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Der
Gegenstand betrifft einen Kraftfahrzeugenergiespeicher sowie ein
Verfahren zum Kontaktieren eines Kraftfahrzeugenergiespeichers.
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Elektrische
Kraftfahrzeugenergiespeicher bekommen im Automobilbau zunehmend
eine größere Bedeutung.
Insbesondere im Hinblick auf die nahende Ablösung des Verbrennungsmotors
durch hybride Motoren oder Elektromotoren, ist der Anschluss von
Kraftfahrzeugenergiespeichern, beispielsweise Akkumulatoren, bspw.
Batterien oder auch sogenannten Super-Caps, Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten, von
immer höherer
Bedeutung. Insbesondere sind für
den Antrieb von Elektromotoren hohe Ströme notwendig. Hohe Ströme verursachen jedoch
an elektrischen Übergängen, beispielsweise Übergängen zwischen
verschiedenen Metallen, aufgrund der Übergangswiderstände hohe
Temperaturen. Die Verlustleistung in einem elektrischen Übergang
ist abhängig
von Quadrat des über
den Widerstand fließenden
Stromes. Aus diesem Grunde ist insbesondere für hybride Motoren als auch
für Elektromotoren
von entscheidender Bedeutung, möglichst
geringe Übergangswiderstände zu realisieren, um
somit möglichst
geringe Verlustleistung auf der Strecke zwischen Energiespeicher
und Motor zu verursachen.
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Die
Verbindung von Energiespeichern, beispielsweise Batterien, wie beispielsweise
Lithium-Ionen-Batterien, erfolg herkömmlicherweise über Kupferkontakte.
Diese werden mit den Batterien verschraubt und über Kupferleitungen wird der Elektromotor
mit den Batterien verbunden. Kupfer ist jedoch nachteilig sowohl
im Hinblick auf sein Gewicht, als auch im Hinblick auf die Kosten.
Aus diesem Grunde hat sich im modernen Automobilbau die Erkenntnis durchgesetzt,
Energieleiter aus Aluminium zu bilden. Die Verwendung von Aluminium
ist jedoch dahingehend problematisch, dass eine elektrische Kontaktierung
mit anderen Metallen oder auch mit Aluminium selber aufgrund einer
sich auf dem Aluminium bildenden Aluminiumoxidschicht stets durch
hohe Übergangswiderstände gekennzeichnet
ist. Es gibt verschiedenste Überlegungen,
diese Übergangswiderstände zu reduzieren.
Im Bereich der Kontaktierung von Kraftfahrzeugenergiespeichern wird
jedoch bisher auf die herkömmliche
Verschraubungstechnik gesetzt, so dass Aluminium von vornherein
als ungeeignet erscheint.
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Aus
diesem Grunde lag dem Gegenstand die Aufgabe zugrunde, einen Kraftfahrzeugenergiespeicher
als auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugenergiespeichers
zur Verfügung
zu stellen, welches die Verbindung von Aluminiumleitungen mit Akkumulatoren
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gemäß eines
Aspekts durch einen Kraftfahrzeugenergieleiter mit zumindest einem
einen Anschlussstutzen aufweisenden Akkumulator, und einem mit dem
Anschlussstutzen elektrisch verbundenen Anschlussteil, wobei das
Anschlussteil aus Aluminium oder Legierung davon gebildet ist, gelöst. Um einen
geringen Übergangswiderstand
zu ermöglichen,
wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil mit den Anschlussstutzen
stoffschlüssig
verbunden ist. Bei der stoffschlüssigen
Verbindung des Anschlussteiles mit dem Anschlussstutzen wird die
Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des aus Aluminium gebildeten
Anschlussteiles aufgebrochen und ein geringer Übergangswiderstand wird realisiert.
Eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen Anschlussteil und Anschlussstutzen kann beispielsweise
durch die Verwendung eines Reibschweißverfahrens bzw. eines Ultraschallschweißens realisiert
werden. Sowohl beim Reibschweißen als
auch beim Ultraschallschweißen
wird die Schweißenergie
sehr konzentriert lediglich am Schweißpunkt eingetragen. Es kommt
nicht zu den sonst beim Schweißen üblichen
hohen Temperaturen in unmittelbarer Umgebung zum Schweißpunkt.
