DE102008059966B4 - Batterie mit mehreren in einem Zellenverbund angeordneten Batteriezellen und Verwendung einer Batterie - Google Patents

Batterie mit mehreren in einem Zellenverbund angeordneten Batteriezellen und Verwendung einer Batterie Download PDF

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Abstract

Batterie (1) mit mehreren in einem Zellenverbund angeordneten Batteriezellen (2), einer Kühlvorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen (2) und elektrischen Bauelementen zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine am Zellenverbund angeordnete Kühlplatte (3) aufweist, welche in ihrem Inneren einen Kühlkanal aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, dass am Zellenverbund eine Andruckplatte (5) zum Andrücken der Batteriezellen (2) an die Kühlplatte (3) angeordnet ist, wobei die Andruckplatte (5) wenigstens eines der elektrischen Bauelemente enthält und dass Zellenverbund und die Kühlplatte (3) durch um sie herum geführte Spannelemente (8) aneinander gepresst sind, wobei die Spannelemente (8) elastische Mittel (8.1, 8.2) enthalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren in einem Zellenverbund angeordneten Batteriezellen, einer Kühlvorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen und elektrischen Bauelementen zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen.
  • Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder in Elektrofahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf.
  • Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine indirekte Kühlung, durch einen Kühlmittelkreislauf oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
  • Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf ist am Zellenblock der Batterie eine von Kühlmittel durchströmte metallische Kühlplatte angeordnet, vorzugsweise unterhalb der Batteriezellen.
  • Von den Batteriezellen zur Kühlplatte wird die Verlustwärme entweder über separate Wärmeleitelemente, z. B. Wärmeleitstäbe oder -bleche, oder über entsprechend aufgedickte Zellgehäusewände der Batteriezellen geleitet.
  • Häufig sind die Zellgehäuse der Batteriezellen metallisch ausgeführt und es liegt an ihnen eine elektrische Spannung an. Zur Verhinderung von Kurzschlüssen wird die Kühlplatte von den Zellgehäusen dann durch eine elektrische Isolation, beispielsweise eine
  • Wärmeleitfolie, einen Formkörper, eine Vergussmasse oder eine auf die Kühlplatte aufgebrachte Beschichtung oder Folie, getrennt.
  • Es sind bereits verschiedene derartige Batterien bekannt. Beispielsweise sind Batterien bekannt, deren Batteriezellen als so genannte Flachzellen ausgebildet sind, die im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und stapelartig hintereinander auf einer Kühlplatte angeordnet sind. Die Batteriezellen werden dabei durch eine Spanneinrichtung, beispielsweise durch eine separate Spannplatte und/oder durch Spannbänder, an die Kühlplatte gepresst.
  • Weiterhin sind Batterien bekannt, die elektrische Bauelemente zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen, beispielsweise der Zellspannungen oder Zelltemperaturen, aufweisen. Derartige elektrische Bauelemente sind oft in einer gemeinsamen elektronischen Baugruppe zusammengefasst.
  • Eine Batterie mit mehreren als Flachzellen ausgebildeten Batteriezellen, einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Batteriezellen und einer elektronischen Baugruppe zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen ist aus US 2005/0089750 A1 bekannt.
  • Batterien mit Flachzellen und einer elektronischen Baugruppe zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen sind ferner aus US 6797018 B2 und US 6956355 B2 bekannt.
  • In der DE 198 10 746 A1 wird eine Platine mit einer Schaltung zur Überwachung einer mehrzelligen Akkumulatorenbatterie vorgeschlagen, deren Zellen und Polanschlüsse sich in einer Ebene befinden. Die Platine besitzt durch Einschnitte getrennte Segmente, die den einzelnen Zellen zugeordnet und mit deren Polanschlüssen verbunden sind. Auf den Segmenten der Platine befinden sich Abgriffe für die Temperatur und die Spannung der Zelle und mindestens ein Segment besitzt Datenleitungen zu gemeinsamen Ein- und Ausgängen eines Datenbusses.
