fällt und entsprechend unter einen bestimmten Wert, insbesondere den Druckschwellwert, sinkt. Dieser Vorgang wiederholt sich stetig bis zum Produktlebensende. Der Swelling-Druck pendelt somit gewissermaßen um diesen Grenzwert beziehungsweise Druckschwellwert und kann damit vorteilhafterweise quasi über die gesamte Lebensdauer der Batterie hinweg nahezu konstant gehalten werden. Dadurch lässt sich insgesamt die Lebensdauer der Batteriezellen der Batterie deutlich erhöhen. Zudem kann dies mit äußerst kostengünstigen und einfachen Maßnahmen erreicht werden, indem einfach die Swelling-Platte mit einem solchen Kunststoffmaterial gefertigt wird. Dadurch, dass die Kriech- und Fließfähigkeit des Kunststoffs der Swelling-Platte gerade bei Überschreiten eines solchen Druckschwellwerts stark zunimmt, hat also den großen Vorteil, dass nahezu über die gesamte Lebenszeit einer Batterie ein konstanter Swelling-Druck der Batteriezellen bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig kann dem Swelling eine gewisse Kraft entgegengesetzt werden, die sich ebenfalls vorteilhaft auf die Lebensdauer der Zellen auswirkt. Diese entgegengesetzte Kraft steigt nun aber im Gegensatz zu üblichen Konzepten im Laufe der Lebenszeit nicht oder kaum an. Dies kann, wie oben beschreiben, dadurch erreicht werden, indem gerade das Kunststoffmaterial so gewählt wird, dass sich ein entsprechender Druckschwellwert ergibt, der zu dieser optimalen Kraft korrespondiert.
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Wenn also der oben genannte Druckschwellwert überschritten wird, so beginnt die Swelling-Platte zu kriechen oder zumindest verstärkt zu kriechen oder zu fließen, was bedingt, dass diese sich hinsichtlich ihrer Dicke verringert, wenn sie zum Beispiel in Richtung ihrer Länge oder Breite hin zunimmt. Das Kunststoffmaterial der Swelling-Platte kriecht beziehungsweise fließt also bedingt durch diesen hohen Druck weg aus dem Bereich des höchsten Drucks hin zu Bereichen geringeren Drucks. Die Deformation beziehungsweise Verformung, die die Swelling-Platte erfährt, wenn der Druckschwellwert überschritten ist, stellt dabei keine rein elastische Verformung dar, sondern umfasst zumindest einen Anteil an plastischer Verformung. Insbesondere ist die Verformung der Swelling-Platte dabei hauptsächlich eine plastische Verformung mit elastischem Anteil.
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Die Batterie für das Kraftfahrzeug kann dabei als eingangs beschriebene Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Diese kann also nicht nur eine Batteriezelle, sondern insbesondere auch mehrere Batteriezellen umfassen, die beispielsweise zu Zellstacks beziehungsweise Zellmodulen oder Zellstapeln zusammengefasst sein können. Die mindestens eine erste Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein, wie beispielsweise auch alle übrigen Batteriezellen der Batterie. Zudem ist es bevorzugt, dass es sich bei der ersten Batteriezelle, sowie auch bei den optionalen weiteren Batteriezellen der Batterie, um eine prismatische Batteriezelle oder eine Pouch-Zelle handelt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie mindestens eine zweite Batteriezelle auf, die die Abstützkomponente darstellt. Mit anderen Worten ist die Abstützkomponente ebenfalls eine Batteriezelle. Damit ist die Swelling-Platte also zwischen zwei Batteriezellen der Batterie angeordnet, nämlich zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle. Zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle können darüber hinaus aber noch andere Elemente oder Schichten angeordnet sein, wie beispielsweise auch die eingangs erwähnte thermische Isolationsschicht. Denkbar ist es aber auch, dass die Abstützkomponente zusätzlich oder alternativ durch eine Batteriekomponente bereitgestellt ist, die keine Batteriezelle darstellt, wie zum Beispiel eine Gehäusewand. Denkbar ist es beispielsweise auch, dass die Abstützkomponente eine Endplatte darstellt, die einen Zellstapel mit mehreren Batteriezellen beidseitig in seine Längserstreckungsrichtung begrenzt und die über eine geeignete Spanneinrichtung miteinander verspannt sind. Ist die Abstützkomponente als eine solche Endplatte ausgebildet, so kann also beispielsweise eine solche oben beschriebene Swelling-Platte auch zwischen einer solchen Endplatte und einer Batteriezelle angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Batterie auch mehrere Swelling-Platten aufweisen. Diese können dann zwischen den Batteriezellen sowie optional auch zwischen einer Batteriezelle und einer Endplatte oder einer Gehäusewand oder ähnlichem angeordnet sein.