Aus diesem Grunde eignet sich insbesondere das Reibschweißen als
auch das Ultraschallschweißen
zum Kontaktieren des Akkumulators, da dieser in der Regel hitzeempfindlich
ist. Herkömmliche
Schweißverfahren sind
gänzlich
ungeeignet, da diese aufgrund der hohen Temperaturen den Akkumulator
zerstören
können.
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Der
Anschlussstutzen des Akkumulators kann beispielsweise aus Kupfer
gebildet sein. Auch ist es möglich,
dass der Anschlussstutzen mit einem gut leitfähigen Material oberflächenbeschichtet
ist. Dies kann beispielsweise Messing oder Chrom sein. An diesen
Anschlussstutzen kann das Anschlussteil gegenständlich mittels kraftschlüssiger Verbindung angeschlossen
werden, so dass ein geringer Übergangswiderstand
zwischen Anschlussteil und Anschlussstutzen realisiert wird.
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Es
wird vorgeschlagen, dass der Anschlussstutzen aus einem Nichteisenmetall
gebildet ist. Beispielsweise kann der Anschlussstutzen aus Kupfer, Zinn,
Zink, oder Legierungen davon, beispielsweise Chrom, Messing oder
dergleichen sein.
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Gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil L-förmig ist. Ein L-förmiges Anschlussteil lässt sich beispielsweise
an einem Schenkel mit dem Anschlussstutzen stoffschlüssig verbinden
und ermöglicht
an dem zweiten Schenkel eine Kontaktierung mit einem Energieleiter,
der beispielsweise zu einem Motor geführt ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil ein Flachteil ist. Insbesondere
eignen sich aus Aluminium hergestellte Flachteile. Diese können beispielsweise
aus von einem Coil abgewickeltem Band oder einem Blech gestanzt
sein. Die Flachteile eignen sich gut für Verbindungen mittels Ultraschallschweißen als
auch mittels Reibschweißen,
da diese einfach in das Schweißwerkzeug
eingespannt werden können.
Auch eignen sich Flachteile gut für die Massenproduktion, da
diese als Schüttgut
ohne Weiteres an das Schweißwerkzeug
herangeführt
werden können.
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Zur
Kontaktierung des Anschlussteiles mit einem elektrischen Leiter
wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil zumindest einen Anschlussbolzen aufweist.
Der Anschlussbolzen kann beispielsweise auf dem zweiten Schenkel
des Anschlussteiles ebenfalls stoffschlüssig verbunden sein. Es beispielsweise möglich, dass
der Anschlussbolzen ebenfalls mittels Reibschweißen oder Ultraschallscheißen auf
dem Schenkel des Anschlussteiles angebracht wird. Sowohl der Anschlussbolzen
als auch das Anschlussteil kann aus Aluminium geformt sein. Beim
Reibschweißen
wird die Aluminiumoxidschicht aufgebrochen und es entsteht eine
stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem Anschlussteil und dem Anschlussbolzen.
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Für eine gute
elektrische Kontaktierung mit einem elektrischen Leiter, der beispielsweise
auch angeschraubt werden kann, wird vorgeschlagen, dass zumindest
eine Mantelfläche
des Anschlussbolzens Nichteisenmetall aufweist. Beispielsweise ist
es möglich,
dass entweder die Mantelfläche
mit Nichteisenmetall beschichtet ist, oder der Anschlussbolzen gänzlich aus
Nichteisenmetall gebildet ist. Der Anschlussbolzen kann mittels
Kupfer beschichtet sein oder aus einem Vollmaterial aus Kupfer gebildet
sein. Andere Materialien neben Kupfer sind ebenfalls möglich.
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Um
die für
hybride Antriebe eingesetzten Elektromotoren oder Antriebe nur mit
Elektromotoren notwendige Leistung zur Verfügung zu stellen, insbesondere
bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien, als auch bei der
Verwendung von anderen Batterien oder Super-Caps, ist es notwendig,
eine Mehrzahl von Akkumulatoren parallel und/oder in Reihe zu schalten.
