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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, auf einen elektrochemischen Energiespeicher, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher und auf ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Sensorvorrichtung eines elektrochemischen Energiespeichers.
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Mit immer größer werdender Nachfrage beispielsweise nach alternativen Antriebskonzepten rückt insbesondere der Elektroantrieb mehr und mehr in den Mittelpunkt der Betrachtung. In der Automobilindustrie beispielsweise zum Einsatz kommende Akkumulatorenpakete bestehen meist aus mehreren Modulen, welche wiederum aus mehreren z. B. Lithium-Ionen Zellen zusammengebaut sein können. Eine Herausforderung hierbei besteht insbesondere in einem effektiven Batteriemanagementsystem, welches die Funktion einzelner Zellen der Batterie überwachen und deren Ladevorgang steuern kann. Ferner können beispielsweise defekte Zellen abgeschaltet und/oder überbrückt und Zustandsmeldungen über einen Ladezustand ausgeben werden. Dafür ist ein Sensor erforderlich, der auch innerhalb einer Zelle angeordnet sein kann. Für eine Kontaktierung des Sensors mit der Batteriezelle ist üblicherweise eine Anschlussmetallisierung eines Sensorgehäuses ungeachtet der Kontaktpartner für die herzustellenden Kontakte an allen Kontakten gleich. Die
DE 20 2009 015 040 U1 beschreibt ein Modul und System für eine elektrochemische Batteriezelle, insbesondere ein Modul zur Abdeckung einer elektrochemischen Batteriezelle und ein Batteriesystem.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, ein verbesserter elektrochemischer Energiespeicher, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher und ein verbessertes Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Sensorvorrichtung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei die Sensorvorrichtung zur Kontaktierung einer innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und einer innerhalb des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen ist, wobei die Sensorvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen ersten Anschlusskontakt zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die erste Kontaktstelle, wobei ein erstes Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts zumindest einem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle entspricht; und
einen zweiten Anschlusskontakt zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die zweite Kontaktstelle, wobei ein zweites Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts zumindest einem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle entspricht.
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Bei dem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine Batterie, eine Batteriezelle bzw. galvanische Zelle oder dergleichen, insbesondere in Gestalt einer galvanischen bzw. elektrochemischen Sekundärzelle, als eine alleinstehende Einheit oder als eine Untereinheit beispielsweise eines sogenannten Batteriepacks oder dergleichen handeln. Der elektrochemische Energiespeicher kann beispielsweise für ein Elektrowerkzeug, Elektrogerät, Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder dergleichen vorgesehen sein. Das zumindest eine erste und/oder zweite Kontaktmaterial kann zumindest an einer Oberfläche der jeweiligen Kontaktstelle angeordnet sein. Die Oberfläche der ersten und/oder zweiten Kontaktstelle kann das zumindest eine jeweilige Kontaktmaterial und gegebenenfalls zumindest ein weiteres Material aufweisen. Das zumindest eine erste Kontaktmaterial kann insbesondere Kupfer, Silber oder Aluminium aufweisen und das zumindest eine zweite Kontaktmaterial kann insbesondere Kupfer, Silber oder Aluminium aufweisen. Somit kann an einer Oberfläche der ersten und/oder zweiten Kontaktstelle zumindest das jeweilige Kontaktmaterial angeordnet sein. Auch kann an einer Oberfläche der ersten und/oder zweiten Kontaktstelle eine Legierung bzw. Mischung des jeweiligen Kontaktmaterials mit zumindest einem weiteren Material angeordnet sein. Das Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers kann hermetisch abgedichtet sein bzw. werden. Innerhalb des Gehäuses können Elektrodenbaugruppen einer elektrochemischen Reaktionsvorrichtung, die Kontaktstellen und die Sensorvorrichtung aufnehmbar oder aufgenommen bzw. anordenbar oder angeordnet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um Zustände bzw. Zustandsgrößen im Inneren des elektrochemischen Energiespeichers bzw. der Batteriezelle zu erfassen. Die Sensorvorrichtung kann die Anschlusskontakte, ein Sensorgehäuse, eine innerhalb des Sensorgehäuses angeordnete elektrische Schaltung und zumindest ein Sensorelement aufweisen. Ein solches Sensorelement kann ausgebildet sein, um z. B. eine Arbeitstemperatur des elektrochemischen Energiespeichers, einen Innendruck des elektrochemischen Energiespeichers oder entstehende Reaktionsprodukte in dem elektrochemischen