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterie einen Zellstapel mit mehreren Batteriezellen aufweist, von denen die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle umfasst sind, wobei die Batteriezellen in der ersten Richtung nebeneinander, insbesondere mit ihren flächenmäßig größten Seiten einander zugewandt, angeordnet sind, wobei die Batterie mehrere Swelling-Platten umfassend die mindestens eine Swelling-Platte umfasst, und wobei zwischen je zwei der nebeneinander angeordneten Batteriezellen eine der Swelling-Platten angeordnet ist. Dass zwischen die zwei Batteriezellen eine solche Swelling-Platte angeordnet ist, hat den großen Vorteil, dass so die Swelling-Kräfte über den Zellstapel hinweg besonders gleichmäßig verteilt werden können. Durch eine solche Swelling-Platte kann es zudem auch vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich der Swelling-Druck auf die Seitenflächen der Batteriezellen, die der Swelling-Platte zugewandt sind, besonders gleichmäßig verteilt, gerade bei Überschreiten des oben genannten Druckschwellwerts, da dann gerade die Swelling-Platte in den Bereichen mit höchstem Druck anfängt zu fließen und damit gerade in diesen Bereichen mit größtem Druck für einen Druckausgleich sorgt. Eine punktuelle Belastung von Seitenwänden der Batteriezellen kann so vorteilhafterweise vermieden werden. Außerdem kann durch die Verwendung solcher Swelling-Platten zwischen je zwei Batteriezellen auch eine besonders homogene strukturelle Steifigkeit des Zellstapels erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt der Druckschwellwert eine der mindestens einen Swelling-Platte zugeordnete Kriechgrenze oder Fließgrenze dar, bei deren Überschreiten ein Kriechen beziehungsweise Fließen des Kunststoffmaterials der mindestens einen Swelling-Platte zunimmt. Im Falle, dass der Druckschwellwert eine der mindestens einen Swelling-Platte zugeordnete Fließgrenze darstellt, kann das Fließen des Kunststoffmaterials sogar abrupt zunehmen. Insbesondere kann es auch sein, dass ein solches Kriechen oder Fließen auch erst ab diesem Druckschwellwert einsetzt. Manche Kunststoffe zeigen bereits bei sehr geringen Drücken schon ein gewisses Kriechverhalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll die Swelling-Platte jedoch so ausgestaltet sein, dass die Kriech- oder Fließeigenschaften der Swelling-Platte, wenn der Druckschwellwert überschritten ist, gegenüber denen unterhalb dieses Druckschwellwerts erhöht sind, insbesondere deutlich erhöht sind. Die Kriech- und Fließfähigkeit des Kunststoffmaterials der Swelling-Platte ist also, wenn der Druckschwellwert überschritten ist, um ein Vielfaches größer als unterhalb des genannten Druckschwellwerts. Dies gilt insbesondere immer für Bereiche der Swelling-Platte, die einem Druck ausgesetzt sind, der diesen Druckschwellwert überschreitet oder nicht. Mit anderen Worten kann die Swelling-Platte je nach Druckverteilung auch ein bereichsweise stark unterschiedliches Kriech- beziehungsweise Fließverhalten zeigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Swelling-Platte vollständig aus dem Kunststoffmaterial gebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Swelling-Platte aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist beziehungsweise aus einem Kunststoffmaterial, welches zusätzlich Füllstoffe umfasst, die keine Kunststoffe darstellen, wie zum Beispiel Glasfaseranteile. Derartige Füllstoffe reduzieren dabei die Fließfähigkeit des so bereitgestellten Verbundmaterials. Durch geeignete Wahl und Dosierung dieser Füllstoffe kann der Druckschwellwert ebenfalls beeinflusst werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass jedoch gerade ein Kunststoffmaterial ohne jegliche Füllstoffe besonders gute Kriech- beziehungsweise Fließeigenschaften zeigt. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Swelling-Platte vollständig aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, das heißt keine Materialkomponenten umfasst, die keinen Kunststoff darstellen. Dadurch können die Kriecheigenschaften des Kunststoffmaterials maximal ausgenutzt werden.
