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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, ein Batteriemodul mit seriell und/oder parallel elektrisch verschalteten Batteriezellen und ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung.
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Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcorder und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
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Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen, die jeweils ein Elektrodenensemble in einem Gehäuse aufweisen, bestehen können.
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Für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen sind insbesondere Spannungsstufenbatteriesysteme geeignet, die auch als Batterie Direktinverter (BDI) bezeichnet werden. Spannungsstufenbatteriesysteme umfassen mindestens einen Batteriemodulstrang mit einem oder mehreren seriell verschaltbaren Batteriemodulen. Weitere Batteriemodulstränge können parallel dazu geschaltet sein. Die Batteriemodule weisen dabei eine Kopplungseinheit auf und sind mit deren Hilfe individuell elektrisch verbindbar und elektrisch abtrennbar. Daher kann das Spannungsstufenbatteriesystem durch entsprechendes Verbinden und Abtrennen der Module verwendet werden, einen abgestuft variierenden Spannungsverlauf zu erzeugen. Bei entsprechender Auslegung können zum Beispiel drei im Wesentlichen identische zueinander Phasen verschobene Stufenspannungsprofile erzeugt werden, die mittels nachgeordneter Vorrichtungen zur Invertierung zum Antrieb von Elektro- oder Hybridmotoren verwendbar sind.
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Einzelzellgehäuse werden nach Stand der Technik lackiert, um eine elektrisch nichtleitfähige Schutzschicht zu erhalten.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 053 506 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse mit Zellenfachelementen, die aus einem metallischen Werkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem Hybridwerkstoff gefertigt sein können, wobei benachbarte Zellenfachelemente einen gemeinsamen Verbindungsbereich miteinander bilden.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 041 728 A1 wird ein Batteriekasten vorgestellt, der aus Kunststoff gebildet ist, wobei die Stirnwände des Batteriekastens eine gelochte Platte oder einen Gitterrahmen als Verstärkungseinlagen haben, die integral mit den Stirnwänden gefertigt und von Kunststoff umschlossen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Aufnahme von Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden erfindungsgemäß ein Batteriemodul nach Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die erfindungsgemäß vorgestellte Vorrichtung ist chemisch und thermisch beständig und elektrisch nichtleitend. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in mindestens einer Seitenwand und oder einem Boden eine Aussparung aufweist.
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Die Aussparung erlaubt eine Kühlung und/oder temperaturbedingte Ausdehnung der Zellen bei gleichzeitiger Abdeckung kritischer Stellen. Die Vorrichtung ist zudem geeignet, aufgenommene Batteriezellen vor Erschütterungen und Schlägen zu schützen oder den Einfluss von Erschütterungen und Schlägen auf die aufgenommenen Batteriezellen abzumindern.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Befestigungsmittel, das zur Zusammenfügung der Vorrichtung mit einer weiteren Vorrichtung geeignet ist.
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Die weitere Vorrichtung kann etwa eine Kühlvorrichtung, eine Platine, ein Sensor oder eine weitere Vorrichtung zur Aufnahme von Batteriezellen sein, die so leicht mit der Vorrichtung zusammengefügt werden kann.
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In einer Ausführungsform kann das Befestigungsmittel zum Beispiel eine Lasche oder einen Clip umfassen. Dies sind einfach herstellbare Befestigungsmittel.
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Die Vorrichtung kann ein Fixierungsmittel zur Fixierung der Batteriezellen in der Vorrichtung umfassen. Dadurch können Batteriezellen in der Vorrichtung besonders sicher aufgenommen werden.
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Das Fixierungsmittel kann ein Band, einen Riemen oder einen Gurt umfassen. Dies ist ein besonders einfach herstellbares Fixierungsmittel.
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Das Fixierungsmittel kann einen Deckel umfassen. Dann können die Batteriezellen besonders gut fixiert werden.
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An dem Deckel kann das Befestigungsmittel angeordnet sein. Anbauelemente wie Sensoren oder Platinen lassen sich dann gut mit Terminals der Batteriezellen verbinden.
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Der Deckel kann einen Rahmen und mindestens eine Klappe umfassen, die so mit dem Rahmen über Verbindungselemente verbunden ist, dass jede Batteriezelle durch Öffnen der entsprechenden Klappe zugänglich gemacht werden kann.
