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Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Li-lonen-Zellen können je nach Temperatur nur eine gewisse Leistung beziehungsweise Ladungsmenge abgeben. Besonders bei kalten Temperaturen sind die chemischen Vorgänge in der Zelle stark verlangsamt. Dies führt zu einem erhöhten Innenwiderstand und großen Überspannungen in den Zellen. Die Folge ist ein Einbrechen der Zellspannung, was die Leistungsfähigkeit und die entnehmbare Kapazität begrenzt. Weiterhin können Li-Ionen Zellen bei niedrigen Temperaturen keine signifikante Ladung aufnehmen aufgrund der Gefahr, dass diese in Form von Li-Metall auf der Anode abgeschieden wird, da die Ionen nicht schnell genug in das Anodenmaterial eingelagert werden können.
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Ein gattungsgemäßes Hochvoltbatteriesystem weist zumindest einen Zellverband auf, der aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgebaut ist. Zudem ist ein Heizsystem bereitgestellt, mit dem die Batteriezellen erwärmbar sind.
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Im Stand der Technik kann das Heizsystem elektrisch betätigbare Heizmatten aufweisen. Diese können sich zwischen oder auf einer Kühlstruktur des Batteriesystems befinden. Bei der Temperaturregelung besteht daher die Problematik, dass sich die Heizmatte und das Kühlsystem gegenseitig behindern.
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Alternativ dazu kann im Stand der Technik das Kühlsystem ein kühlwasserführendes Rohrleitungssystem unterhalb der Batteriezellen oder zwischen den Batteriezellen sein. In diesem Fall kann das Kühlsystem auch als ein Heizsystem genutzt werden. In diesem Fall wird das Kühlwasser entweder über einen zusätzlichen resistiven Heizer, über Abwärme der Motoren/Umrichter oder über eine Wärmepumpe erhitzt. In diesem Fall besteht die Problematik darin, dass beim Heizvorgang eine sehr große Menge an Kühlwasser erwärmt werden muss, bis die Batteriezellen eine Erwärmung erfahren. Ein solches Heizsystem reagiert daher entsprechend träge, sodass ein vor einem Schnellladen durchzuführender Erwärmungsvorgang mit entsprechend großer Zeitdauer vorausgeplant werden muss. Zudem ist aus dem Stand der Technik ein Heizsystem bekannt, bei dem eine Heizfolie in das Innere der Zellgehäuse der Batteriezellen eingebracht wird, damit die Zelle von innen erwärmt wird. Ein solches Heizsystem ist jedoch mit entsprechend großem Fertigungsaufwand verbunden. Zudem muss das Zellgehäuse-Innere für den Einbau der Heizfolie angepasst werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, bei dem das Heizsystem im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfach realisiert ist und/oder ein beschleunigtes Heizen der Batteriezellen ermöglicht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Hochvoltbatteriesystem mit zumindest einem Zellverband aus, der aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgebaut ist. Zudem ist ein Heizsystem bereitgestellt, mit dem die Batteriezellen erwärmt werden können. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist das Heizsystem mit zumindest einer, in einem elektrischen Heiz-Stromkreis verschalteten Heizfolie ausgebildet, die zwischen den Zellen positioniert ist. Auf diese Weise kann das Heizsystem ohne Anpassung der Zellen mit minimalen Platzbedarf realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird in Abkehr vom Stand der Technik darauf verzichtet, eine Heizfolie in die Zellen einzubauen. Stattdessen werden Heizfolien zwischen die Zellen in den Modulen eingebracht. Bevorzugt können massentaugliche Prozesse wie der Rolle-zu-Rolle-Druck, wie er für bestimmte Elektronikkomponenten etabliert ist, genutzt werden, um kontinuierliche Heizfolien herzustellen, die sich mit minimalem Aufwand in das Batteriesystem bzw. das Batteriemodul zwischen die Zellen einbringen lassen. Dabei wären die folgenden Ausführungsformen denkbar:
- In einer ersten Ausführungsform kann die Folie so gedruckt werden, dass diese durch Falten und Biegen quasi kontinuierlich durch das ganze Batteriesystem verläuft, ohne zusätzliche Kontakte/Stecker/Verbinder. Es wäre ein zusätzlicher Schalter notwendig um das gesamte Heizsystem zu aktivieren.
