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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einer ersten Batteriezelle, einer zweiten Batteriezelle und einem Verbindungselement zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Eine Mehrzahl von Batteriezellen kann baulich und elektrisch in einem Batteriemodul zusammengefasst werden. Dabei kann die Mehrzahl von Batteriezellen elektrisch beispielsweise in Reihe geschaltet werden, wobei die entsprechenden Spannungsabgriffe der Batteriezellen mit einem elektrischen Verbindungselement miteinander verbunden werden. Handelt es sich bei den Batteriezellen um wiederaufladbare Batterien und insbesondere um Lithium-Ionen-Akkus, so können an die Verbindungselemente beispielsweise die folgenden Anforderungen gestellt werden: Bereitstellen eines ausreichend großen Querschnittes, so dass das Verbindungselement einen geringen elektrischen Widerstand aufweist; hohe Kontaktsicherheit über einen langen Zeitraum; mechanische Elastizität, um eine Positionsveränderung einer Batteriezelle bzw. eine Abstandsänderung zwischen benachbarten und miteinander verbundenen Batteriezellen zu ermöglichen; und nicht zuletzt geringe Herstellungs- und Montagekosten.
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Daneben können insbesondere Lithium-Ionen-Akkus einer dauerhaften Zellspannungsmessung unterliegen, welche aus Gründen der Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Akkus ratsam sein könnte. Die Zellspannungsmessung kann dabei durch Abgriff des elektrischen Potenzials an den Verbindungselementen erfolgen, so dass nicht an jedem Spannungsanschluss einer jeden Batteriezelle eine eigene Leitung vorgesehen ist. Üblicherweise wird eine Leitung zum Abgriff der Spannung bzw. des elektrischen Potenzials an einem Verbindungselement mit dem Verbindungselement über Schweißverbindungstechniken wie z.B. Laserschweißen oder Punktschweißen oder über mechanische Verbindungselemente, wie z. B. Schrauben, hergestellt.
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DE 10 2009 000 660 A1 beschreibt den allgemeinen Aufbau eines Batteriemoduls, welches für die Energieversorgung einer Elektrokraftmaschine verwendet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einem diese elektrisch verbindenden Verbindungselement angegeben, wobei das Verbindungselement eine vereinfachte Montage des Batteriemoduls sowie einen einfachen Anschluss von Messeinrichtungen zum Überwachen der Zellspannung der Batteriezellen ermöglicht.
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Es ist ein Batteriemodul gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Batteriemodul mit einer ersten Batteriezelle, einer zweiten Batteriezelle und einem Verbindungselement, welches eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle herstellt, angegeben. Dabei weist das Verbindungselement eine Verbindungsbrücke auf, welche sich in einer Erstreckungsebene erstreckt. Das Batteriemodul ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbrücke einen Spannungsmessanschluss aufweist, welcher zum Herstellen einer reversiblen mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Stecker ausgeführt ist. Der Spannungsmessanschluss ist als abragendes Element an der Verbindungsbrücke angeordnet und weist ein freitragendes Ende auf.
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Bei einer elektrischen Reihenschaltung der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle kann das Verbindungselement einen ersten Spannungsanschluss der ersten Batteriezelle mit einem zweiten Spannungsanschluss der zweiten Batteriezelle elektrisch verbinden. Damit kann über den Spannungsmessanschluss an dem Verbindungselement mittels einer einzigen Leitung das Potenzial zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abgegriffen werden.
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Der Spannungsmessanschluss ist ausgeführt, mit einem Stecker eine lösbare elektrische Verbindung herzustellen, wobei zum Herstellen dieser Verbindung insbesondere kein Werkzeug erforderlich ist und auch keine stoffschlüssige bzw. materialschlüssige Verbindung hergestellt wird, wie dies beispielsweise beim Löten oder Schweißen der Fall ist. Insbesondere wird die Verbindung zwischen dem Spannungsmessanschluss und dem Stecker ohne den Einsatz von Verbindungshilfsmitteln, wie z. B. Schrauben oder Nieten, hergestellt.
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Das Verbindungselement kann in einer Ausführungsform einstückig ausgeführt sein. Insbesondere kann das Verbindungselement aus einem flächigen, elektrisch leitenden Material, beispielsweise in Form eines Blechs, ausgeführt sein und zwischen den Batteriezellen des Batteriemoduls angeordnet sein.