Hierzu ist es notwendig, dass die Anschlussstutzen der verschiedenen
Akkumulatoren elektrisch miteinander verbunden werden. Eine elektrische
Verbindung der Anschlussstutzen miteinander wird gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
dadurch gewährleistet,
dass zumindest zwei Akkumulatoren über ihre Anschlussteile und
eine Verbindungsleitung elektrisch miteinander verbunden sind. Die
Verbindungsleitung dient zum elektrischen Kontaktieren der Anschlussstutzen
mittels der Anschlussteile zumindest zweier Akkumulatoren. Um ein
geringes Gewicht eines solchen Akkupacks, gebildet aus einer Mehrzahl
von Akkumulatoren, realisieren zu können, wird vorgeschlagen, dass
die Verbindungsleitungen aus Aluminium gebildet ist.
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Eine
steife Verbindung der Akkumulatoren untereinander, welche für eine vibrationsarme
Realisierung des Akkupacks notwendig ist, wird beispielsweise dadurch
erreicht, dass die Verbindungsleitung eine Verbindungsschiene ist.
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Zur
Kontaktierung der Verbindungsleitung mit den Anschlussbolzen des
Anschlussteiles wird vorgeschlagen, dass die Verbindungsleitung
eine Aufnahme für
jeweils einen Anschlussbolzen aufweist.
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Gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
kann die Aufnahme eine Hülse
sein. Eine solche Hülse
ist insbesondere dafür
geeignet, auf den Anschlussbolzen aufgeschoben zu werden. Die Hülse kann
auf nur einer Seite eine Öffnung
haben. Dadurch wird eine lösbare
Verbindung zwischen Verbindungsleitung und Akkumulator realisiert.
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Wie
bereits zuvor erläutert,
ist die Kontaktierung von Aluminium problematisch aufgrund der Aluminiumoxidschicht
auf der Oberfläche
des Aluminiums. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, dass die Hülse zumindest
auf einer Innenfläche
aus Nichteisenmetall gebildet ist. Insbesondere kann die Hülse aus
Aluminium gebildet sein, und die Innenfläche mit einem Nichteisenmetall
beschichtet sein. Auch ist es möglich,
dass die Hülse
gänzlich
aus Nichteisenmetall gebildet ist. Die Hülse, die beispielsweise zylindrisch
ist, kann dabei aus Kupfer gebildet sein oder mit Kupfer beschichtet
sein. Andere Metalle sind ebenfalls möglich.
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Wie
bereits zuvor erläutert,
eignet sich die Hülse
insbesondere dafür,
die Aufnahme lösbar
mit den Anschlusbolzen verbindbar zu machen. Bei einer lösbaren Verbindung
ist es möglich,
und Verbindungsleitung von den Akkumulatoren zu trennen, und einzelne
Akkumulatoren auszutauschen, beispielsweise bei Fehlfunktionen,
ohne den gesamten Akkupack austauschen zu müssen.
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Auch
wird vorgeschlagen, dass die Hülse
innenliegende Federelemente aufweist, wobei die Federelemente derart
geformt sind, dass diese den Anschlussbolzen in der Hülse aufnehmen.
Federelemente können
beispielsweise Lamellen sein, die wellenförmig entlang der Längsachse
auf der Mantelfläche
der Hülse
angeordnet sind. Der Anschlussbolzen kann dann in die Hülse eingeschoben
werden und mittels der Federelemente fest in der Hülse gehalten werden.
Diese Verbindung ist lösbar,
jedoch ist ein gewisser Kraftaufwand notwendig, um den Anschlussbolzen
aus der Hülse
herauszuziehen.
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Gemäß eines
weiteren Gegenstandes wird ein Verfahren zum Kontaktieren von Kraftfahrzeugenergiespeichern
vorgeschlagen, bei dem zumindest ein Anschlussstutzen zumindest
eines Akkumulators elektrisch mit einem aus Aluminium gebildeten
Anschlussteil verbunden wird, derart, dass das Anschlussteil mit
den Anschlussstutzen stoffschlüssig verbunden
ist.
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Es
wird auch vorgeschlagen, dass die stoffschlüssige Verbindung mittels Reibschweißen hergestellt
wird.
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Nachfolgend
wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
erste Ansicht eines Akkumulators mit einem Anschlussstutzen und
einem Anschlussteil;
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2 eine
Verbindungsleitung;
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3 eine
Ansicht von zwei Akkumulatoren, welche mit einer Verbindungsleitung
verbunden werden können;
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4 eine
Ansicht von zwei Akkumulatoren, welche mit einer Verbindungsleitung
verbunden sind.