Energiespeicher zu detektieren. Das Sensorgehäuse kann ein Material und zusätzlich oder alternativ ein Umhüllungsmaterial aufweisen, das bei einem Kontakt mit einem Medium, insbesondere einem Elektrolyten, innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers chemisch beständig ist. Somit kann das Material, das zumindest eine Außenoberfläche des Sensorgehäuses bildet, bei einem Kontakt mit einem Medium innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers chemisch beständig sein. Die elektrische Schaltung kann ausgebildet sein, um Sensordaten bzw. Messdaten von dem zumindest einen Sensorelement zu empfangen. Auch kann die elektrische Schaltung ausgebildet sein, um die Sensordaten bzw. Messdaten per Modulation über zumindest einen der Anschlusskontakte (Power Line Communication) an einen externen Empfänger, z. B. ein Batteriemanagementsystem, beispielsweise in Gestalt eines Sensorsignals zu senden. Eine Modulation und Ausgabe bzw. Übertragung der Sensordaten kann trägerfrequent bzw. als Modulation einer Trägerfrequenz erfolgen. Die Trägerfrequenz kann hierbei als elektrische Spannung oder als elektrischer Strom eingeprägt werden. Die Übertragung der Sensordaten kann auch durch Lastmodulation erfolgen. Optional kann die elektrische Schaltung eine Sendeeinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um die Sensordaten zu modulieren, um ein Sensorsignal zu erzeugen, und das Sensorsignal an zumindest einen der Anschlusskontakte auszugeben. Die elektrische Schaltung bzw. die Sendeeinrichtung kann ausgebildet sein, um bei der Modulation und Ausgabe bzw. Übertragung die Sensordaten gemäß einem vorgebbaren Protokoll zu modulieren und auszugeben bzw. zu übertragen. Auch kann die elektrische Schaltung ausgebildet sein, um ein Signal von zumindest einem der Anschlusskontakte zu empfangen und zu demodulieren. Alternativ kann die elektrische Schaltung eine Empfangseinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um ein Signal von zumindest einem der Anschlusskontakte zu empfangen und zu demodulieren.
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Die Anschlusskontakte können außerhalb des Sensorgehäuses der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Das erste und/oder zweite Anschlussmaterial kann zumindest an einer Oberfläche des jeweiligen Anschlusskontakts angeordnet sein. Die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Anschlusskontakts kann das zumindest eine jeweilige Anschlussmaterial und gegebenenfalls zumindest ein weiteres Material aufweisen. Das zumindest eine erste Anschlussmaterial und das zumindest eine zweite Anschlussmaterial können insbesondere Kupfer, Silber und/oder Aluminium aufweisen. Somit kann an einer Oberfläche des ersten und/oder zweiten Anschlusskontakts zumindest das jeweilige Anschlussmaterial angeordnet sein. Auch kann an einer Oberfläche des ersten und/oder zweiten Anschlusskontakts eine Legierung bzw. Mischung des jeweiligen Anschlussmaterials mit zumindest einem weiteren Material angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen elektrochemischen Energiespeicher mit folgenden Merkmalen:
einem Gehäuse, in dem eine erste Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und eine zweite Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet sind; und
einer vorstehend genannten Sensorvorrichtung, wobei der erste Anschlusskontakt elektrisch leitfähig an die erste Kontaktstelle angeschlossen ist, wobei der zweite Anschlusskontakt elektrisch an die zweite Kontaktstelle angeschlossen ist.
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In Verbindung mit dem elektrochemischen Energiespeicher kann eine vorstehend genannte Sensorvorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden. Insbesondere kann in Verbindung mit dem elektrochemischen Energiespeicher eine vorstehend genannte Sensorvorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden, um Sensordaten hinsichtlich zumindest einer Zustandsgröße des elektrochemischen Energiespeichers zellenintern zu erfassen, wobei Anschlussstellen, an denen die Sensorvorrichtung an den elektrochemischen Energiespeicher angeschlossen ist, durch vorteilhafte Ausgestaltung der Kontaktpartner vor Kontaktkorrosion geschützt sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei die Sensorvorrichtung zur Kontaktierung einer innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und einer innerhalb des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausformen eines ersten Anschlusskontakts zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die erste Kontaktstelle, sodass ein erstes Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts zumindest einem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle entspricht; und
Ausformen eines zweiten Anschlusskontakts zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die zweite Kontaktstelle, sodass ein zweites Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts zumindest einem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle entspricht.