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In einer zweiten Ausführungsform kann die Folie für jedes Modul zugeschnitten werden und von Modul zu Modul kontaktiert werden. Gegebenenfalls kann ein Schalter pro Modul oder ein Gesamtschalter für das ganze System vorgesehen werden. In einer dritten Ausführungsform können pro Zelle oder pro Zellen-Paar eine Folie mit einem eigenen Schalter verbaut werden.
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Bevorzugt werden möglichst wenige Stecker/Verbinder in dem Heizsystem verbaut. Von daher ist es bevorzugt, wenn die Heizfolie eine entsprechende Struktur aufweist, die direkt beim Rolle-zu-Rolle-Druck hergestellt wird und danach mittels Laser oder Messer ausgeschnitten wird. Für die Produktion des Batteriemoduls/Batteriesystems muss die Folie dann noch entsprechend gefaltet und an den Enden mittels Flachbandverbindern kontaktiert werden. Die Flachbandverbinder können schon vorab angebracht werden.
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Erfindungsgemäß kann das Heizsystem mit maximaler Nähe zu den Batteriezellen realisiert werden, ohne dass die Batteriezellen selber verändert werden müssen. Dies ermöglicht es, weiterhin Zellen beliebiger Hersteller zu verwenden. Zudem wird erfindungsgemäß ein schnelles Aufheizverhalten gewährleistet, wobei bevorzugt nur ein zusätzlicher Schalter für das ganze System benötigt wird. Durch die speziellen Muster der Folie kann diese mit nur wenigen Steckern/Verbindern in das System eingebracht werden. Zur Produktion dieser Folien eignen sich auch Prozesse, die für die Massenfertigung geeignet sind (Rolle-zu-Rolle-Druck). Durch diese Verfahren sind Foliendicken von um die 20 Micrometer möglich.
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Eine Heizfolie mit dem entsprechenden Muster wird so zwischen die Zellen des Systems eingebracht, dass mit nur zwei Steckern/Verbindern und einem Schalter das ganze System mit der Zellen-Energie selbst erwärmt wird. Alternativ dazu kann die Heizfolie auch mit Strom aus einer externen Quelle, wie einer Ladesäule beheizt werden.
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Die Heizfolie kann pro Modul verbaut werden und mittels Steckern/Verbindern mit dem Modulinterface verbunden und darüber mit den anderen Modulen verschaltet werden. Es ist zudem möglich, pro Modul einen Schalter bereitzustellen, sodass jedes Modul gezielt aufheizbar ist.
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Die Heizfolie kann in ihrer kleinsten Einheit zwischen zwei Zellen verbaut werden und einen eigenen Schalter bekommen. Sie wird dann über Stecker/Verbinder mit einer Zelle verbunden und kann mit deren Energie betrieben werden. Auch eine Verbindung zur nächstliegenden Heizfolie für die Stecker/Verbinder ist möglich.
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Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf: So ist die Nutzung eines kostengünstigen Massenfertigungsprozesses zur Herstellung der Heizfolien ermöglicht. Zudem können die erforderlichen Stecker/Verbinder und Schalter im System reduziert werden. Die Heizfolien benötigen außerdem einen minimalen Platzbedarf (wenige Mikrometer dicke Folien). Ferner weisen die Heizfolien ein geringes Bauteilgewicht auf. Die Heizfolien können als Trägermaterial für die Leiterbahnen zum Beispiel eine Captonfolie aufweisen. Außerdem liegt erfindungsgemäß keine Querbeeinflussung zwischen den Heizfolien und dem Kühlsystem (sowohl bei Boden- als auch bei Tab-Kühlung) vor.
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Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können in einer technischen Umsetzung die Batteriezellen mit ihren einander zugewandten Flachseitenwänden in einer Stapelrichtung hintereinander im Zellverband gestapelt sein. In diesem Fall kann die Heizfolie als eine Zwischenlage zwischen den Flachseitenwänden der Batteriezellen positioniert sein.
