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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen umfasst.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, wodurch ein Batteriestrang gebildet wird, der eine Batteriespannung bereitstellt. Zur Erzielung eines hohen Batteriestroms werden oft noch zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet. Ferner können mehrere Batteriestränge gleichzeitig verwendet werden, um eine Mehrzahl von Batteriespannungen bereitzustellen. In vorherigen Anmeldungen der Anmelderin wurden Batterien beschrieben, die einen Batteriestrang mit einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung aufweisen. Ferner wurde eine Schaltungstopologie für ein Verfahren zur Erhöhung der Eigensicherheit von Batteriezellen vorgeschlagen, bei dem eine Batteriezelle durch eine parallelgeschaltete Halbbrücke, die beispielsweise mit MOSFETs realisiert wird, im Falle eines sicherheitskritischen Zustands der Batteriezelle sich selbst überbrückt. Es bietet sich grundsätzlich an, eine Schaltungstopologie mit zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen auch zur Erzielung einer bestimmten Strangspannung zu verwenden.
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In der 1 ist ein Batteriestrang 10 gezeigt, der eine Reihenschaltung mit mehreren Batteriezellen und ein positives Batteriestrangterminal HV+ und ein negatives Batteriestrangterminal HV- aufweist. Die Batteriezellen 11 weisen jeweils eine Überbrückungsschaltung 12 mit einem ersten Transistor 13 und einem zweiten Transistor 14 auf. Die Überbrückungsschaltungen 12 werden dazu genutzt, eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen 11 gezielt einzuschalten, um eine bestimmte Strangspannung zu erzielen. In der 2 ist eine mögliche Realisierung einer Topologie zur Ansteuerung der Transistoren 13, 14 gezeigt. Dabei muss der jeweiligen Batteriezelle 11 über eine Kommunikationsschnittstelle beziehungsweise eine Signalübertragungsverbindung (Kommunikationsbus) 21 von einem zentralen Steuergerät 22 mitgeteilt werden, ob der erste Transistor 13 oder der zweite Transistor 14 eingeschaltet werden soll. Mittels der Signalübertragungsverbindung 21 müssen dazu die Zellen in entsprechender Weise adressiert werden. Gleichzeitig muss die jeweilige Zellspannung und/oder der Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle 11 an das Steuergerät 22 zurückgemeldet werden, damit dieses entscheiden kann, welche Batteriezellen 11 Zellen zur Erzielung der gewünschten Strangspannung zugeschaltet werden sollen. Zur Ansteuerung der Transistoren 13, 14 ist hochvoltseitig ferner eine Treiberschaltung 23 angeordnet, die von einem Mikrocontroller 24 gesteuert wird. Die Steuersignale 25 werden zwischen dem niedervoltseitig angeordneten Steuergerät 21 und dem hochvoltseitig angeordneten Mikrocontroller 24 über den Isolator 26 hinweg, der zur galvanischen Trennung angeordnet ist, übertragen. Bei einer Batterie mit einer hohen Anzahl von Batteriezellen 11 wird der Aufwand für die Kommunikation allerdings sehr hoch, da die Batteriezellen 11 eindeutig in Echtzeit adressiert und geschaltet werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang zur Verfügung gestellt, wobei der Batteriestrang mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst. Die Batterie weist ferner Ansteuerungsmittel auf, die dazu eingerichtet sind, die Batteriezellen mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine durchschnittliche Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle bestimmt ist.
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Ferner wird ein Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie zur Verfügung gestellt, bei dem Batteriezellen der Batterie mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart angesteuert werden, dass die Batteriezellen im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet werden, dass die Batteriespannung auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, das eine Regelung einer Batteriespannung oder Batteriestrangspannung, und insbesondere auch einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung durchgeführt werden kann, bei der der Kommunikationsaufwand zwischen den Batteriezellen und einer zentralen Batteriesteuerungseinheit auf drastische Weise reduziert wird, wobei gleichzeitig die Spannungswerte genaue eingestellt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterie ferner eine Regeleinheit auf, die über eine Signalübertragungsverbindung mit den Batteriezellen verbunden ist und die eingerichtet ist, eine von dem Batteriestrang erzeugte Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung zu vergleichen und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs einzustellen. Der Vergleich kann bevorzugt mit Hilfe eines Operationsverstärkers durchgeführt werden.