  • Nach DE 10 2006 030 605 A1 ist eine Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel bekannt, der zumindest teilweise von einem thermisch isolierenden Material umgeben ist und auf den mittels einer Verspanneinrichtung Kräfte aufgebracht werden, wobei die Verspanneinrichtung eine elastische Manschette ist.
  • Ferner ist in US 6040072 A eine Anordnung zum Verspannen von Batteriezellen bekannt, bei der eine Mehrzahl von Komponenten mit Hilfe von Bändern oder Gurten gespannt wird, wobei die Bänder oder Gurte mit einem metallischen Glied verbunden sind. Die Anordnung kann auch eine Einrichtung zum Einstellen einer definierten Spannkraft mittels Schrauben enthalten.
  • Aus DE 198 10 746 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie bekannt, die aus mehreren prismatischen Zellen besteht, welche durch Glasfasermatten, Seitenplatten und Honigwabenplatten zusammengefasst werden. Die Anordnung enthält eine Platine mit einer Schaltung zur Überwachung einer mehrzeiligen Akkumulatorenbatterie. Auf Segmenten der Platine befinden sich Abgriffe für die Temperatur und die Spannung der Zellen sowie auf mindestens einem Segment Datenleitungen zu gemeinsamen Ein- uns Ausgängen eines Datenbusses. Die Anordnung enthält eine Elektronik zur Überwachung und Steuerung der Ladung der Zellen, wozu auch die Temperatur gemessen wird.
  • Ferner ist aus DE 10 2006 042 109 A1 eine Spannvorrichtung für ein Gehäuse zum Aufnehmen eines Brennstoffzellenstapels bekannt, bei der zum Verspannen von zwei Gehäusehälften Federklappspanner verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterie mit mehreren Batteriezellen, einer Kühlvorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen und elektrischen Bauelementen zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere einen Zellenverbund bildende Batteriezellen, eine Kühlvorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen und elektrische Bauelemente zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen auf. Die Kühlvorrichtung umfasst eine am Zellenverbund angeordnete Kühlplatte und am Zellenverbund ist eine Andruckplatte zum Andrücken der Batteriezellen an die Kühlplatte angeordnet. Dabei weist die Andruckplatte wenigstens eines der elektrischen Bauelemente auf. Zellenverbund und Kühlplatte sind durch um sie herum geführte Spannelemente aneinander gepresst, wobei die Spannelemente elastische Mittel enthalten.
  • Die Verwendung einer Kühlplatte ist vorteilhaft, da eine Kühlplatte eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen ist. Durch die Integration elektrischer Bauelemente der Batterie in die Andruckplatte wird die Andruckplatte gleichzeitig zum Andrücken der Kühlplatte an die Batteriezellen und als Träger für elektrische Bauelemente der Batterie verwendet. Dadurch werden vorteilhaft Bauraum und Herstellungskosten der Batterie eingespart. Durch die Verwendung von Spannelementen mit elastischen Mitteln können Ausdehnungen der Zellen, welche durch thermische Einflüsse oder durch Innendruckveränderungen hervorgerufen werden können, ausgeglichen werden, ohne dass die Spannungen im Zellblock kritische Werte überschreiten oder der erforderliche Anpressdruck der Zellen untereinander oder zur Kühlplatte verloren geht.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Spannelemente selbst elastisch ausgebildet sind. Damit kann eine sichere Verbindung mit hoher Lebensdauer erreicht werden. Die Batteriezellen werden mit konstanter Kraft an die Kühlplatte gepresst, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte ermöglicht wird.
  • Dabei ist es möglich, dass die Spannelemente als Spannbänder mit Zugfedern ausgebildet sind, oder dass die Spannelemente als wellenförmiges Band ausgeführt sind. Diese Ausführung kann kostengünstig mit einfachen Mitteln hergestellt werden.
  • Vorteilhaft ist es, jeweils eine Zugfeder oberhalb der Andruckplatte, unterhalb der Kühlplatte sowie an einer Außenseite der vorderen Polplatte und an einer Außenseite der hinteren Polplatte anzuordnen. Damit wird eine definierte Anpresskraft sowohl in Längsrichtung wie auch in dazu senkrechter Richtung gewährleistet.