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Dabei kann das Öffnen der entsprechenden Klappe mehrere oder alle Batteriezellen zugänglich machen. Alternativ umfasst der Deckel für jede Batteriezelle eine separate Klappe.
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Klappen die mehrere Batteriezellen zugänglich machen, sind einfacher in der Herstellung, Individuelle Klappen bieten hingegen besonders hohe Sicherheit.
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Der Deckel kann Aussparungen für Terminals und Überdruckmembranen der Batteriezellen aufweisen. Dies erhöht die Sicherheit weiter und bietet leicht Anschlussmöglichkeit der Terminals.
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Das Befestigungsmittel kann ein Verbindungselement und ein Gegenverbindungselement umfassen, wobei das Verbindungselement an einer Außenseite einer Seitenwand der Vorrichtung angeordnet ist und das Gegenverbindungselement an einer Außenseite einer gegenüberliegenden Seitenwand der Vorrichtung angeordnet ist. Dann lassen sich die Vorrichtung und die weitere Vorrichtung leicht verbinden.
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Die Vorrichtung kann mindestens zwei durch eine Zwischenwand getrennte Fächer zur Aufnahme der Batteriezellen aufweisen. Ein Innenmaß eines jeden Fachs kann dabei kleiner als ein Außenmaß einer Batteriezelle sein, sodass in der Vorrichtung aufgenommene Batteriezellen fest verspannt sind.
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Die Vorrichtung kann aus einem Elastomer, aus Thermoplast oder aus Duroplast gefertigt sein. Dies sind leicht zu verarbeitende Werkstoffe, die chemisch und thermisch beständig und elektrisch nichtleitend sind.
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Das erfindungsgemäß zur Verfügung gestellte Batteriemodul umfasst seriell und/oder parallel elektrisch verschaltete Batteriezellen, wobei die Batteriezellen in einer erfindungsgemäß zur Verfügung gestellten Vorrichtung aufgenommen sind.
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Das erfindungsgemäß zur Verfügung gestellte Fahrzeug umfasst eine Batterie, die mindestens ein erfindungsgemäß zur Verfügung gestelltes Batteriemodul umfasst.
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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 eine erste beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses,
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2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses,
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3 eine erste beispielhafte Aufteilung von Batteriezellen eines Batteriemoduls auf mehrere Gehäuse für je zwei Batteriezellen,
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4 eine zweite beispielhafte Aufteilung von Batteriezellen eines Batteriemoduls auf mehrere Gehäuse für je zwei Batteriezellen, und
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5 eine dritte beispielhafte Aufteilung von Batteriezellen einer Batterie auf mehrere Batteriemodule mit je zwei Gehäusen für je zwei Batteriezellen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Batteriemodul 10 mit zwei Batteriezellen 20 in einer auch als Gehäuse bezeichneten Vorrichtung 30 zur Aufnahme von Batteriezellen. Weiterhin dargestellt ist eine Befestigungslasche 40, die sich von einer Unterkante der Vorrichtung 30 aus nach unten erstreckt. Mithilfe der Befestigungslasche 40 ist eine Kühlplatte 50 so an einer Unterseite der Vorrichtung befestigt, dass die Kühlplatte 50 die Batteriezellen 20 kühlen kann.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 weist diese eine Zwischenwand 60 zwischen den Batteriezellen 20 auf. Durch die Zwischenwand 60 werden in der Vorrichtung 30 zwei Fächer für die Batteriezellen 20 gebildet. Weiterhin sind in Seitenwänden des Beispielgehäuses aus 1 Aussparungen 70 vorhanden. Die Vorrichtung 30 dieses Beispiels hat eine durch eine Gitterstruktur definierte prismatische Form. Die Gitterstruktur umfasst an Kanten zusammenhängende Außenrahmen, die jeweils mindestens eine der Aussparungen 70 umrahmen. Die Gitterstruktur besteht aus einem chemisch und thermisch beständigen und elektrisch nichtleitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem Elastomer, aus Thermoplast oder aus Duroplast. Die Kanten der Außenrahmen entsprechen dabei den Kanten der Vorrichtung 30. Die Gitterstruktur umfasst weiterhin einen Zwischenrahmen, dessen Kanten jeweils zwei gegenüberliegende Außenrahmen so unterteilen, dass diese gegenüberliegenden Außenrahmen jeweils zwei Aussparungen 70 umrahmen. Zwei weitere gegenüberliegende Außenrahmen umrahmen jeweils nur eine Aussparung.