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Damit kann eine Regelung der Batteriespannung erreicht werden, die unabhängig vom Ladezustand der Batteriezellen funktioniert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise im Falle eines höheren mittleren Ladezustands der Zellen über die Regeleinheit ein anderes pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit einem niedrigeren Tastverhältnis („Duty-Cycle“) zum Zuschalten der Zellen generiert werden kann.
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Gemäß noch einer anderen Weiterbildung weist die Batterie ferner eines oder mehrere Erzeugungsmittel auf, die dazu eingerichtet sind, das pulsweitenmodulierte Signal basierend auf einem analogen und/oder digitalen Signal zu erzeugen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Erzeugungsmittel in jeder Batteriezelle anzuordnen. Diese Ausführungsform ist besonders dafür geeignet, beispielsweise mit einem analogen Signal, wie ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Regeleinheit, ausgeführt zu werden, so dass die Batteriezellen mittels eines einzigen analogen Signals zentral gesteuert werden. Bevorzugt entspricht das analoge Signal der gewünschten Batteriespannung (HV-Spannung). Die Erfindung kann aber auch mit digitalen Signalen ausgeführt werden, die an die jeweiligen Batteriezellen übertragen werden und insbesondere eine Information über das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals enthalten.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Erzeugungsmittel als ein zentrales Modul in der Batterie vorhanden. Bevorzugt werden die Erzeugungsmittel dabei in der Regeleinheit angeordnet. Bei dieser Ausführungsform kann auf einfache Weise durch die Signalübertragungsverbindung eine Übermittlung des pulsweitenmodulierten Signals an die Batteriezellen erfolgen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird das analoge Signal oder das digitale Signal oder das pulsweitenmodulierte Signal über einen als galvanische Trennung angeordneten Isolator zu den Batteriezellen übertragen, wobei der Isolator eine Hochvoltseite und eine Niedervoltseite der Batterie trennt. Dadurch kann eine Gefährdung von Benutzern oder eine Zerstörung von Elektronikkomponenten vermieden werden. Als Isolator wird bevorzugt ein Optokoppler pro Zelle eingesetzt.
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Grundsätzlich sind jedoch auch andere isolierende oder nicht-isolierende Verfahren denkbar, insbesondere Power-Linie-Communication, mit denen das Ausgangssignal des Reglers zu den Zellen übertragen wird. Bevorzugt kann die Batterie insbesondere mit einer Kaskode-Schaltung ausgestattet sein.
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Ferner wird es bevorzugt, dass der Batteriestrang mit einer Glättungsinduktivität, durch die eine Glättung der von dem Batteriestrang erzeugten Batteriespannung bewirkt wird, in Reihe geschaltet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie ferner für jede Batteriezelle einen mit der Batteriezelle verbundenen oder in der Batteriezelle angeordneten Mikrocontroller auf. Dabei sind die Mikrocontroller au den Batteriezellen insbesondere für eine weitere Signalverarbeitung des an die Batteriezelle übertragenen Signals ausgebildet.
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Bevorzugt sind die Mikrocontroller jeweils zur Steuerung einer in der jeweiligen Batteriezelle angeordneten Treiberschaltung ausgebildet und über die Signalübertragungsverbindung mit der Regeleinheit verbunden.
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Die Mikrocontroller können hochvoltseitig (HV-Seite) oder niedervoltseitig (LV-Seite) angeordnet sein. Falls der Mikrocontroller niedervoltseitig angeordnet ist, kann die erfindungsgemäße Halbbrücke über den Isolator von dem Mikrocontroller angesteuert werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Mikrocontroller zur Desynchronisierung eines jeweiligen pulsweitenmodulierten Signals ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Batterie oder jede der Batteriezellen Mittel zur Desynchronisierung umfassen, die mit dem jeweiligen Mikrocontroller verbunden sind.