  • Ferner ist es möglich, dass die Spannelemente als Spannbänder ausgeführt sind, und dass zwischen den Spannbändern und den von ihnen umschlossenen Bauteilen sich ein elastisches Element befindet. Diese Gestaltung gewährleistet eine gleichmäßige Lastverteilung.
  • Hierbei wird ebenfalls eine vorteilhafte Ausführung dadurch geschaffen, dass jeweils ein elastisches Element oberhalb der Andruckplatte, unterhalb der Kühlplatte sowie an einer Außenseite der vorderen Polplatte und an einer Außenseite der hinteren Polplatte angeordnet wird, um eine definierte Anpresskraft sowohl in Längsrichtung wie auch in dazu senkrechter Richtung zu gewährleisten.
  • Vorteilhaft bestehen die Spannbänder aus Metall oder Kunststoff. Diese Materialien sind kostengünstig und ermöglichen eine hohe Lebensdauer.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Andruckplatte oberhalb der Batteriezellen und die Kühlplatte unterhalb der Batteriezellen angeordnet.
  • Dadurch sind die Andruckplatte, die Batteriezellen und die Kühlplatte geometrisch einfach zueinander angeordnet, woraus eine kostengünstige Herstellung und Montage der Batterie resultiert.
  • Durch die Anordnung einer Wärmeleitplatte zwischen Batteriezellen und Kühlplatte kann die Kühlwirkung weiter verbessert werden.
  • Elektrische Bauelemente auf der Andruckplatte sind bevorzugt ein Zellspannungsausgleichselement zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände von Batteriezellen und/oder ein Zellspannungsüberwachungselement.
  • Diese bekannten Bauelemente verbessern vorteilhaft die Funktionalität der Batterie.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Batteriezellen jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse auf und sind stapelartig entlang einer Batterielängsachse hintereinander angeordnet.
  • Dies ermöglicht eine besonders kompakte und somit Bauraum sparende Bauform der Batterie.
  • Eine Ausgestaltung der Batterie mit quaderförmigen Batteriezellen sieht ferner bevorzugt vor, dass die Batterie eine vordere und eine hintere Polplatte aufweist, die den Zellenverbund jeweils an einem vorderen und einem hinteren Ende abschließen. Die vordere und die hintere Polplatte bilden dabei jeweils einen Pol der Batterie.
  • Auf diese Weise können die Batteriezellen mittels der Polplatten in einer Längsrichtung des Zellenverbundes aneinander gepresst und außerdem in ihrer Position fixiert werden und die Polplatten können vorteilhaft auch als elektrische Anschlüsse der Batterie verwendet werden.
  • Die vordere und die hintere Polplatte weisen außerdem bevorzugt jeweils wenigstens eine Befestigungsnase auf, die parallel zu der Andruckplatte von der Polplatte abgewinkelt ist und kraftschlüssig an der Andruckplatte anliegt.
  • Dadurch kann die Andruckplatte vorteilhaft zusätzlich zur Positionierung der Polplatten verwendet werden.
  • Eine erfindungsgemäße Batterie ist insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei das Kraftfahrzeug insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines federelastisch verspannten Zellblocks aus Rahmenflachzellen,
  • 2 eine Batterie mit als Rahmenflachzellen ausgebildeten Batteriezellen, bei der zwischen der den Zellblock umlaufenden Spanneinrichtung und dem Zellblock ein elastisches Element eingelegt ist,
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines federelastisch verspannten Zellblocks aus Rahmenflachzellen und
  • 4 eine Explosionsdarstellung eines federelastisch verspannten Zellblocks aus Rahmenflachzellen.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Batterie 1 mit mehreren einen Zellenverbund bildenden Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel als so genannte Rahmenflachzellen mit einem schmalen, im Wesentlichen quaderförmigen Zellgehäuse ausgebildet. Die Batteriezellen 2 sind planparallel hintereinander angeordnet und je nach Anwendung parallel oder/und seriell miteinander elektrisch verschaltbar.