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Durch Ausführung des Verfahrens kann eine vorteilhafte, vorstehend genannte Sensorvorrichtung vorteilhaft hergestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Sensorvorrichtung in einem elektrochemischen Energiespeicher, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers, einer innerhalb des Gehäuses angeordneten ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers, einer innerhalb des Gehäuses angeordneten zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und einer Sensorvorrichtung mit einem ersten Anschlusskontakt und einem zweiten Anschlusskontakt, wobei ein erstes Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts zumindest einem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle entspricht, wobei ein zweites Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts zumindest einem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle entspricht; und
Anschließen des ersten Anschlusskontakts der Sensorvorrichtung auf elektrisch leitfähige Weise an die erste Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und des zweiten Anschlusskontakts der Sensorvorrichtung auf elektrisch leitfähige Weise an die zweite Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers, um die Sensorvorrichtung in dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch zu kontaktieren.
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Mittels des Verfahrens kann eine vorstehend genannte Sensorvorrichtung vorteilhaft in einem vorstehend genannten elektrochemischen Energiespeicher elektrisch kontaktiert werden. Dabei können im Schritt des Anschließens die Anschlusskontakte mittels Erzeugens einer stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung elektrisch leitfähig und mechanisch an die Kontaktstellen angeschlossen werden. Durch einen geeigneten Fügeprozess, z. B. Laserschweißen oder Nieten, kann die Sensorvorrichtung im Schritt des Anschließens so befestigt und kontaktiert werden, dass insbesondere gleichartige Metalle an für korrosive Medien innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers zugänglichen Stellen miteinander in Kontakt kommen.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können, insbesondere durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik, nach außen führende Kontakte eines Sensorgehäuses einer Sensorvorrichtung so ausgeführt sein bzw. werden, dass ein jeweiliges Material Oberflächen der Kontakte jeweiligen Werkstoffen der zu fügenden Kontaktstellen in der Batteriezelle entsprechen. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers so befestigt und kontaktiert werden, dass lediglich gleichartige oder gleiche Materialien an für korrosive Medien zugänglichen Stellen in Kontakt kommen. Somit sind bzw. werden jeweils gleichartige Kontaktpartner miteinander verbunden, um eine Sensorvorrichtung innerhalb eines Gehäuses einer Batteriezelle zu kontaktieren.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Anschlusskontakte der Sensorvorrichtung und die leitfähige Kontaktstellen der Batteriezelle gleichartige Kontaktpartner darstellen, sodass eine Bildung von Lokalelementen bzw. eine Kontaktkorrosion vermieden wird. Somit wird ein Schutz der Kontaktierungsbereiche vor Korrosion bzw. Bildung von Lokalelementen durch eine Vermeidung von Verbindungen ungleicher Kontaktpartner bzw. insbesondere ungleicher metallischer Fügepartner erreicht. Hierbei können die Kontaktierungsbereiche bzw. Fügestellen vor der Einwirkung von korrosiven Medien wie Wasser, Elektrolyten etc. geschützt werden. Da durch den leitfähigen Elektrolyten im Zellinneren des elektrochemischen Energiespeichers und den Fluss auch geringer elektrischer Ströme, z. B. für Messsignale, ein erhöhtes Korrosionsrisiko besteht, sind die Anschlusskontakte und auch das Sensorgehäuse der Sensorvorrichtung dafür ausgelegt, der Korrosion bzw. einer chemischen Veränderung zu widerstehen. Dabei ist die Kontaktierung der Sensorvorrichtung zu der Batteriezelle so konzeptioniert, da sich durch Verwendung geeigneter Materialkombinationen bzw. Metallkombinationen für die Kontaktpartner keine Lokalelemente bilden können und dadurch eine Kontaktkorrosion verhindert werden kann. Der Einsatz einer solchen Sensorvorrichtung in dem Zellinneren des elektrochemischen Energiespeichers kann eine Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Sensorvorrichtung und besonders der elektrischen Kontaktierung der Sensorvorrichtung bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers erhöhen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann das erste Anschlussmaterial an der Oberfläche des ersten Anschlusskontakts dem zweiten Anschlussmaterial an der Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts entsprechen. Hierbei kann somit das zumindest eine erste Kontaktmaterial an der Oberfläche der ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers dem zumindest einen zweiten Kontaktmaterial an der Oberfläche der zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers entsprechen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und dem elektrochemischen Energiespeicher auf einfache und unaufwendige Weise hergestellt werden kann.