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So kann der Mikrocontroller in einer jeweiligen Batteriezelle dazu eingerichtet sein, eine Information über ein gewünschtes Tastverhältnis (Duty Cycle) des pulsweitenmodulierten Signals über die Signalübermittlungsverbindung zu empfangen und diese auszuwerten. Alternativ kann zur Auswertung auch ein Logik-Baustein (FPGA, CPLD) auf den einzelnen Batteriezellen eingesetzt werden. Ferner ist auch denkbar, das pulsweitenmodulierte Signal direkt an den Mikrocontroller zu übertragen, wo es von dem Mikrocontroller ausgewertet wird.
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Durch solche separaten Weiterverarbeitungen auf den Batteriezellen kann eine Desynchronisierung der pulsweitenmodulierten Signale erreicht werden. Dies ergibt sich zum Teil allein dadurch, dass die Batteriezellen beziehungsweise deren Mikrocontroller weitestgehend autonom voneinander arbeiten.
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Besonders auch in Kombination mit der oben genannten Glättungsinduktivität kann eine sehr gute Glättung der Batterieausgangsspannung erreicht werden, ohne dass die Glättungsinduktivität sehr groß dimensioniert sein muss. Je nach Ausgestaltung kann in manchen Fällen sogar ganz auf die Glättungsinduktivität verzichtet werden.
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Die erfindungsgemäßen Mittel zur Desynchronisierung können ferner auch einen Spread-Spectrum-Oszillator, also einen Oszillator, dessen Flanken statistisch verteilt werden, umfassen. Dazu kann jeweils ein zur Taktung der Batteriezelle angeordneter Oszillator eingesetzt werden.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird die statistische Verteilung der Taktflanken nicht durch einen Spread-Spectrum-Oszillator, sondern durch einen Zufalls- oder Quasi-Zufalls-Algorithmus erreicht, der auf dem Mikrocontroller implementiert wird. Zur Erzeugung ungleichmäßiger Startbedingungen für diesen Zufalls-Algorithmus kann beispielsweise eine Rauschquelle, die über den A/D-Wandler des Mikrocontrollers eingelesen wird, verwendet werden. Als Rauschquelle ist beispielsweise eine in Sperrrichtung betriebene Basis-Emitter-Strecke denkbar.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt, das mit der erfindungsgemäßen Batterie ausgestattet ist, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Bevorzugt ist die beanspruchte Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Batteriestrang mit einer Reihenschaltung aus mehreren zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik,
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3 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen, wobei die Schaltungsanordnung einen Regelkreis zum Regeln der Batteriespannung aufweist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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4 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen, wobei die Schaltungsanordnung einen Regelkreis zum Regeln der Batteriespannung aufweist, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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5 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle mit Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle, nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
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6 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle mit Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle, nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen gezeichnet. In der 3 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen 11 gezeigt, die mit einem Regelkreis zum Regeln der Batteriespannung ausgestattet ist. Der Regelkreis umfasst in dieser Ausführungsform einen als eine Regeleinheit fungierenden Operationsverstärker 31, der über seinen positiven Eingang mit einer Spannungsquelle 32 zum Erzeugen einer Sollspannung U1 verbunden ist. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 31 ist über einen Spannungsteiler 33 mit einem positiven Batterieterminal verbunden, so wie in der 3 gezeigt. Somit ist die Spannung am negativen Eingang des Operationsverstärkers 31 proportional zur Batteriespannung UHV. Somit wird die Batteriespannung UHV unter Berücksichtigung eines Faktors mit der Sollspannung U1 verglichen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 31 liefert daher ein zum Regeln der Batteriespannung UHV geeignetes analoges Signal, das über die Signalübertragungsverbindung 21 an die Batteriezellen 11 des Batteriestrangs übertragen wird.