  • Unter den Batteriezellen 2 ist eine Kühlplatte 3 zum Temperieren der Batteriezellen 2 angeordnet. Die Kühlplatte 3 weist in ihrem Inneren einen Kühlkanal, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, auf. Zwischen der Kühlplatte 3 und den Bodenflächen der Batteriezellen 2 ist eine Wärmeleitfolie 4 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet, die die Kühlplatte 3 von den Batteriezellen 2 elektrisch isoliert. Über den Batteriezellen 2 ist eine Andruckplatte 5 angeordnet. Die Andruckplatte 5 ist als Leiterplatte aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, vorzugsweise aus Kunststoff mit einer optionalen Glasfaserverstärkung, ausgebildet und trägt elektrische Bauelemente zur Überwachung und/oder Steuerung der Batteriefunktionen sowie Leiterbahnen, die jeweils nicht dargestellt sind. Derartige elektrische Bauelemente sind beispielsweise Zellspannungsüberwachungselemente und/oder Zellspannungsausgleichselemente zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungsstände von Batteriezellen, welche beispielsweise auf der Leiterplatte in Form von Mikrochips vorliegen, und/oder Temperatursensoren zur Überwachung einer Temperatur der Batteriezellen 2.
  • An einem vorderen Ende des Zellenverbundes befindet sich eine vordere Polplatte 6 und an einem hinteren Ende des Zellenverbundes ist eine hintere Polplatte 7 angeordnet. Die Polplatten 6 und 7 bilden jeweils einen Pol der Batterie 1 und weisen jeweils eine über die Andruckplatte 5 hinaus ragende fahnenartige Verlängerung 6.1, 7.1 auf, welche jeweils einen Polkontakt der Batterie 1 bildet.
  • Ferner weisen die Polplatten 6 und 7 jeweils zwei Befestigungsnasen 6.2, 7.2 auf, die parallel zu der Andruckplatte 5 von der jeweiligen Polplatte 6, 7 abgewinkelt sind und auf der Andruckplatte 5 anliegen. Die Andruckplatte 5, die Batteriezellen 2 und die Kühlplatte 3 sind durch zwei als Spannbänder ausgebildete Spannelemente 8 aneinander gepresst, die jeweils um die Andruckplatte 5, die Polplatten 6, 7 und die Kühlplatte 3 herum geführt sind, wobei die Spannelemente 8 elastische Mittel enthalten. Im hier dargestellten Beispiel sind die Spannelemente 8 elastisch ausgebildet. Zu diesem Zweck bestehen die Spannelemente 8 aus Spannbändern, an denen Zugfedern 8.1 angeordnet sind. Es ist auch möglich, dass die Spannelemente 8 als wellenförmige Spannbänder ausgebildet sind. Die Einleitung der Kräfte in den Zellblock erfolgt in axialer Richtung über die vordere Polplatte 6 und die hintere Polplatte 7. In der dazu senkrechten Richtung wird die Kraft unten über die Kühlplatte 3 und oben über die Andruckplatte 5 eingeleitet. Als Material für die Spannbänder ist Metall oder Kunststoff, vorzugsweise mit Glasfaser-, Kevlar- oder Metallarmierung gut geeignet.
  • In 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zwischen der den Zellblock umlaufenden Spanneinrichtung und dem Zellblock sich elastische Elemente 8.2 befinden. Als elastische Elemente 8.2 können Schaumstoffmatten oder Wellblechfedern verwendet werden. Das Spannband umläuft den Zellblock und gewährleistet eine gleich bleibende Anpresskraft in axialer Richtung sowie in Richtung der Hochachse.
  • Die 3 und 4 zeigen eine Batterie 1. Dabei zeigt 3 die Batterie 1 in einer perspektivische Darstellung und 4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batterie 1.