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Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn das Kunststoffmaterial beispielsweise einen thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel Polyethylen, und/oder einen duromeren Kunststoff, insbesondere Polyurethan, umfasst oder darstellt. Diese Kunststoffe besitzen besonders vorteilhafte Kriecheigenschaften, insbesondere ab Erreichen des Druckschwellwerts, während sie unterhalb dieses Druckschwellwerts relativ formstabil sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine erste Batteriezelle eine erste Seite auf, die der Abstützkomponente und der mindestens einen Swelling-Platte zugewandt ist, wobei die erste Seite in der zweiten Richtung eine Höhe aufweist, die größer ist als die Abmessung der mindestens einen Swelling-Platte in der zweiten Richtung, insbesondere zumindest in einem initialen Ausgangszustand der Swelling-Platte, und wobei die mindestens eine Swelling-Platte derart in Bezug auf die erste Seite der mindestens einen ersten Batteriezelle angeordnet ist, dass die erste Seite der mindestens einen ersten Batteriezelle in der zweiten Richtung und/oder entgegen der zweiten Richtung über die mindestens eine Swelling-Platte hinaussteht. Mit anderen Worten kann die Swelling-Platte kleiner ausgeführt werden, als der Zellzwischenraum, zumindest in Richtung der Höhe, wodurch ausreichend Raum für den fließenden Kunststoff geschaffen werden kann. Dadurch tritt der Kunststoff über Laufzeit nicht aus den Zellzwischenräumen aus. Nichtsdestoweniger kann es teilweise aber auch zulässig sein, dass der Kunststoff bereichsweise aus diesen Zwischenräumen austritt. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass ein geringfügiger Austritt nach oben, das heißt in der zweiten Richtung, dort wo in der Regel auch die Zellpole der einzelnen Batteriezellen und die Zellverbinder zum Kontaktieren der Zellpole angeordnet sind, keine sonderlichen Nachteile mit sich bringt, da dort ausreichend Fließbauraum zur Verfügung steht beziehungsweise die Zellverbinder für einen gewissen Toleranzausgleich sorgen können. Ein Fließen nach unten ist jedoch nicht bevorzugt, da in Richtung nach unten die Batteriezellen typischerweise an eine Kühleinrichtung, zum Beispiel einen Kühlboden beziehungsweise eine Kühlplatte, angebunden sind. Ein sich nach unten aus dem Zwischenraum hinausdrückender Kunststoff würde für ein Abheben der Zellen von einer solchen Bodenplatte sorgen, wodurch die Kühlung beeinträchtigt werden könnte. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest in eine Richtung, insbesondere in Richtung nach unten, die Swelling-Platte kürzer ausgeführt ist, als die jeweils angrenzenden ersten Seiten der Batteriezellen. Beispielsweise kann die Swelling-Platte in ihrem Anfangszustand eine Ausdehnung in der zweiten Richtung besitzen, die um 1 bis 2 Zentimeter geringer ist als die Höhe der angrenzenden Batteriezellen. Dies gilt zumindest für typische Zellgrößen. Im Allgemeinen kann die Höhe der Swelling-Platte um beispielsweise 10 bis 20 Prozent in Bezug auf die Höhe der ersten Seite der Batteriezelle verringert sein. Dadurch ist ausreichend Raum geschaffen, in welchen der Kunststoff der Swelling-Platte fließen kann, gleichzeitig ist hierdurch die Funktionsweise der Swelling-Platte nicht beeinträchtigt, da gerade am Randbereich keine oder kaum Kraft auf die Swelling-Platte wirkt, da sich Batteriezellen typischerweise in einem zentralen Bereich ihrer Seitenflächen ausdehnen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Swelling-Platte eine maximale Dicke im Bereich zwischen 1 Millimeter und 2 Millimeter, insbesondere zwischen 1 Millimeter und 1,5 Millimeter auf. Besonders bevorzugt wird die Swelling-Platte in ihrem Ausgangs- beziehungsweise Anfangszustand als eine Platte mit einer Dicke von zirka 1 Millimeter bereitgestellt. Im Laufe der Batterielebensdauer kann sich diese maximale Dicke unter Umständen ändern. Unter