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Der Spannungsmessanschluss an dem Verbindungselement wie oben und im Folgenden beschrieben ermöglicht damit insbesondere auch das Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung in dem Fall, dass das Verbindungselement beispielsweise für eine Schweißverbindung eine zu geringe Materialdicke aufweist oder aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung eine Schweißverbindung nur unter hohem Aufwand möglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Batteriemodul einen Stecker auf, welcher mit einer Spannungsabgreifleitung elektrisch verbunden ist und ausgeführt ist, mit dem Spannungsmessanschluss die reversible mechanische und elektrische Verbindung herzustellen, so dass über die Spannungsabgreifleitung eine an dem Verbindungselement anliegende Spannung abgegriffen wird.
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Der Stecker kann insbesondere zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung mit dem Spannungsmessanschluss ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verbindungselement eine Ausnehmung auf, welche zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit dem Stecker ausgeführt ist.
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Bei der Ausnehmung kann es sich beispielsweise um eine Vertiefung, eine Einkerbung oder einen Durchbruch in oder an dem Verbindungselement handeln, wobei der Stecker über ein korrespondierendes Eingriffselement, beispielsweise in Form einer Haltenase, verfügt, welches in einem aufgesteckten Zustand des Steckers auf den Spannungsmessanschluss eine formschlüssige Verbindung mit der Ausnehmung herstellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ausnehmung an dem Spannungsmessanschluss angeordnet.
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Dies ermöglicht es, einen Stecker mit einer geringen physikalischen Ausnehmung bereitzustellen. Sowohl der Abgriff des elektrischen Potenzials durch den Stecker als auch die mechanische Kopplung des Steckers in dem aufgesteckten Zustand können in dieser Ausführungsform an dem Spannungsmessanschluss erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stecker eine Haltenase auf, welche ausgeführt ist, in einem auf den Spannungsmessanschluss aufgesteckten Zustand des Steckers mit der Ausnehmung eine formschlüssige Verbindung herzustellen, so dass der Stecker in dem aufgesteckten Zustand mit Bezug zu dem Spannungsmessanschluss mechanisch fixiert ist.
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Die Haltenase ist ausgeführt, mit der Ausnehmung in Eingriff zu gelangen, so dass der Stecker in dem aufgesteckten Zustand mit dem Spannungsmessanschluss mechanisch gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Spannungsmessanschluss in der Erstreckungsebene.
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Der Spannungsmessanschluss hat damit eine gemeinsame Oberfläche mit dem Verbindungselement, wobei die gemeinsame Oberfläche sich in einer Ebene, nämlich in der Erstreckungsebene, befindet bzw. erstreckt. Insbesondere bei einer einstückigen Ausführung des Verbindungselementes mit dem Spannungsmessanschluss kann dieser Aufbau bzw. diese Anordnung vorteilhaft sein und eine einfache Fertigung bzw. Herstellung ermöglichen. Ebenso kann dieser Aufbau des Verbindungselementes einen einfachen Zusammenbau bzw. eine einfache Montage der Batteriezellen und des Batteriemoduls ermöglichen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Spannungsmessanschluss auch schräg zu der Erstreckungsebene des Verbindungselementes angeordnet sein. Ebenso kann der Spannungsmessanschluss orthogonal zu der Erstreckungsebene bzw. einer Oberfläche des Verbindungselementes angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verbindungselement ein Trägermaterial und ein Beschichtungsmaterial auf, wobei das Beschichtungsmaterial eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Trägermaterial.
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Das Beschichtungsmaterial kann dabei ausgeführt sein, für eine gute elektrische Leitfähigkeit des Verbindungselementes zu sorgen, wobei das Trägermaterial beispielsweise ausgeführt sein kann, eine mechanische Elastizität für den Fall von Abstands- oder Positionsänderungen der miteinander verbundenen Batteriezellen zu ermöglichen.
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Weiterhin kann das Beschichtungsmaterial damit eine zuverlässige Messung der Batteriezellenspannung ermöglichen, da es durch seine im Vergleich zu dem Trägermaterial höhere elektrische Leitfähigkeit auch einen geringen Übergangswiderstand beim Abgriff der elektrischen Spannung über eine Oberfläche des Beschichtungsmaterials bereitstellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Oberfläche des Verbindungselementes einen unbeschichteten Oberflächenbereich und einen mit dem Beschichtungsmaterial beschichteten Oberflächenbereich auf.