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Alternativ kann sich das erste Anschlussmaterial an der Oberfläche des ersten Anschlusskontakts von dem zweiten Anschlussmaterial an der Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts unterscheiden. Hierbei kann sich somit das zumindest eine erste Kontaktmaterial an der Oberfläche der ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers von dem zumindest einen zweiten Kontaktmaterial an der Oberfläche der zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers unterscheiden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und dem elektrochemischen Energiespeicher auch im Falle unterschiedlich beschaffener Kontaktstellen des elektrochemischen Energiespeichers auf zuverlässige und korrosionsvermeidende Weise hergestellt werden kann.
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Auch kann der erste Anschlusskontakt einen freiliegenden Abschnitt eines Trägerelements der Sensorvorrichtung aufweisen. Dabei kann das erste Anschlussmaterial an der Oberfläche des ersten Anschlusskontakts einem Material des Trägerelements entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Anschlusskontakt einen freiliegenden Abschnitt des Trägerelements der Sensorvorrichtung aufweisen. Dabei kann das zweite Anschlussmaterial an der Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts einem Material des Trägerelements entsprechen. Das Trägerelement der Sensorvorrichtung kann einen Leiterrahmen, einen sogenannten Leadframe oder dergleichen aufweisen. Das Trägerelement kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen ausgeformt sein. Zumindest ein Abschnitt des Trägerelements kann innerhalb eines Sensorgehäuses der Sensorvorrichtung angeordnet sein bzw. mittels eines Sensorgehäuses eingehäust sein. Die freiliegenden Abschnitte des Trägerelements können außerhalb eines Sensorgehäuses der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und dem elektrochemischen Energiespeicher auf einfache und unaufwendige Weise unter Verwendung eines ohnehin verbauten Trägerelements hergestellt werden kann.
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Ferner kann der erste Anschlusskontakt einen Abschnitt eines Trägerelements der Sensorvorrichtung und eine erste Überzugschicht aufweisen. Dabei kann das erste Anschlussmaterial an der Oberfläche des ersten Anschlusskontakts einem Material der ersten Überzugschicht entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Anschlusskontakt einen Abschnitt des Trägerelements der Sensorvorrichtung und eine zweite Überzugschicht aufweisen. Dabei kann das zweite Anschlussmaterial an der Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts einem Material der zweiten Überzugschicht entsprechen. Die Überzugschichten können an außerhalb eines Sensorgehäuses angeordneten Abschnitten des Trägerelements aufgebracht sein. Die Überzugschichten können beispielsweise aus Silber, Kupfer, Aluminium oder dergleichen gebildet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und dem elektrochemischen Energiespeicher auch im Falle unterschiedlich beschaffener Kontaktstellen des elektrochemischen Energiespeichers mittels zumindest einer der Überzugschichten auf einfache, zuverlässige und korrosionsvermeidende Weise hergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des elektrochemischen Energiespeichers kann der elektrochemische Energiespeicher eine erste Elektrodenbaugruppe mit einem ersten Stromleiter und eine zweite Elektrodenbaugruppe mit einem zweiten Stromleiter aufweisen. Dabei kann die erste Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers einen Teilabschnitt des ersten Stromleiters aufweisen und kann die zweite Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers einen Teilabschnitt des zweiten Stromleiters aufweisen. Hierbei kann eine der Elektrodenbaugruppen eine Kathode des elektrochemischen Energiespeichers repräsentieren und kann eine weitere der Elektrodenbaugruppen eine Anode des elektrochemischen Energiespeichers repräsentieren. Somit können die Kontaktstellen an den Stromleitern gebildet sein. Die Stromleiter der Elektrodenbaugruppen können elektrisch leitfähig mit externen Anschlüssen des elektrochemischen Energiespeichers verbunden sein bzw. werden. Der erste Stromleiter kann ein Material enthalten, welches das zumindest eine erste Kontaktmaterial aufweist. Der zweite Stromleiter kann ein Material enthalten, welches das zumindest eine zweite Kontaktmaterial aufweist. Die Stromleiter können aus unterschiedlichen Materialien bzw. Metallen für Anode und Kathode gebildet sein, z. B. Aluminium bzw. Kupfer. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung somit elektrisch direkt an die in dem elektrochemischen Energiespeicher eingebauten Stromleiter angeschlossen werden kann, wobei unterschiedliche Materialien der Stromleiter bei der Kontaktierung sensorseitig berücksichtigt werden können. Die Sensorvorrichtung kann daher unter Vermeidung von Kontaktkorrosion direkt an gegebenenfalls unterschiedliche Materialien enthaltende Stromleiter des elektrochemischen Energiespeichers angeschlossen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen kann in zumindest einem der Schritte des Ausformens der Anschlusskontakt unter Verwendung eines Abschnitts eines Trägerelements der Sensorvorrichtung oder unter Verwendung eines Abschnitts eines Trägerelements der Sensorvorrichtung und einer Überzugschicht ausgeformt werden. So kann in zumindest einem der Schritte des Ausformens der Anschlusskontakt in Gestalt eines Abschnitts eines Trägerelements der Sensorvorrichtung oder in Gestalt einer Überzugschicht auf einem Abschnitt eines Trägerelements der Sensorvorrichtung ausgeformt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und dem elektrochemischen Energiespeicher unter Verwendung eines ohnehin verbauten Trägerelements auf einfache, unaufwendige, zuverlässige und korrosionsvermeidende Weise hergestellt werden kann, wobei auch unterschiedliche Kontaktmaterialien der Kontaktstellen des elektrochemischen Energiespeichers mittels der Überzugschicht vorteilhaft berücksichtigt werden können. Somit ist die Sensorvorrichtung auch angesichts einer breiten Vielfalt von Arten elektrochemischer Energiespeicher bzw. Kontaktmaterialien vielseitig einsetzbar.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum elektrischen Kontaktieren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind der elektrochemische Energiespeicher 100, ein Gehäuse 102, eine erste Kontaktstelle 104 bzw. erste Kontaktfläche, eine zweite Kontaktstelle 106 bzw. zweite Kontaktfläche, eine Sensorvorrichtung 110, ein Sensorgehäuse 112, ein erster Anschlusskontakt 114 und ein zweiter Anschlusskontakt 116. Bei dem elektrochemischen Energiespeicher 100 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln.
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Der elektrochemische Energiespeicher 100 weist das Gehäuse 102, die erste Kontaktstelle 104 und die zweite Kontaktstelle 106 auf. Die die erste Kontaktstelle 104 und die zweite Kontaktstelle 106 sind innerhalb des Gehäuses 102 angeordnet. Der elektrochemische Energiespeicher 100 weist ferner die Sensorvorrichtung 110 auf. Die Sensorvorrichtung 110 ist innerhalb des Gehäuses 102 des elektrochemischen Energiespeichers 100 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 110 weist das Sensorgehäuse 112, den ersten Anschlusskontakt 114 und den zweiten Anschlusskontakt 116 auf. Die Sensorvorrichtung 110 ist an der ersten Kontaktstelle 104 und der zweiten Kontaktstelle 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 elektrisch angeschlossen. Dabei ist der erste Anschlusskontakt 114 an der ersten Kontaktstelle 104 elektrisch angeschlossen und ist der zweite Anschlusskontakt 116 an der zweiten Kontaktstelle 106 elektrisch angeschlossen.
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Die erste Kontaktstelle 104 und die zweite Kontaktstelle 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 sind beispielsweise als Teilabschnitte von Stromleitern von Elektrodenbaugruppen des elektrochemischen Energiespeichers 100 ausgeformt, auch wenn dies in der schematischen Darstellung von 1 nicht gezeigt ist. Die erste Kontaktstelle 104 und die zweite Kontaktstelle 106 weisen ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial, insbesondere ein metallisches Kontaktmaterial auf. Dabei weist die erste Kontaktstelle 104 ein erstes Kontaktmaterial auf und weist die zweite Kontaktstelle 106 ein zweites Kontaktmaterial auf. Das erste Kontaktmaterial kann dem zweiten Kontaktmaterial entsprechen oder sich von demselben unterscheiden. Die erste Kontaktstelle 104 und die zweite Kontaktstelle 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 sind zur elektrisch leitenden Verbindung mit dem ersten Anschlusskontakt 114 und dem zweiten Anschlusskontakt 116 der Sensorvorrichtung 110 ausgebildet.