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Die Anzahl der Zwischenrahmen 60 und damit die Anzahl der jeweils umrahmten Aussparungen 70 hängt von der Anzahl der Batteriezellen 20 ab, die von der Vorrichtung 30 aufgenommen werden können. Im Beispiel können zwei Batteriezellen 20 aufgenommen werden, die von einem Zwischenrahmen 60 getrennt sind. Eine Vorrichtung 30 für n Batteriezellen 20 erfordert (n – 1) Zwischenrahmen, sofern Zwischenrahmen überhaupt vorgesehen sind. Für die Strukturierung der Vorrichtung in Fächer sind die Zwischenwände beziehungsweise Zwischenrahmen hilfreich aber nicht notwendig.
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Die Vorrichtung kann insbesondere mindestens eine Aussparung im Boden umfassen, sodass die Bodenseiten der Batteriezellen 20 in thermisch leitfähigen Kontakt mit der Kühlvorrichtung 50 gebracht werden können.
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Insbesondere kann die Vorrichtung genau eine Aussparung im Boden umfassen, die der Größe der Kühlvorrichtung entspricht.
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Alternativ kann die Vorrichtung mehrere Aussparungen im Boden umfassen, die durch ein Gitter gebildet werden, wobei das Gitter so dimensioniert ist, dass die Batteriezellen nicht durch die Aussparungen im Boden passen.
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Insbesondere können die Aussparungen so angeordnet sein, dass sie nur unkritische Stellen der Batteriezellen zugänglich machen, kritische Stellen aber durch die Gitterstruktur abgedeckt sind.
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In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist mindestens eine Seitenwand der Vorrichtung, der Boden der Vorrichtung und/oder mindestens eine Zwischenwand keine Aussparungen auf. Insbesondere können, abgesehen von einer oberen Aussparung zum Einsetzen und Entnehmen der Batteriezellen, keine weiteren Aussparungen in der Vorrichtung vorhanden sein. In 1 sind über die obere Aussparung Elektrodenterminals 80 der Batteriezellen 20 zugänglich.
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Die Ausmaße der Fächer können auf einen Batteriezelltyp angepasst sein, sodass in den Fächern Batteriezellen des Batteriezelltyps ohne Spiel aufgenommen werden können. Wenn die Vorrichtung aus einem Elastomer besteht und damit flexibel ist, können die Ausmaße der Fächer etwas geringer sein als die Ausmaße der Batteriezellen. Dann lassen sich durch Dehnen der Fächer die Batteriezellen noch in diese einsetzen, wobei die Elastizität ein festes Verspannen der eingesetzten Batteriezellen in den Fächern bewirkt.
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Die Vorrichtung kann Fixierungsmittel zur Fixierung der Batteriezellen in der Vorrichtung umfassen. Das fixierungsmittel kann zum Beispiel mindestens einen Deckel zum teilweisen oder vollständigen Verschließen der oberen Öffnung umfassen. Dies ist beispielhaft in 2 für einen teilweise verschließenden Deckel 100 dargestellt. Der Deckel 100 weist je Fach drei Aussparungen auf, die bei auf die Vorrichtung 30 aufgesetztem Deckel 100 die Elektrodenterminals 80 und eine Überdruckmembran 90 der Batteriezelle 20 im jeweiligen Fach zugänglich lassen. Der Deckel besteht aus demselben Werkstoff wie der Rest der Vorrichtung oder einem anderen Werkstoff, der chemisch und thermisch beständig und elektrisch nichtleitend ist. Im Beispiel aus 2 weist der Deckel 100 Befestigungselemente 110 auf, mit denen der Deckel 100 am Gehäuse 30 befestigt worden ist.