einer maximalen Dicke ist dabei die größte Abmessung in der oben definierten ersten Richtung der Swelling-Platte zu verstehen. Die erste Richtung ist dabei in einer Richtung von der mindestens einen ersten Batteriezelle zur Abstützkomponente definiert und insbesondere parallel zur Längserstreckungsrichtung eines Zellstapels ausgerichtet. Weiterhin wird die Swelling-Platte anfangs mit einer möglichst homogenen Dichte bereitgestellt. Mit anderen Worten ist die Swelling-Platte zu Beginn der Lebensdauer der Batterie überall in etwa gleich dick. Im Laufe der Zeit können sich jedoch Bereiche mit geringerer und größerer Dicke ausformen, was durch das Kriechen des Kunststoffs bedingt ist. Eine Platte mit einer Dicke im Bereich von 1 Millimeter ist dabei sehr vorteilhaft, da dies einerseits sehr bauraumeffizient ist, andererseits ausreichend Material zwischen den Zellen zur Verfügung stellt, um eine geeignete Swelling-Druckanpassung zu ermöglichen. Da der Swelling-Druck vor allem bewirkt, dass die Dicke der Swelling-Platte lokal reduziert wird, ändert sich die maximale Dicke dieser Swelling-Platte im Laufe der Lebensdauer der Batterie kaum. Mit anderen Worten gibt es Bereiche der Swelling-Platte, die kaum einer Dickenänderung ausgesetzt sind, da sie in einem Bereich angeordnet sind, insbesondere in einem Randbereich, in welchem keine hohen Drücke wirken.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die mindestens eine Swelling-Platte zumindest in Bezug auf die zweite Richtung einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umgebenden Randbereich, der die mindestens eine Swelling-Platte in zumindest der zweiten Richtung begrenzt, aufweist und derart ausgebildet und zwischen der ersten Batteriezelle und der Abstützkomponente angeordnet ist, dass sich im Laufe der Zeit, insbesondere im Laufe der Lebenszeit der Batterie, die Dicke der Swelling-Platte im zentralen Bereich stärker reduziert als im Randbereich. Mit anderen Worten ist die Swelling-Platte vorzugsweise zumindest einen zentralen Bereich der ersten Seite der jeweiligen Batteriezelle überdeckend angeordnet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ein direkter Kontakt zwischen der Swelling-Platte und der betreffenden Batteriezelle bestehen muss, wenngleich dies sein kann. Dies bedeutet lediglich, dass die Swelling-Platte in dem Bereich angeordnet sein soll, der auch der stärksten Swelling-bedingten Ausdehnung unterliegt, was den zentralen Bereich einer betreffenden Batteriezelle darstellt. Der zentrale Bereich einer Batteriezelle ist in Bezug auf die zweite Richtung als mittlerer Bereich definiert. Dies hat den großen Vorteil, dass gerade in diesem zentralen Bereich der Batteriezellen zu hohe Swelling-Drücke vermieden werden können. Da Batteriezellen zum Rand hin im Laufe der Lebensdauer weniger stark aufblähen als im zentralen Bereich, reduziert sich entsprechend auch die Dicke im Randbereich der Swelling-Platte weniger stark als im zentralen Bereich der Swelling-Platte.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterie und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug mit Swelling-Platten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Batterie mit zwei Batteriezellen und einer zwischen den Batteriezellen angeordneten Swelling-Platte zu einem ersten Anfangszeitpunkt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2 zu einem späteren zweiten Zeitpunkt mit erhöhtem Swelling-Druck, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2 zu einem noch späteren dritten Zeitpunkt, zu welchem der Swelling-Druck einen vorbestimmten Druckschwellwert übersteigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2, zu einem noch späteren vierten Zeitpunkt, zu welchem sich der Druck bedingt durch das Kriechen der Swelling-Platte wieder verringert hat, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2 zu einem noch späteren fünften Zeitpunkt, zu welchem sich der Swelling-Druck wieder erhöht