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Der erste Anschlusskontakt 114 und der zweite Anschlusskontakt 116 der Sensorvorrichtung 110 sind beispielsweise als Teilabschnitte eines gemeinsamen Trägerelements der Sensorvorrichtung 110 ausgeformt, auch wenn dies in der schematischen Darstellung von 1 nicht explizit gezeigt ist. Der erste Anschlusskontakt 114 und der zweite Anschlusskontakt 116 sind außerhalb des Sensorgehäuses 112 der Sensorvorrichtung 110 angeordnet. Der erste Anschlusskontakt 114 und der zweite Anschlusskontakt 116 weisen ein elektrisch leitfähiges Anschlussmaterial, insbesondere ein metallisches Anschlussmaterial auf. Dabei weist der erste Anschlusskontakt 114 ein erstes Anschlussmaterial auf und weist der zweite Anschlusskontakt 116 ein zweites Anschlussmaterial auf. Das erste Anschlussmaterial kann dem zweiten Anschlussmaterial entsprechen oder sich von demselben unterscheiden. Der erste Anschlusskontakt 114 und der zweite Anschlusskontakt 116 der Sensorvorrichtung 110 sind zur elektrisch leitenden Verbindung mit der ersten Kontaktstelle 104 und der zweiten Kontaktstelle 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 ausgebildet.
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Das erste Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts 114 der Sensorvorrichtung 110 entspricht zumindest dem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle 104 des elektrochemischen Energiespeichers 100. Das zweite Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts 116 der Sensorvorrichtung 110 entspricht zumindest dem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100. Die Anschlusskontakte 114 und 116 der Sensorvorrichtung 110 sind mit den Kontaktstellen 104 und 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 elektrisch leitfähig und mechanisch verbunden. Die Anschlusskontakte 114 und 116 der Sensorvorrichtung 110 sind mit den Kontaktstellen 104 und 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 beispielsweise mittels einer Fügeverbindung, insbesondere mittels Laserschweißens, Nietens oder dergleichen, elektrisch leitfähig und mechanisch verbunden. Somit ist die Sensorvorrichtung 110 mit dem elektrochemischen Energiespeicher 100 elektrisch leitfähig und mechanisch verbunden. So kann eine in 1 nicht gezeigte, innerhalb des Sensorgehäuses 102 angeordnete elektrische Schaltung der Sensorvorrichtung 110 über die Anschlusskontakte 114 und 116 der Sensorvorrichtung 110, die Kontaktstellen 104 und 106 des elektrochemischen Energiespeichers 100 und weitere elektrische Leiter des elektrochemischen Energiespeichers 100 elektrisch leitfähig mit Batterieanschlüssen des elektrochemischen Energiespeichers 100 verbunden sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Sensorvorrichtung an zwei Kontaktstellen angeschlossen ist. Gezeigt sind eine erste Kontaktstelle 104, eine zweite Kontaktstelle 106, die Sensorvorrichtung 110, ein Sensorgehäuse 112, ein erster Anschlusskontakt 114 und ein zweiter Anschlusskontakt 116. Anders ausgedrückt zeigt 2 einen Teil des elektrochemischen Energiespeichers aus 1. Somit kann es sich bei der Sensorvorrichtung 110 in 2 um die Sensorvorrichtung aus 1 handeln. Auch kann es sich in 2 bei den Kontaktstellen 104 und 106 um die Kontaktstellen aus 1 handeln. Somit entspricht die Darstellung in 2 der Darstellung aus 1 mit dem Unterschied, dass der elektrochemische Energiespeicher in 2 ohne das Gehäuse gezeigt ist.