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Der Deckel kann als ein Rahmen mit einer oder mehreren Klappen ausgeführt sein, wobei die Klappe beziehungsweise die Klappen bei mit dem Rest der Vorrichtung 30 verbundenem Rahmen geöffnet werden können. Die Klappe oder die Klappen können mit dem Rahmen über ein Scharnier dauerhaft verbunden sein oder mittels Befestigungsvorrichtungen, beispielsweise Clips oder Laschen, mit dem Rahmen verbindbar und trennbar sein. Ist nur eine Klappe vorhanden, so kann diese ausgestaltet sein, im geöffneten Zustand alle Fächer in einer Weise zugänglich zu machen, die Entnahme und/oder Einsetzen von Batteriezellen in die Fächer erlaubt. Alternativ kann für jedes Fach eine entsprechende Klappe vorgesehen sein, die Entnahme und/oder Einsetzen von Batteriezellen in das entsprechende Fach erlaubt. Es ist auch möglich, dass mehrere Klappen vorgesehen sind, die jeweils einige aber nicht alle Fächer zugänglich machen.
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Schließlich ist es auch möglich, dass die Vorrichtung mehrere Deckel umfasst, die zusammen die obere Öffnung teilweise oder vollständig verschließen.
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Der oder die Deckel fixieren die Batteriezellen in der Vorrichtung. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform sind Bänder, Riemen oder Gurte als Fixierungsmittel vorgesehen.
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Der oder die Deckel können ein oder mehrere Befestigungsmittel 110 aufweisen, die den Anbau von Anbauelementen, beispielsweise Steuerplatinen, Messsensoren oder dergleichen, ermöglichen.
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Von einem Paar gegenüberliegender Seitenwände der Vorrichtung kann eine an ihrer Außenseite ein oder mehrere Verbindungselemente, etwa eine Nut, und die andere an ihrer Außenseite ein oder mehrere entsprechend angeordnete Gegenverbindungselemente, beispielsweise Federn, aufweisen. Andere Beispiele für Verbindungselement und Gegenverbindungselement sind Schwalbenschwanzverbindungen und Druckknopfverbindungen.
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Verbindungselement und Gegenverbindungselement bilden dann Befestigungsmittel 110, mit denen sich die Vorrichtung mit einem entsprechenden weiteren Gehäuse zusammenfügen lässt. Zusätzlich oder alternativ können Laschen oder Clips als Befestigungsmittel 110 vorgesehen sein, die Gehäuse miteinander zu verbinden.
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Die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlauben insbesondere den einfachen Aufbau von Parallel- und/oder Serienschaltungen von Batteriezellen. Solche Parallel- und/oder Serienschaltungen werden beispielsweise in Batteriedirektinvertern (BDI) verwendet. BDI eignen sich nicht nur aber insbesondere für elektrische oder hybride Antriebe von Kraftfahrzeugen. Ein weiterer Vorteil der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die separate Austauschbarkeit der Batteriezellen, die von BDI unterstützt wird, etwa im Falle von Defekten, Abnutzung oder Überalterung.
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3 zeigt beispielhaft ein Batteriemodul 10 mit einer 4s1p Verschaltung und 4 ein Batteriemodul 10 mit einer 6s1p Verschaltung mit Vorrichtungen 30, die je zwei Batteriezellen 20 aufnehmen können. Dabei ist eine 4s1p Verschaltung eine Verschaltung, bei der vier Batteriezellen 20 seriell und keine Batteriezellen parallel verschaltet sind. Eine 6s1p Verschaltung verschaltet sechs Batteriezellen 20 seriell und keine Batteriezellen parallel.
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5 zeigt eine Reihenverschaltung S von Batteriemodulen 10 zu einer Batterie 1. Jedes Batteriemodul 10 umfasst dabei zwei Vorrichtungen 30 mit je zwei Batteriezellen 20. Dabei besteht zwischen den Batteriezellen 20 in jeder Vorrichtung eine Parallelverschaltung P. Zwischen der Parallelverschaltung P der Batteriezellen 20 der einen Vorrichtung 30 eines jeden Batteriemoduls 10 und der Parallelverschaltung P der Batteriezellen 20 der anderen Vorrichtung desselben Moduls besteht eine Reihenverschaltung S. Jedes Batteriemodul 10 realisiert also eine 2s2p Verschaltung. Im dargestellten Beispiel aus 4 mit k Modulen realisiert die Batterie 1 also eine (2·k)s2p Verschaltung von n Batteriezellen 20, mit n = 4·k.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053506 A1 [0007]
- DE 102007041728 A1 [0008]