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Die Heizfolie kann beispielhaft einen Zweilagenaufbau aus einer Trägerfolie und einer darauf applizierten elektrischen Leiterbahn aufweisen. Alternativ dazu kann die Heizfolie als ein Dreilagenaufbau realisiert sein, bei dem die Leiterbahn mit einer zusätzlichen Schutzfolie abgedeckt ist, die vor Korrosion oder anderen äußeren mechanischen Einflüssen schützt.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann die Trägerfolie aus einer Anzahl von flächigen Trägerfolien-Segmenten gebildet sein. Diese gehen über schmale Verbindungsstege ineinander über. In jedem Trägerfolien-Segment verläuft zumindest eine Heizleiterbahn, während im jeweiligen Verbindungssteg eine Verbindungssteg-Leiterbahn verläuft, die Heizleiterbahnen benachbarter Trägerfolien-Segmente miteinander elektrisch verbindet.
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In der Einbaulage sind die Trägerfolien-Segmente zwischen den Batteriezellen positioniert. Der die Trägerfolien-Segmente jeweils verbindende Verbindungssteg ist außerhalb des Zellstapels positioniert und an zumindest einer Steg-Faltachse um 90° oder um 180° gefaltet. Die Steg-Faltachse kann quer zur Stapelrichtung ausgerichtet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Zellformate der Batteriezellen beschränkt. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Erfindung bei Pouchzellen oder bei prismatischen Zellen realisiert wird. In diesem Fall ist jede der Batteriezellen in etwa quaderförmig aufgebaut, und zwar aus den Flachseitenwänden, einer Bodenwand, einer Deckwand sowie zweier gegenüberliegender Schmalseitenwände. Im Falle einer Pouchzelle können an den Schmalseitenwänden quer zur Stapelrichtung beidseitig jeweils ein Ableiter abragen. Der jeweilige Verbindungssteg kann in der Einbaulage die Deckwand, die Bodenwand oder eine der Schmalseitenwände umgreifen.
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Beispielhaft kann der Verbindungssteg in Einbaulage in einer Zell-Hochrichtung betrachtet neben einem der Ableiter eine Schmalseitenwand umgreifen. In diesem Fall begrenzen zwei benachbarte Trägerfolien-Segmente sowie ein zwischengeordneter Verbindungssteg einen Freigang. In der Einbaulage ragt der Ableiter durch den Freigang in der Heizfolie.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann jedes Trägerfolien-Segment unterteilt sein in einen Heizleiterbahn-Abschnitt und in einen Schutz-Abschnitt. Diese können an einer Segment-Faltachse ineinander übergehen. Vor dem Einbau in den Zellstapel wird das Trägerfolien-Segment an seiner Segment-Faltachse auf Umschlag, das heißt um 180°, gefaltet. In diesem Fall überdeckt der Schutz-Abschnitt den Heizleiterbahn-Abschnitt nach Art einer Schutzfolie, die die Heizleiterbahn vor Korrosion oder mechanischen äußeren Einflüssen schützt. Der Schutz-Abschnitt des Trägerfolien-Segments ist bevorzugt vollständig frei von Heizleiterbahnen und weist lediglich eine Verbindungs-Leiterbahn auf, die den Heizleiterbahn-Abschnitt elektrisch mit dem Verbindungssegment verbindet.
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Bevorzugt ist es, die Heizfolie als Endlosbahnware bereitstellbar ist. In diesem Fall kann die Heizfolie wie folgt aufgebaut sein: So kann von einem Heizleiterbahn-Abschnitt ein erster Verbindungssteg abragen, der in den Schutz-Abschnitt eines benachbarten Trägerfolien-Segments übergeht. In gleicher Weise kann vom Schutz-Abschnitt des Trägerfolien-Segments ein zweiter Verbindungssteg abragen, der in den Heizleiterbahn-Abschnitt eines ebenfalls benachbarten Trägerfolien-Segments übergeht. Im Hinblick auf einen fertigungstechnisch einfach durchführbaren Einbau der Heizfolie ist es bevorzugt, wenn die Steg-Faltachsen sowie die Segment-Faltachsen zueinander achsparallel ausgerichtet sind. Alternativ dazu können im ersten Ausführungsbeispiel sämtliche Steg-Faltachsen zueinander parallel ausgerichtet sein.