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Die 1 zeigt
einen Kraftfahrzeugenergiespeicher 2 mit einem Akkumulator 4.
Der Akkumulator 4 weist einen Anschlussstutzen 6 auf.
An dem Anschlussstutzen 6 ist ein Anschlussteil 8 mit
einem Anschlussbolzen 10 angeordnet.
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Der
Akkumulator 4 kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Auch
ist es möglich,
dass der Akkumulator 4 eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine
Lithium-Polymer-Batterie, ein Super-Cap oder ein sonstiger Energiespeicher
ist. An dem Akkumulator 4 ist ein Anschlussstutzen 6 angeordnet.
Der Anschlussstutzen 6 verbindet die in dem Akkumulator 4 angeordneten
Energiespeicher elektrisch mit dem Anschlussteil 8. Der
Anschlussstutzen 6 kann dabei aus Kupfer gebildet sein.
Auch ist es möglich,
dass der Anschlussstutzen 6 mit einem Metall oder einer Legierung
beschichtet ist, beispielsweise Messing. In der 1 ist
nur ein Pol des Akkumulators 4 mit dem Anschlussstutzen 6 dargestellt,
jedoch kann auch ein zweiter Pol des Akkumulators 4 mit
einer Anschlussleitung verbunden sein, beispielsweise ebenfalls über ein
Anschlussstutzen. Lediglich zur besseren Darstellbarkeit ist ein
einzelner Anschlussstutzen 6 dargestellt.
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Das
Anschlussteil 8 ist aus Aluminium gebildet. Das Anschlussteil 8 kann
aus einem Flachteil, beispielsweise einem Blech oder von einem Coil
abgewickelten Band gestanzt werden, wobei während es Stanzprozesses die
L-förmige
Struktur des Anschlussteils 8 bereits geformt werden kann.
Ein Schenkel des Anschlussteils 8 wird stoffschlüssig mit dem
Anschlussstutzen 6 verbunden. Hierbei kann beispielsweise
ein Reibschweißwerkzeug
oder ein Ultraschallschweißwerkzeug
das Anschlussteil 8 greifen und auf den Anschlussstutzen 6 pressen.
Anschließend
wird mittels Ultraschall bzw. mittels Reibbewegungen die Kontaktstelle
zwischen Anschlussstutzen und Anschlussteil derart erhitzt, dass
die Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Anschlussteils 8 aufgebrochen
wird, und eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen Anschlussteil 8 und Anschlussstutzen 6 entsteht. Über diese
Verbindung kann ein Strom mit einem geringen Übergangswiderstand fließen.
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Vor
dem Verbinden des Anschlussteils 8 an den Anschlussstutzen 6,
oder auch nachträglich, kann
der Anschlussbolzen 10 auf das Anschlussteil 8 aufgebracht
werden. Der Anschlussbolzen 10 kann beispielsweise aus
Kupfer sein. Auch ist es möglich, dass
der Anschlussbolzen 10 aus Aluminium gebildet ist und lediglich
mit Kupfer beschichtet ist. Andere Nichteisenmetalle sind ebenfalls
als Material für
den Anschlussbolzen 10 möglich. Der Anschlussbolzen 10 wird
mittels Reibschweißen
bzw. Ultraschallschweißen
auf dem Anschlussteil 8 aufgebracht, so dass die Aluminiumoxidschicht
auf der Oberfläche des
Anschlussteiles aufgebrochen wird und ein geringer Übergangswiderstand
zwischen Anschlussteil 8 und Anschlussbolzen 10 entsteht.
Mittels des Anschlussbolzens 10 kann der Akkumulator 4 mit
einem elektrischen Leiter verbunden werden. Beispielsweise können hier
Verschraubungen zum Einsatz kommen.
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Um
einen Akkupack, der beispielsweise aus mehreren parallel und/oder
in Serie geschalteten Akkumulatoren 4 gebildet ist, herzustellen,
wird vorgeschlagen, mehrere Akkumulatoren 4 mittels Anschlussleitungen
zu verbinden. Eine solche Anschlussleitung ist in der 2 dargestellt.