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Damit kann beispielsweise die Menge des verwendeten Beschichtungsmaterials reduziert werden. Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise in Form von Bahnen auf dem Trägermaterial angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Trägermaterial Aluminium auf. Das Trägermaterial kann ebenso eine Aluminiumlegierung aufweisen.
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Aluminium und Aluminiumlegierungen zeichnen sich insbesondere durch ein geringes Gewicht aus, so dass damit Batteriemodule mit reduziertem Gesamtgewicht bereitgestellt werden können. Insbesondere im Fahrzeugbau, wenn beispielsweise Batteriemodule als Energiespeicher für einen Elektroantrieb verwendet werden, führt ein reduziertes Gewicht bei Fahrzeugen im Allgemeinen und bei den verwendeten Bauteilen im Speziellen zu einem reduzierten Energieverbrauch für den Antrieb dieses Fahrzeugs.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Beschichtungsmaterial Kupfer auf.
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Das Kupfer ermöglicht insbesondere als Beschichtung im Bereich einer Oberfläche des Spannungsmessanschlusses einen geringen elektrischen Übergangswiderstand zu dem Stecker bereitzustellen, so dass eine zuverlässige und genaue Spannungsmessung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht werden kann. Im Vergleich zu reinen Aluminiumoberflächen, welche mit der Zeit passivieren, kann eine Kupferbeschichtung des Verbindungselementes eine im Zeitablauf konstant bleibende Messqualität ermöglichen, da der Übergangswiderstand an einer Oberfläche der Kupferbeschichtung im Laufe der Zeit nicht so hohe Einbußen erleidet, wie dies an einer Aluminiumoberfläche durch die sog. Passivierung eintreten kann.
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Bei dem Verbindungselement wie oben und im Folgenden beschrieben kann es sich beispielsweise um ein Kupfer-plattiertes Aluminiumblech handeln. Insbesondere kann das Aluminiumblech doppelseitig mit Kupfer beschichtet oder zumindest teilweise beschichtet sein. Die Kupferbeschichtung ermöglicht dabei einen zuverlässigen Spannungsabgriff an einer Oberfläche des Verbindungselementes, so dass nicht auf möglicherweise aufwändige Schweißtechniken im Zusammenhang mit dem aus Aluminium bestehenden oder Aluminium aufweisenden Trägermaterial zurückgegriffen werden muss. Der Stecker kann dabei direkt auf die Kupfer-plattierten Bereiche des Spannungsmessanschlusses des Verbindungselementes aufgesteckt werden. Bei den Steckern kann es sich beispielsweise um Messer-Schneid-Klemm-Anschlüsse handeln, welche beispielsweise an Flachbandkabel angeschlagen sein können.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein isometrische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine isometrische Darstellung eines Verbindungselementes für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt eine isometrische Darstellung eines Verbindungselementes und eines Steckers für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Batteriemodul 200 mit drei nebeneinander angeordneten Batteriezellen 100A, 100B, 100C. Jede der Batteriezellen verfügt über einen ersten Spannungsanschluss 110 und einen zweiten Spannungsanschluss 120. Dabei sind jeweils der erste Spannungsanschluss einer Batteriezelle mit dem zweiten Spannungsanschluss der benachbarten Batteriezelle mittels eines Verbindungselementes 130 elektrisch miteinander verbunden. Somit sind die drei Batteriezellen 100A, 100B und 100C des in 1 dargestellten Batteriemoduls 200 elektrisch in Reihe geschaltet.
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Handelt es sich bei den Batteriezellen 100A, 100B und 100C beispielsweise um wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus, so erfahren diese durch ihren prismatischen Aufbau mit zunehmender Lebensdauer und zunehmender Anzahl von Ladevorgängen einen Volumenzuwachs in Richtung der Pfeile 105. Durch einen solchen Volumenzuwachs kann sich beispielsweise eine Abstandsänderung zwischen den Spannungsanschlüssen benachbarter Batteriezellen ergeben. Diese Abstandsänderung kann durch das hutförmige bzw. abgestuft verlaufende Profil des Verbindungselementes 130 und die hierdurch bereitgestellte Elastizität durch das Verbindungselement 130 aufgenommen werden.