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Auch wenn es in 2 nicht explizit dargestellt ist, weist der erste Anschlusskontakt 114 der Sensorvorrichtung 110 beispielsweise ein erstes Metall als das erste Anschlussmaterial auf. Somit kann das zumindest eine erste Kontaktmaterial der ersten Kontaktstelle 104 dem ersten Metall entsprechen. Ferner weist der zweite Anschlusskontakt 116 der Sensorvorrichtung 110 beispielsweise ein zweites Metall, das sich von dem ersten Metall unterscheiden kann, als das zweite Anschlussmaterial auf. Somit kann das zumindest eine zweite Kontaktmaterial der zweiten Kontaktstelle 106 dem zweiten Metall entsprechen. Dabei sind gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Anschlusskontakte 114 und 116 aus einem der jeweiligen Kontaktstelle 104 bzw. 106 entsprechenden Vollmaterial gebildet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Sensorvorrichtung an zwei Kontaktstellen angeschlossen ist. Gezeigt sind eine erste Kontaktstelle 104, eine zweite Kontaktstelle 106, die Sensorvorrichtung 110, ein Sensorgehäuse 112, ein erster Anschlusskontakt 114, ein zweiter Anschlusskontakt 116, eine erste Überzugschicht 324 und eine zweite Überzugschicht 326. Anders ausgedrückt zeigt 3 einen Teil des elektrochemischen Energiespeichers aus 1. Somit kann es sich bei der Sensorvorrichtung 110 in 3 um die Sensorvorrichtung aus 1 bzw. 2 handeln, wobei die Sensorvorrichtung 110 in 3 zusätzlich die Überzugschichten 324 und 326 aufweist. Auch kann es sich in 3 bei den Kontaktstellen 104 und 106 um die Kontaktstellen aus 1 bzw. 2 handeln. Somit entspricht die Darstellung in 3 der Darstellung aus 1 mit dem Unterschied, dass der elektrochemische Energiespeicher in 3 ohne das Gehäuse und mit den Überzugschichten 324 und 326 gezeigt ist. Ferner entspricht die Darstellung in 3 der Darstellung aus 2 mit dem Unterschied, dass die Sensorvorrichtung 110 in 3 zusätzlich die Überzugschichten 324 und 326 aufweist.
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Auch wenn es in 3 nicht explizit dargestellt ist, weisen das erste Anschlussmaterial des ersten Anschlusskontakts 114 und das zweite Anschlussmaterial des zweiten Anschlusskontakts 116 beispielsweise das gleiche Material als Trägermaterial bzw. das gleiche Metall als Trägermetall für die Überzugschichten 324 und 326 auf. Der erste Anschlusskontakt 114 weist die erste Überzugschicht 324 auf. Die erste Überzugschicht 324 ist an dem ersten Anschlusskontakt 114 der Sensorvorrichtung 110 aufgebracht. Somit bildet die erste Überzugschicht 324 eine Oberfläche des ersten Anschlusskontakts 114. Der zweite Anschlusskontakt 116 weist die zweite Überzugschicht 326 auf. Die zweite Überzugschicht 326 ist an dem zweiten Anschlusskontakt 116 der Sensorvorrichtung 110 aufgebracht. Somit bildet die zweite Überzugschicht 326 eine Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts 116.
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Insbesondere weist die erste Überzugschicht 324 ein erstes Metall als das erste Anschlussmaterial auf. Hierbei kann das zumindest eine erste Kontaktmaterial der ersten Kontaktstelle 104 dem ersten Metall entsprechen. Ferner weist die zweite Überzugschicht 326 beispielsweise ein zweites Metall, das sich von dem ersten Metall unterscheiden kann, als das zweite Anschlussmaterial auf. Somit kann das zumindest eine zweite Kontaktmaterial der zweiten Kontaktstelle 106 dem zweiten Metall entsprechen. Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Anschlusskontakte 114 und 116 aus einem metallischen Trägermaterial ausgeformt, z. B. Cu, dessen Oberflächen mit den Überzugschichten 324 und 326 in Gestalt von Abschlussmetallisierungen unterschiedlicher Metalle bzw. Beschichtungen entsprechend der jeweiligen Kontaktstelle 104 bzw. 106 versehen bzw. beschichtet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann auch lediglich einer der Anschlusskontakte 114 oder 116 mit einer Überzugschicht 324 bzw. 326 versehen sein bzw. werden, z. B Silber oder Aluminium, wobei der andere der Anschlusskontakte 114 oder 116 ein Vollmaterial des Trägermetalls, z. B. Kupfer, als Oberfläche aufweisen kann.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung für einen elektrochemischen Energiespeicher, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist die Sensorvorrichtung zur Kontaktierung einer innerhalb eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und einer innerhalb des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordneten zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen. Das Verfahren 400 weist einen Schritt des Ausformens 410 eines ersten Anschlusskontakts zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die erste Kontaktstelle auf, sodass ein erstes Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts zumindest einem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle entspricht. Das Verfahren 400 weist auch einen Schritt des Ausformens 420 eines zweiten Anschlusskontakts zum elektrisch leitfähigen Anschließen der Sensorvorrichtung an die zweite Kontaktstelle auf, sodass ein zweites Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts zumindest einem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle entspricht. Dabei kann der Schritt des Ausformens 410 des ersten Anschlusskontakts vor, nach oder zusammen mit dem Schritt des Ausformens 420 des zweiten Anschlusskontakts ausgeführt werden. Durch Ausführung des Verfahrens 400 kann die Sensorvorrichtung aus einer der 1 bis 3 vorteilhaft hergestellt werden.