hat, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2 zu einem noch späteren sechsten Zeitpunkt, zu welchem der Swelling-Druck den vorbestimmten Druckschwellwert wieder übersteigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 8 eine schematische Darstellung des Teils der Batterie aus 2 zu einem noch späteren siebten Zeitpunkt am Ende der Batterielebensdauer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist hierbei exemplarisch ein Zellstapel 12 einer solchen Batterie 10 dargestellt. Die Batterie 10 kann im Allgemeinen als eine Hochvoltbatterie für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Diese kann zudem mehrere solcher Zellstapel 12 umfassen. Ein jeweiliger Zellstapel 12 umfasst wiederum mehrere Batteriezellen 14. Diese sind im vorliegenden Beispiel als prismatische Batteriezellen 14 ausgebildet. Diese mehreren Batteriezellen 14 sind dabei in einer ersten Richtung, die vorliegend eine x-Richtung des dargestellten Koordinatensystems ist, nebeneinander angeordnet. Die x-Richtung definiert somit auch eine Stapelrichtung beziehungsweise Längserstreckungsrichtung des Zellstapels 12. Weiterhin weisen die jeweiligen Batteriezellen 14 auch eine Höhe H in einer zweiten Richtung, die hier zur dargestellten z-Richtung korrespondiert, auf und welche zur ersten Richtung, das heißt der x-Richtung, senkrecht ist. Weiterhin weisen die Zellen 14 auch eine Breite in einer dritten Richtung, nämlich der hier dargestellten y-Richtung, auf. Die Dicke D der Batteriezellen 14 erstreckt sich also in x-Richtung. Zwischen den jeweiligen Batteriezellen 14 in Stapelrichtung x sind dabei jeweilige Swelling-Platten 18 angeordnet. Zusätzlich können zwischen je zwei Batteriezellen 14 nicht nur eine solche Swelling-Platte 18, sondern noch optionale weitere Schichten angeordnet sein, wie in diesem Beispiel noch eine thermische Isolationsschicht 20. Diese kann beispielsweise als Glimmerplatte oder ähnliches ausgebildet sein. Eine Dicke d einer jeweiligen solchen Swelling-Platte 18 ist dabei ebenfalls in x-Richtung definiert. Weiterhin können den Zellstapel 12 in x-Richtung beidseitig begrenzend jeweilige Endplatten 22, die auch als Sidebinder bezeichnet werden können, angeordnet sein. Diese beiden Endplatten 22 können mit einer geeigneten Spanneinrichtung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit vorliegend nicht dargestellt ist, miteinander verspannt sein, sodass über diese Endplatten 22 eine Kraft in Richtung des Zellstapels 12 auf diesen aufgebracht werden kann. Diese Spannkraft wirkt sich dabei positiv auf die Lebensdauer der jeweiligen Zellen 14 aus. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn diese auf die jeweiligen Zellen 14 ausgeübte Spannkraft oder der auf diese Zellen 14 wirkende Druck über die gesamte Lebensdauer der Zellen 14 hinweg möglichst konstant gehalten wird. Dies ist jedoch sehr schwierig, da die Zellen 14 in der Regel über ihre Lebensdauer hinweg anschwellen, was auch als Swelling, insbesondere altersbedingtes Swelling, bezeichnet wird. Dieses alterungsbedingte Swelling ist zudem von einem ladungsbedingten Swelling, einem zyklischen An- und Abschwellen der Zellen im Zuge eines Ladens und Entladens der jeweiligen Zellen 14, überlagert. Aufgrund vor allem des alterungsbedingten Swellings kommt es im Laufe der Lebensdauer solcher Zellen 14, insbesondere ohne Gegenmaßnahmen, zu einer zunehmenden Ausdehnung der Zellen 14, vor allem in einem zentralen Bereich bezogen auf deren Höhe H und deren Breite in y-Richtung. Um diesem Ausdehnen entgegenzuwirken, wird der Zellstapel 12 wie beschrieben verspannt.
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Allerdings kommt es bei herkömmlichen Batterien zu einem Druckanstieg über Lebensdauer, der zwar durch elastische Komponenten wie Schäume zwischen den Zellen reduziert werden kann, aber dennoch nicht vollständig verhindert werden kann. Daher findet immer noch eine beschleunigte Alterung statt.