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Das Verbindungselement 130 weist einen Spannungsmessanschluss 150 auf, wobei der Spannungsmessanschluss von dem Verbindungselement abragt und ausgeführt ist, mit dem Stecker 145 eine elektrische und mechanische Verbindung herzustellen. Der Stecker 145 ist elektrisch verbunden mit der Spannungsabgreifleitung 140, welche das elektrische Potenzial, das an dem zweiten Spannungsanschluss 120 der ersten Batteriezelle 100A und an dem ersten Spannungsanschluss 110 der zweiten Batteriezelle 100B anliegt, an eine Mess- und Auswerteeinheit überträgt, welche aus Übersichtlichkeitsgründen in der 1 nicht dargestellt ist.
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2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Verbindungselementes 130. Das Verbindungselement weist einen ersten Kontaktbereich 131A und einen zweiten Kontaktbereich 131B auf, welche jeweils ausgeführt sind mit einem Spannungsanschluss benachbarter Batteriezellen elektrisch verbunden zu werden. Der erste Kontaktbereich 131A und der zweite Kontaktbereich 131B erstrecken sich in der Erstreckungsebene 132 der Kontaktbereiche. Daneben weist das Verbindungselement 130 einen ersten Querverbinder 133A und einen zweiten Querverbinder 133B auf, welche quer oder orthogonal zu der Erstreckungsebene 132 der Kontaktbereiche verlaufen. Die Verbindungsbrücke 135 erstreckt sich zwischen dem ersten Querverbinder 133A und dem zweiten Querverbinder 133B und verläuft in der Erstreckungsebene 136 der Verbindungsbrücke. Die Erstreckungsebene 136 kann dabei parallel oder quer zu der Erstreckungsebene 132 der Kontaktbereiche verlaufen. Ebenfalls in der Erstreckungsebene 136 der Verbindungsbrücke 135 verläuft der Spannungsmessanschluss 150, auf welchem der Stecker 145 aufgesteckt ist.
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Durch das hutförmige, abgestufte Profil des Verbindungselementes, welches durch die Kontaktbereiche, die Querverbinder und die Verbindungsbrücke gebildet wird, ermöglicht das Verbindungselement eine Elastizität in Längsrichtung 139 des Verbindungselementes, beispielsweise bei Abstandsänderungen der mit dem Verbindungselement elektrisch und mechanisch verbundenen Batteriezellen.
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3 zeigt eine isometrische Darstellung eines Verbindungselementes 130 und eines Steckers 145, wobei der Stecker 145 sich in einem nicht auf den Spannungsmessanschluss 150 aufgesteckten Zustand befindet. Von dem Verbindungselement 130 ist aus Darstellungsgründen lediglich die Verbindungsbrücke 135 dargestellt, welche aus dem Trägermaterial 134 mit der Oberfläche 137 besteht. Der Spannungsmessanschluss 150 ist als abragendes Element an der Verbindungsbrücke 135 angeordnet und weist ein freitragendes Ende 153 auf. Bei dem Spannungsmessanschluss handelt es sich in anderen Worten um ein an der Verbindungsbrücke 135 seitlich abragendes Element. Der Spannungsmessanschluss 150 und die Verbindungsbrücke 135 haben eine Oberfläche 137, welche sich in einer Ebene erstreckt. Auf der Oberfläche des Spannungsmessanschlusses 150 ist eine erste Bahn 157A und eine zweite Bahn 157B, welche beide aus Kupfer bestehen, angeordnet. Weiterhin weist der Spannungsmessanschluss eine Ausnehmung 155 in Form eines Durchbruchs auf.
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Der Stecker 145 weist ein U-förmiges Profil auf, welches über eine Öffnung 146 zur Aufnahme des Spannungsmessanschlusses 150 verfügt. In der Öffnung 146 des Steckers 145 ist eine Kupferbahn 147 angeordnet, welche ausgeführt ist, mit einer der Kupferbahnen 157A, 157B des Spannungsmessanschlusses eine elektrische Verbindung herzustellen, wenn der Stecker 145 in Richtung des Pfeils 149 auf den Spannungsmessanschluss aufgesteckt wird.
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Weiterhin befindet sich in der Öffnung 146 des Steckers 145 eine Haltenase 148, welche ausgeführt ist, in dem aufgesteckten Zustand des Steckers 146 auf den Spannungsmessanschluss 150 eine formschlüssige Verbindung mit der Ausnehmung 155 herzustellen. Damit kann eine vorgegebene Festigkeit der mechanischen Verbindung des Steckers 145 mit dem Spannungsmessanschluss 150 erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000660 A1 [0004]