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Bevorzugt kann das Hochvoltbatteriesystem ein vom Heizsystem separates Kühlsystem aufweisen. Das Kühlsystem kann an der Bodenwand und/oder an der Deckwand der Batteriezellen thermisch angekoppelt sein.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung einen Zellstapel im Zusammenbauzustand;
- 2 eine Pouch-Batteriezelle in Alleinstellung;
- 3 eine im Zellstapel verbaubare Heizfolie in einem Vormontagezustand bzw. in einer Abwicklung;
- 4 und 5 Ansichten entsprechend der 1 und 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; sowie
- 6 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 4.
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In der 1 ist ein Hochvoltbatteriesystem angedeutet, in dessen Batteriegehäuse ein Zellstapel verbaut ist. Der Zellstapel weist eine Vielzahl von Pouchzellen 1 auf, die in einer Stapelrichtung S hintereinander angeordnet sind. Die Pouchzellen 1 sind in en 1, 4 und 6 stark schematisch dargestellt, während in der 2 eine konkrete Ausführungsvariante einer Pouchzelle 1 in Einzelansicht gezeigt ist. Demnach ist die Pouchzelle 1 in etwa quaderförmig aufgebaut. Die Pouchzelle 1 weist einander gegenüberliegende Flachseitenwände 3, schmale Boden- und Deckwände 5, 7 sowie Schmalseitenwände 9 auf. Von jeder der beiden Schmalseitenwände 9 ragt ein Ableiter 12 ab. In dem, in der 1 gezeigten Zellstapel sind die Batteriezellen 1 mit ihren einander zugewandten Flachseitenwänden 3 in der Stapelrichtung S hintereinander gestapelt. Die Bodenwände 5 der Pouchzellen 1 sind in einer (nur in der 4 angedeuteten Einbaulage) über eine Wärmeleitpaste 11 an einem Gehäuseboden 15 thermisch angekoppelt, der ein zum Beispiel kühlmitteldurchströmtes Kühlsystem 13 aufweist.
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Der Kern der Erfindung betrifft ein Heizsystem, das eine in einem elektrischen Heiz-Stromkreis 17 verschaltete Heizfolie 19 aufweist. Die Heizfolie 19 ist in der 3 in einem Vormontagezustand bzw. in einer Abwicklung dargestellt. Demzufolge weist die Heizfolie 19 einen Zweilagenaufbau aus einer Trägerfolie 21 und einer darauf applizierten Leiterbahn 29, 31 auf. Die Trägerfolie 21 ist in der 3 aus einer Anzahl von flächigen Trägerfolien-Segmenten 25 gebildet, die in einer Fertigungsrichtung F hintereinander angeordnet sind. Die Trägerfolien-Segmente 25 sind über schmale Verbindungsstege 27 miteinander verbunden. In jeder der Trägerfolien-Segmente 25 verläuft mäanderförmig eine Heizleiterbahn 29, während im Verbindungssteg 27 eine Verbindungs-Leiterbahn 31 verläuft, die die Heizleiterbahnen 29 benachbarter Trägerfolien-Segmente 21 miteinander elektrisch verbindet.
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In der Einbaulage (1) sind die Trägerfolien-Segmente 25 als Zwischenlagen zwischen den Batteriezellen 1 angeordnet. Demgegenüber sind die, die Trägerfolien-Segmente 25 verbindende Verbindungsstege 27 an der Außenseite des Zellstapels angeordnet. Jeder Verbindungsstege 27 ist über zwei Steg-Faltachsen F1 um jeweils 90° gefaltet, sodass der Verbindungssteg 27 eine Schmalseitenwand 9 der Pouchzelle 1 umgreift.
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Um eine Kollision des Verbindungsstegs 27 mit dem Ableiter 12 zu vermeiden, begrenzen in der 3 zwei benachbarte Trägerfolien-Segmente 25 sowie ein zwischengeordneter Verbindungssteg 27 einen Freigang 33, durch den in der Einbaulage (1) ein Ableiter 12 ragt.