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum elektrischen Kontaktieren einer Sensorvorrichtung in einem elektrochemischen Energiespeicher, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 weist einen Schritt des Bereitstellens 510 eines Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers, einer innerhalb des Gehäuses angeordneten ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers, einer innerhalb des Gehäuses angeordneten zweiten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und einer Sensorvorrichtung mit einem ersten Anschlusskontakt und einem zweiten Anschlusskontakt auf. Dabei wird im Schritt des Bereitstellens 510 eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, bei der ein erstes Anschlussmaterial an einer Oberfläche des ersten Anschlusskontakts zumindest einem ersten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der ersten Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers entspricht. Auch entspricht hierbei ein zweites Anschlussmaterial an einer Oberfläche des zweiten Anschlusskontakts zumindest einem zweiten Kontaktmaterial an einer Oberfläche der zweiten Kontaktstelle. Das Verfahren 500 weist auch einen Schritt des Anschließens 520 des ersten Anschlusskontakts der Sensorvorrichtung auf elektrisch leitfähige Weise an die erste Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers und des zweiten Anschlusskontakts der Sensorvorrichtung auf elektrisch leitfähige Weise an die zweite Kontaktstelle des elektrochemischen Energiespeichers auf. Mittels des Verfahrens 500 kann die beispielsweise mittels des Verfahrens aus 4 hergestellte Sensorvorrichtung aus einer der 1 bis 3 vorteilhaft in dem elektrochemischen Energiespeicher aus 1 elektrisch kontaktiert werden.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 wird im Folgenden das verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Konzept mit anderen Worten nochmals zusammengefasst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Sensorvorrichtung 110 mit einem Sensorgehäuse 112 zum Einbau in eine Batteriezelle bzw. einen elektrochemischen Energiespeicher 100. Innerhalb des Sensorgehäuses 112 sind Bauelemente einer elektrischen Schaltung der Sensorvorrichtung 110 durch eine geeignete Passivierung bzw. Umhüllung ihrer Kontaktflächen vor Korrosion geschützt, die beispielsweise durch einen Elektrolyten des elektrochemischen Energiespeichers 100 bewirkt werden könnte. Ein Hauptaugenmerk von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt daher auf der Verbindung des Sensorgehäuses bzw. der Sensorvorrichtung 110 mit der Batteriezelle bzw. dem elektrochemischen Energiespeicher 100.
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Eine Bauform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein Sensorgehäuse 112 mit den Anschlusskontakten 114 und 116 in Gestalt von metallischen Kontakten nach außen. Häufig werden diese Anschlusskontakten 114 und 116 auf Basis eines Kupfer-Anschlussrahmens bzw. Kupfer-Leadframes realisiert und mit geeigneten Abschlussmetallisierungen bzw. Überzugschichten 324 und 326 versehen. Durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik nach Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die nach außen führenden Anschlusskontakte 114 und 116 des Sensorgehäuses 112 so auszuführen, dass zumindest deren Oberflächenmaterial dem Werkstoff der jeweiligen, zu fügenden Kontaktstelle 104 bzw. 106 entspricht.
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Bei dem Sensorgehäuse 112 kann es sich z. B. um ein modifiziertes Leadframebasiertes Gehäuse handeln, das mit einer Umhüllmasse vollständig oder partiell umspritzt ist. Dabei kann zumindest einer der Anschlusskontakte 114 und 116 entweder lediglich einen freiliegenden Abschnitt aus dem entsprechenden Vollmaterial des Anschlussrahmens, z. B. Cu oder Al, aufweisen oder ein metallisches Trägermaterial aufweisen, z. B. Cu, dessen Oberfläche mit gegebenenfalls unterschiedlichen Abschlussmetallisierungen versehen ist bzw. wird. Durch einen geeigneten Fügeprozess, z. B. Laserschweißen oder Nieten, kann die Sensorvorrichtung 110 so an dem elektrochemischen Energiespeicher 100 befestigt und kontaktiert werden, dass nur gleichartige Metalle als Paare von Kontaktmaterial und Anschlussmaterial an für korrosive Medien zugänglichen Stellen in Kontakt kommen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009015040 U1 [0002]