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Eine solche beschleunigte Alterung kann nun vorteilhafterweise reduziert oder vollständig vermieden werden, indem als Swelling-Platten 18 Kunststoffplatten 18 verwendet werden. Im Allgemeinen ist eine solche Swelling-Platte 18 also zumindest zum Großteil aus einem nicht geschäumten Kunststoffmaterial gebildet. Prinzipiell ist es denkbar, dass ein solches Material auch Füllstoffe aus Glas, Karbon oder anderen Materialien umfasst, die keine Kunststoffe darstellen. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass die Swelling-Platten 18 vollständig aus Kunststoff gebildet sind, und entsprechend keine Materialien umfassen, die keinen Kunststoff darstellen. Besonders bevorzugt wird als Kunststoff dabei ein thermoplastischer Kunststoff, wie zum Beispiel Polyethylen oder Polyurethan verwendet. Kunststoffe sind unter Last in der Regel nicht strukturstabil und neigen zum Kriechen. Dies wird üblicherweise als Nachteil empfunden. Vorliegend wird dies jedoch gerade ausgenutzt, um ein über Produktlebenszeit isobares Batteriemodul 12 bereitzustellen. Mit anderen Worten ist es durch die Verwendung einer solchen Kunststoffplatte 18 möglich, diese so auszulegen, dass sie unter der vorliegenden Vorspannkraft des Moduls, die zu einem optimalen Betriebszustand beziehungsweise zu einer optimalen Kraft korrespondiert, nicht kriecht und damit formstabil ist. Altert die Zelle 14 und die Drücke steigen durch das Swelling an, so steigt der Druck im Kunststoff der Kunststoffplatte 18 an und dieser fängt an zu kriechen, bis der Druck unter einen bestimmten Wert, der durch den optimalen Betriebszustand definiert ist, abgefallen ist. Dadurch verliert die Kunststoffplatte 18 wiederum ihre Kriecheigenschaften. Dieser Vorgang wiederholt sich stetig bis zum Produktlebensende. Damit ausreichend Raum für den Kunststoff der Kunststoffplatte 18 besteht, ist es zudem bevorzugt, dass die Kunststoffplatte 18 zumindest in eine Richtung kleiner ausgeführt wird, als der Zellzwischenraum. Dadurch tritt der Kunststoff über Laufzeit nicht aus den Zellzwischenräumen aus. Im vorliegenden Beispiel sind für eine Swelling-Platte 18 drei verschiedene Höhen h1, h2, h3 illustriert. Die kleinste Höhe h1 korrespondiert dabei zur Höhe h1 der Swelling-Platte 18 in ihrem initialen Ausgangszustand, zu Beginn der Lebensdauer der Batterie 10. In diesem Zustand unterlag die Swelling-Platte 18 noch keinerlei Kriechprozessen. Diese Ausgangshöhe h1 ist im vorliegenden Beispiel deutlich kleiner gewählt als die korrespondierende Höhe H einer Batteriezelle 14. Entsprechend hat die Swelling-Platte 18 ausreichend Platz nach oben und nach unten beziehungsweise in und entgegen der dargestellten z-Richtung, um über die Lebensdauer hinweg zu kriechen beziehungsweise zu fließen. Entsprechend korrespondiert die etwas größere Höhe h2 der Swelling-Platte 18 zu einer Höhe h2 dieser Swelling-Platte 18 zu einem späteren Zeitpunkt etwa in der Mitte der Lebensdauer der Batterie, und die Höhe h3 der Swelling-Platte 18 zu einer Höhe h3 dieser Platte 18 am Ende der Lebensdauer der Batterie, an welchem die Swelling-Platte 18 in z-Richtung ihre maximale Ausdehnung erreicht hat. Theoretisch kann Gleiches auch für die y-Richtung gelten. Allerdings ist es bevorzugt, dass die Spanneinrichtung zum Verspannen der Seitbinder 22 Seitenplatten umfasst, die den Zellpack 12 in und entgegen y-Richtung begrenzen und damit auch die Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 14 abschließen, sodass der Kunststoff der Kunststoffplatten 18 in y-Richtung nicht aus diesen Zwischenräumen austreten kann. Entsprechend muss die Swelling-Platte 18 in y-Richtung nicht notwendigerweise kürzer als die korrespondierenden Batteriezellen 14 beziehungsweise als die den Swelling-Platten 18 zugewandten Seiten 14a der Batteriezellen 14 ausgebildet sein. Weiterhin können die Zellen 14 auch noch eine Oberseite 14b sowie eine Unterseite 14c aufweisen. Die Zellen 14 sind weiterhin mit ihrer Unterseite 14c vorzugsweise an einer Kühlplatte 24 (vergleiche zum Beispiel 2), zum Beispiel einem mit einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlboden 24, angeordnet. An den Oberseiten 14b der Zellen 14 können zudem jeweilige Zellpole angeordnet sein. Das Verhalten der Swelling-Platte 18 zwischen zwei Zellen 14 soll nun detaillierter über die Lebensdauer hinweg anhand von 2 bis 8 erläutert werden.