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In
der 2 ist eine als Flachteil gebildete Anschlussleitung 12 dargestellt.
Die Anschlussleitung 12 kann ebenfalls aus Aluminium gebildet
sein. Die Anschlussleitung 12 kann beispielsweise aus einem
Blech gestanzt sein oder von einem Coil abgewickelten Band gestanzt
werden. Der Querschnitt der Verbindungsleitung 12 ist derart
gewählt,
dass ein Stromfluss über
die Verbindungsleitung 12 gewährleistet ist, ohne dass diese
sich maßgeblich
aufheizt.
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An
der Verbindungsleitung 12 sind Hülsen 14 angeordnet.
Die Hülsen 14 können aus
Aluminium gebildet sein und eine Innenfläche 16 der Hülsen 14 kann
mittels Nichteisenmetall, beispielsweise Kupfer, beschichtet sein.
Auch ist es möglich,
dass die Hülsen 14 aus
Kupfer oder Nichteisenmetall gebildet sind. Die Hülsen 14 sind
vorzugsweise zylinderförmig.
Der Innendurchmesser der Hülsen 14 ist
vorzugsweise dem Außendurchmesser
des Anschlussbolzens 10 angepasst.
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Im
Inneren der Hülsen 14 können sich
Federelemente 18 befinden. Die Federelemente 18 dienen der
besseren Kontaktierung der Hülse 14 mit
dem Anschlussbolzen 10. Außerdem ist es mittels der Felderelemente 18 möglich, die Verbindungsfestigkeit zwischen
der Hülse 14 und
dem Anschlussbolzen 10 zu erhöhen, so dass ein erhöhter Kraftaufwand
notwendig ist, um die Verbindungsleitung 12 mittels der Hülsen 14 von
den Kontakten 10 zu lösen.
Die Verbindung zwischen Hülse 10 und
Anschlussbolzen 14 ist lösbar.
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3 zeigt
die Verbindung zweier Akkumulatoren 4 mittels der Verbindungsleitung 12.
In der in 3 dargestellten Anordnung befindet
sich die Verbindungsleitung 12 unmittelbar oberhalb der
Anschlussbolzen 10. Mit der Verbindungsleitung 12 ist es
somit möglich,
eine Mehrzahl von Akkumulatoren 4 miteinander zu verbinden.
Die Verbindungsleitung 12 ist in den in 2, 3,
und 4 dargestellten Varianten lediglich mit zwei Hülsen 14 ausgestattet. Es
ist jedoch möglich,
dass die Verbindungsleitung 12 mehr als zwei Hülsen 14 aufweist.
Auch ist es möglich,
dass die Verbindungsleitung 12 räumlich ausgedehnt ist, so dass
ein Feld von mehreren nebeneinander angeordneten Akkumulatoren 4 mittels der
Verbindungsleitung 12 verbunden werden können. Zum
elektrischen Kontaktieren der Akkumulatoren 4 miteinander,
wird die Verbindungsleitung 12 in Richtung 20 bewegt,
wodurch die Hülsen 14 auf
die Anschlussbolzen 10 aufgeschoben werden.
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In 4 ist
der Zustand dargestellt, in dem die Verbindungsleitung 12 in
vollständigem
Kontakt mit dem Anschlussbolzen 10 ist. Die Hülsen 14 sind vollständig über die
Anschlussbolzen 10 gestülpt. Mittels
der Federelemente 18 ist ein guter mechanischer Kontakt
zwischen Hülse 14 und
Anschlussbolzen 10 gewährleistet.
Die Akkumulatoren 4 sind über Anschlussstutzen 6,
Anschlussteil 8, Anschlussbolzen 10, Hülse 14 und
Verbindungsleitung 12 elektrisch miteinander verbunden.
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Durch
die stoffschlüssige
Verbindung des Anschlussstutzens 6 mit dem Anschlussteil 8 sowie die
stoffschlüssige
Verbindung zwischen Anschlussteil 8 und Anschlussbolzen 10,
beispielsweise mittels Reibschweißen bzw. Ultraschallschweißen, wird
ein geringer Übergangswiderstand
bei der Kontaktierung der Akkumulatoren 4 ermöglicht.
Hierdurch werden Verlustleistungen reduziert.