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In der Signalübertragungsverbindung sind eine Mehrzahl von Optokopplern 34 angeordnet, wobei bevorzugt für jede Batteriezelle 11 ein Optokoppler 34 vorhanden ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der Figur jeweils nur zwei von den Optokopplern 34 und eine Batteriezelle 11 dargestellt. Der Optokoppler 34 überträgt das analoge Signal an einen Logikbaustein beziehungsweise an einen in oder auf der Batteriezelle 11 angeordneten Mikrocontroller 24. Erfindungsgemäß ist der Mikrocontroller 24 in der in 3 gezeigten Anordnung dazu ausgebildet, das aus von dem Operationsverstärker 31 stammende und über den Optokoppler 34 übertragene analoge Signal in ein pulsweitenmoduliertes Signal umzuwandeln beziehungsweise basierend auf das analoge Signal ein pulsweitenmodulierte Signal zu erzeugen. Dieses wird zur Steuerung der Treiberschaltung 23 eingesetzt, wobei die Transistoren 13 oder 14 alterierend die Batteriezelle 11 dem Batteriestrand 10 zuschalten oder sie überbrücken.
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Auf diese Weise kann eine gemeinsame Ansteuerung aller Batteriezellen 11 mit nur wenig Kommunikationsaufwand durchgeführt werden. Das Verfahren ist auch für unterschiedliche Ladezustände der Batteriezellen 11 ausgelegt und funktioniert insbesondere auch bei zeitlichen Änderungen des Ladezustands, da das analoge Signal jeweils mittels des Regelkreises und des Operationsverstärkers 31 entsprechen angepasst und nachgeführt wird. Ferner hat die in 1 gezeigte Ausführungsform den Vorteil, dass die Batteriezellen 11 der Batterie inhärent asynchron takten, da sie separat und autonom jeweils ein eigenes pulsweitenmoduliertes Signal generieren.
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In der 4 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen 11 nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform nach 3 wird hier das pulsweitenmodulierte Signal 41, das in der Figur mittels einer Rechteckwelle symbolisiert wird, direkt durch eine Regeleinheit 42 erzeugt und über den Isolator 26 an die Treiberschaltung 23 übertragen. Damit kann ein Mikrocontroller 24 auf den Batteriezellen 11 entfallen. Die Regeleinheit 42 kann den Operationsverstärker 34 aus 3 und zusätzliche Komponenten umfassen.
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Zur Glättung der Batteriespannung UHV ist der Batteriestrang 10 ferner mit einer Glättungsinduktivität 43 in Reihe geschaltet.
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In der 5 ist ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle 11 mit verschiedenen Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle 11 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die in 5 gezeigten Komponenten der Treiberschaltung 23, die zum Ansteuern der Transistoren 13, 14 dient, des Mikrocontrollers 24 und des Isolators 26 wurden zuvor bereits beschrieben. Ferner werden mit dem Bezugszeichen 25 Steuersignale bezeichnet, die insbesondere bidirektional zwischen dem Mikrocontroller 24 einerseits und einer in dieser Figur nicht nochmals explizit dargestellten Regeleinheit andererseits über den Isolator 26 hinweg übertragen werden. Im Unterschied zur den Ausführungsformen in den 3 und 4 weist die dritte Ausführungsform Mittel zur Desynchronisierung des pulsweitenmodulierten Signals auf. Dazu werden das pulsweitenmodulierte Signal beziehungsweise die Taktung 51 des Mikrocontrollers 24 mittels eines Spread-Spectrum-Oszillators 52 entsprechend beeinflusst, so dass es statistisch verteilte Taktflanken aufweist. Somit kann erfindungsgemäß eine glatte Batteriespannung UHV erzielt werden.
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In der 6 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle 11 nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der dritten Ausführungsform wird die Desynchronisierung mittels eines Algorithmus im Mikrocontroller 24 vorgenommen. Dazu ist der Mikrocontroller 24 ferner mit einer Rauschspannungsquelle USS gekoppelt, durch die unterschiedliche Anfangsbedingungen pro Batteriezelle 11 erzielt werden können.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit zur Ergänzung der Offenbarung auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Figuren Bezug genommen.