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2 bis 8 zeigen dabei jeweils einen Teil der Batterie 10 aus 1, in diesem Beispiel zwei Batteriezellen 14 mit einer zwischen diesen Zellen 14 angeordneten Swelling-Platte 18, sowie zusätzlich einer thermisch isolierenden Schicht 20. Zudem zeigen 2 bis 8 den Teil der Batterie 10 in aufsteigend aufeinanderfolgenden Zeitschritten t0, t1, t2, t3, t4, t5, t6. Entsprechend korrespondiert der Zeitpunkt t0 zum frühesten Zeitpunkt, insbesondere zum Anfangszeitpunkt am Anfang der Lebensdauer der Batterie 10, und der Zeitpunkt t6 zum spätestens Zeitpunkt, insbesondere am Ende der Lebensdauer der Batterie 10.
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Entsprechend zeigt 2 also den Teil der Batterie 10 und die zwischen den Zellen 14 angeordnete Swelling-Platte 18 im Ausgangszustand. Beispielsweise korrespondiert die Höhe der Swelling-Platte 18 zur kleinsten Ausgangshöhe h1. Weiterhin wirkt in diesem Beispiel exemplarisch von der Batteriezelle 14 ein Swelling-Druck p1 auf die Swelling-Platte 18. Vorliegend ist dabei dieser Swelling-Druck p1 ausgehend von der rechten Batteriezelle 14 illustriert, wirkt jedoch auf die Swelling-Platte 18 beidseitig, das heißt ausgehend von beiden Batteriezellen 14. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist jedoch der entgegengesetzte Druckpfeil nicht dargestellt. Der Swelling-Druck p1, der gemäß 2 von den Zellen 14 auf die Swelling-Platte 18 ausgeübt wird, ist dabei noch kleiner als ein der Platte 18 aufgrund ihres Materials beziehungsweise ihrer Materialeigenschaften zugeordneter Druckgrenzwert G. Im Laufe der Lebensdauer schwellen die Zellen 14 an, wie dies in 3 exemplarisch für die rechte Zelle 14 illustriert ist. Damit einhergehend erhöht sich auch der Druck p2, der nun größer ist als der erste Druck p1, der zu 2 illustriert ist. Nichtsdestoweniger ist dieser nunmehr auf die Platte 18 ausgeübte Swelling-Druck p2 immer noch kleiner als der genannte Grenzwert G. Dies führt dazu, dass sich die Swelling-Platte 18 gegebenenfalls leicht, insbesondere hauptsächlich elastisch, verformt beziehungsweise deformiert. Dies muss aber nicht notwendigerweise der Fall sein.