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Wie aus der 1 hervorgeht, ist die Heizfolie 19 mäanderförmig um die Batteriezellen 1 des Zellstapels geführt, sodass die Trägerfolien-Segmente 25 jeweils rechtwinklig zur Stapelrichtung S ausgerichtet sind und die Verbindungsstege 27 in Flucht zur Stapelrichtung S ausgerichtet sind. Die Verbindungsstege 27 sind, in der Stapelrichtung S betrachtet, nach jeder Batteriezelle 1 abwechselnd an gegenüberliegenden Schmalseitenwänden 9 positioniert.
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In der 4 ist ein Zellstapel gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem ebenfalls eine Heizfolie 19 verbaut ist. Die Heizfolie 19 ist in der 5 in Abwicklung gezeigt. Demzufolge weist die Heizfolie 19 ebenfalls eine Anzahl von Trägerfolien-Segmenten 25 auf, die sich in einer Fertigungsrichtung F erstrecken. Die Trägerfolien-Segmente 25 sind über Verbindungsstege 27 miteinander verbunden. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß der 4 jedes Trägerfolien-Segment 25 unterteilt in einen Heizleiterbahn-Abschnitt 35 und in einen Schutz-Abschnitt 37. Diese gehen an einer Segment-Faltachse F2 ineinander über. Die Segment-Faltachsen F2 sind achsparallel zu den Steg-Faltachsen F1 ausgerichtet, wie es aus der 6 hervorgeht. In der 6 sind die Pouchzellen 1 über größere Spalte voneinander beabstandet gezeigt, damit die Faltungen der Heizfolie 19 besser ersichtlich sind-Tatsächlich sind die Pouchzellen 1 mit zwischengeordneter Heizfolie 19 in der Stapelrichtung S mit einer Vorspannkraft gegeneinander verspannt.
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Vor dem Einbau der Heizfolie 19 wird das Trägerfolien-Segment 25 an seiner Segment-Faltachse F2 auf Umschlag, das heißt um 180°, gefaltet. Auf diese Weise überdeckt der Schutz-Abschnitt 37 den Heizleiterbahn-Abschnitt 35 nach Art einer Schutzfolie, sodass die Heizleiterbahnen 29 vor Korrosion oder sonstigen äußeren mechanischen Einflüssen geschützt ist. Eine zusätzlich auf die Heizfolie 19 applizierte Schutzschicht ist daher nicht erforderlich.
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Im Unterschied zum Heizleiterbahn-Abschnitt 35 weist der Schutz-Abschnitt 37 keine Heizleiterbahnen 29 auf, sondern lediglich eine Verbindungs-Leiterbahn 31, die den Heizleiterbahn-Abschnitt 35 mit dem Verbindungssteg 27 elektrisch verbindet.
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Die Heizfolie 19 kann bevorzugt in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt werden. Hierzu wird zunächst die Trägerfolie als Vormaterial in einem Coil bereitgestellt. Das Coil wird in einer Abwickelstation abgewickelt und in der Fertigungsrichtung F durch eine Beschichtungsstation geführt. In der Beschichtungsstation werden die Leiterbahnen 29, 31 auf die Trägerfolie 21 aufgetragen. Gegebenenfalls wird zusätzlich eine Schutzfolie aufgetragen. Nach erfolgtem Beschichtungsprozess kann die Heizfolie 19 zum Beispiel in einem Stanzprozess aus der Endlosbahn zugeschnitten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 3
- Flachseitenwände
- 5
- Bodenwand
- 7
- Deckwand
- 9
- Schmalseitenwände
- 11
- Wärmeleitpaste
- 12
- Ableiter
- 13
- Kühlsystem
- 15
- Gehäuseboden
- 17
- Heizstrom-Stromkreis
- 18
- Schalter
- 19
- Heizfolie
- 21
- Trägerfolie
- 23
- Leiterbahn
- 25
- Trägerfolien-Segment
- 27
- Verbindungsstege
- 29
- Heiz-Leiterbahn
- 31
- Verbindungs-Leiterbahn
- 33
- Freigang
- 35
- Heizleiterbahn-Abschnitt
- 37
- Schutz-Abschnitt
- F1, F2
- Faltachsen
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018200581 A1 [0006]
- DE 102020003723 A1 [0006]
- DE 102018000421 A1 [0006]