  • Die Kühlplatte 3 weist in ihrem Inneren einen Kühlkanal, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, sowie zwei Kühlmittelanschlüsse 3.1 zum Zu- und Abführen des Kühlmittels auf. Über die Kühlmittelanschlüsse 3.1 ist die Kühlplatte 3 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf anschließbar, über den von dem Kühlmittel aufgenommene Abwärme aus der Batterie 1 abführbar ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Batteriezelle
    3
    Kühlplatte
    3.1
    Kühlmittelanschluss
    4
    Wärmeleitfolie
    5
    Andruckplatte
    6
    vordere Polplatte
    7
    hintere Polplatte
    6.1, 7.1
    fahnenartige Verlängerung
    6.2, 7.2
    Befestigungsnase
    8
    Spannelement
    8.1
    Zugfeder
    8.2
    elastisches Element

Claims (16)

  1. Batterie (1) mit mehreren in einem Zellenverbund angeordneten Batteriezellen (2), einer Kühlvorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen (2) und elektrischen Bauelementen zur Überwachung und/oder Steuerung von Batteriefunktionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine am Zellenverbund angeordnete Kühlplatte (3) aufweist, welche in ihrem Inneren einen Kühlkanal aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, dass am Zellenverbund eine Andruckplatte (5) zum Andrücken der Batteriezellen (2) an die Kühlplatte (3) angeordnet ist, wobei die Andruckplatte (5) wenigstens eines der elektrischen Bauelemente enthält und dass Zellenverbund und die Kühlplatte (3) durch um sie herum geführte Spannelemente (8) aneinander gepresst sind, wobei die Spannelemente (8) elastische Mittel (8.1, 8.2) enthalten.
  2. Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (8) elastisch ausgebildet sind.
  3. Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (8) als Spannbänder mit Zugfedern (8.1) ausgebildet sind.
  4. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckplatte (5) oberhalb der Batteriezellen (2) angeordnet ist und dass die Kühlplatte (3) unterhalb der Batteriezellen (2) angeordnet ist.
  5. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenverbund durch eine vordere Polplatte (6) und eine hintere Polplatte (7) jeweils an einem vorderen und einem hinteren Ende abgeschlossen wird, wobei die vordere Polplatte (6) und die hintere Polplatte (7) jeweils einen Pol der Batterie (1) bilden.
  6. Batterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass jeweils eine Zugfeder (8.1) oberhalb der Andruckplatte (5), unterhalb der Kühlplatte (3) sowie an einer Außenseite der vorderen Polplatte (6) und an einer Außenseite der hinteren Polplatte (7) angeordnet ist.
  7. Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (8) als wellenförmige Spannbänder ausgebildet sind.
  8. Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (8) als Spannbänder ausgeführt sind und zwischen den Spannbändern und den von ihnen umschlossenen Bauteilen mindestens ein elastisches Element (8.2) angeordnet ist.
  9. Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein elastisches Element (8.2) oberhalb der Andruckplatte (5), unterhalb der Kühlplatte (3) sowie an einer Außenseite der vorderen Polplatte (6) und an einer Außenseite der hinteren Polplatte (7) angeordnet ist.
  10. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder aus Metall oder Kunststoff bestehen.
  11. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Batteriezellen (2) und Kühlplatte (3) eine Wärmeleitplatte (4) aus einem elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
  12. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Bauelement auf der Andruckplatte (5) ein Zellspannungsausgleichselement zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungsstände von Batteriezellen (2) ist.
  13. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Bauelement auf der Andruckplatte (5) ein Zellspannungsüberwachungselement ist.
  14. Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2) jeweils ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse aufweisen und stapelartig entlang einer Batterielängsachse hintereinander angeordnet sind.
  15. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Polplatte (6) und die hintere Polplatte (7) jeweils wenigstens eine Befestigungsnase (6.2, 7.2) aufweisen, die parallel zu der Andruckplatte (5) von der jeweiligen Polplatte (6, 7) abgewinkelt ist und formschlüssig an der Andruckplatte (5) anliegt.
  16. Verwendung einer Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug ist.
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