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4 zeigt die Anordnung 10 zu einem weiteren späteren Zeitpunkt t2. In diesem Beispiel ist nunmehr der Swelling-Druck p3 so weit angestiegen, dass dieser nunmehr oberhalb des genannten Grenzwerts G liegt. Entsprechend beginnt nunmehr die Kunststoffplatte 18 zu kriechen. Das Kriechen ist hierbei durch die Pfeile 26 illustriert. Bedingt durch diesen Kriechprozess verformt sich die Platte 18, insbesondere zum Großteil inelastisch, beziehungsweise plastisch, das heißt zumindest zum Großteil irreversibel. Damit einhergehend verringert sich eine Dicke d0 der Platte 18 in einem zentralen Bereich der Platte 18, während eine Dicke d1 der Platte 18 in einem Randbereich näherungsweise konstant bleibt oder sich zumindest weniger stark verändert als die Dicke d0 im zentralen Bereich. Auch vergrößert sich hierdurch die Höhe der Platte, zum Beispiel von der ursprünglichen Höhe h1 auf die Höhe h2. Dabei soll angemerkt werden, dass vorliegen die Dicke der Platte 18 im zentralen Bereich der Platte 18, selbst wenn diese sich durch das Kriechen des Kunststoffs der Platte 18 im Laufe der Zeit verringert, in den Figuren immer mit d0 bezeichnet ist, insbesondere im Gegensatz zur Höhe der Platte 18, für die zur besseren Veranschaulichung jeweils ein Bezugszeichen für eine geringe Höhe h1, mittlere Höhe h2 und große Höhe h3 gewählt wurde. Durch diesen Kriechprozess wiederum baut sich auch der Swelling-Druck wieder ab, was entsprechend zu einem reduzierten Swelling-Druck p4, wie in 5 illustriert, zu einem späteren Zeitpunkt t3 führt. Dieser reduzierte Swelling-Druck p4 liegt wiederum unterhalb des Grenzwerts G. IN diesem Zustand ist die Platte 18 wieder formstabil und kriecht nicht, zumindest nicht merklich. Der Swelling-Druck erhöht sich jedoch wieder bedingt durch die Alterung der Zellen 14, was, wie in 6 dargestellt, wieder zu einem erhöhten Swelling-Druck p5 führt. Dieser liegt jedoch weiterhin unterhalb des Grenzwerts G, und entsprechend bleibt die Platte 18 weiterhin formstabil. Ihre Höhe h2 ändert sich also entsprechend trotz dieses sich erhöhenden Swelling-Drucks nicht, solange dieser noch unterhalb des Grenzwerts G liegt, zumindest nicht merklich. Erst wenn dieser den Grenzwert G wieder überschreitet, wie dies in 7 für den sich weiterhin erhöhten Swelling-Druck p6 illustriert ist, beginnt die Platte 18 wieder zu kriechen, was wiederum durch die Kriechpfeile 26 illustriert ist. Dadurch ändert sich wiederum die Höhe der Platte auf die nunmehr noch größere Höhe h3, wie diese in 8 illustriert ist. Durch den Kriechprozess baut sich auch hier wiederum der Swelling-Druck ab, was wiederum zu einem reduzierten Swelling-Druck p7, wie in 8 dargestellt, führt, der wieder unterhalb des Grenzwerts G liegt. 8 korrespondiert in diesem Beispiel zum Ende der Lebensdauer der Batterie 10, sodass die Platte 18 hierbei ihre maximale Höhe h3 erreicht hat, während ihre Dicke im zentralen Bereich d0 minimal ist. Die Dicke d0 im zentralen Bereich kann beispielsweise sogar gegen 0 gehen. Mit anderen Worten kann der Kunststoff der Kunststoffplatte 18 vollständig aus dem zentralen Bereich wegfließen. Das Erhöhen und Erniedrigen des Swelling-Drucks bedingt durch die wiederholten Kriechprozesse der Platte 18 wiederholt sich dabei über die Lebensdauer der Batterie 10 hinweg deutlich öfters als hier illustriert. Bei jedem Überschreiten des Grenzwerts G beginnt also die Platte 18 zu kriechen, verlängert sich dadurch etwas in z-Richtung und verringert ihre Dicke d zumindest in einem bestimmten Bereich, hier dem zentralen Bereich. Dadurch kann der Swelling-Druck wieder verringert werden. Letztendlich pendelt dieser um den Grenzwert G. Im Mittel erhöht sich also der Swelling-Druck nicht, sondern bleibt im Wesentlichen konstant, wobei insbesondere auch dieser Mittelwert im Laufe der Lebensdauer nicht ansteigt. Dadurch, dass wiederum verhindert werden kann, dass der Druck auf die Zellen 14 über ihre Lebensdauer hinweg übermäßig ansteigt und stattdessen auf einem nahezu konstanten, für die Lebenserwartung der Zelle 14 idealen Niveau gehalten werden kann, kann die Lebensdauer der Batterie 10 und insbesondere der jeweiligen Zellen 14 deutlich erhöht werden. Dies führt wiederum zu einer Kostenreduktion.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein über Produktlebenszeit isobares Hochvoltbatteriemodul bereitgestellt werden kann, welches kostengünstige Swelling-Pads, das heißt die Kunststoffplatten, ermöglicht, die zudem einfach herstellbar sind und welches einen isobaren Betriebszustand über Produktlebenszeit ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018123771 A1 [0003]
- EP 3420609 B1 [0004]
