DE102014001975A1 - Battery for a motor vehicle, motor vehicle and method for producing a battery for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Batterie für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Batteriezellen (2) sowie wenigstens eine Stromschiene (4), die Anschlusspunkte (3) wenigstens zweier der Batteriezellen (2) elektrisch leitend verbindet, wobei an der Stromschiene (4) ein aus einem elektrisch isolierenden Material bestehendes Temperierelement (5) befestigt ist, das wenigstens einen abgesehen von einer Zuflussöffnung (11) und einer Abflussöffnung (12) abgeschlossenen Hohlraum (9) zur Führung eines Temperiermittels definiert, der sich entlang der Stromschiene (4) erstreckt.Battery for a motor vehicle, comprising a plurality of battery cells (2) and at least one busbar (4) electrically connecting the connection points (3) of at least two of the battery cells (2), wherein on the busbar (4) consisting of an electrically insulating material tempering (5) is fastened, which defines at least one except for an inflow opening (11) and a drain opening (12) closed cavity (9) for guiding a temperature control, which extends along the busbar (4).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Batteriezellen sowie wenigstens eine Stromschiene, die Anschlusspunkte wenigstens zweier der Batteriezellen elektrisch leitend verbindet.The invention relates to a battery for a motor vehicle, comprising a plurality of battery cells and at least one bus bar, which electrically connects connecting points of at least two of the battery cells.
Energiespeichersysteme in Kraftfahrzeugen, insbesondere Lithium-Ionenbatteriezellen, sollen möglichst homogen mit geringem Temperaturgradienten gekühlt bzw. beheizt werden. Insbesondere prismatische Zellen können Lufteinschlüsse im Gehäuse aufweisen, durch die die Wärmeleitung innerhalb des Gehäuses verschlechtert wird. Damit ist eine Temperierung der Batterie über die Seitenflächen der Batterie häufig nicht ausreichend, um eine homogene und ausreichend niedrige Temperatur der Batteriezellen des Energiespeichersystems zu gewährleisten, bzw. es ist eine sehr aufwändige Kühlung bzw. Heizung erforderlich.Energy storage systems in motor vehicles, in particular lithium-ion battery cells, should be cooled or heated as homogeneously as possible with a low temperature gradient. In particular, prismatic cells may have trapped air in the housing, which deteriorates the heat conduction within the housing. For a temperature of the battery over the side surfaces of the battery is often not sufficient to ensure a homogeneous and sufficiently low temperature of the battery cells of the energy storage system, or it is a very complex cooling or heating required.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Temperierung für eine Batterie der eingangs genannten Art anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying an improved temperature control for a battery of the type mentioned.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie der eingangs genannten Art gelöst, wobei an der Stromschiene ein aus einem elektrisch isolierenden Material bestehendes Temperierelement befestigt ist, das wenigstens einen abgesehen von einer Zuflussöffnung und einer Abflussöffnung abgeschlossenen Hohlraum zur Führung eines Temperiermittels definiert, der sich entlang der Stromschiene erstreckt.The object is achieved by a battery of the type mentioned above, wherein on the busbar one of an electrically insulating material existing tempering is attached, which defines at least one apart from an inlet opening and a drain opening closed cavity for guiding a temperature control, along the Busbar extends.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, auszunutzen, dass die Stromschiene über die elektrischen Anschlusspunkte einer Batterie direkt mit den Zellwickeln verbunden sind, wodurch eine gute Wärmeübertragung von den Zellwickeln möglich ist. Dabei werden auch Kontaktpunkte zur elektrischen Verbindung, die eine weitere Wärmequelle der Batterie bilden, besonders gut temperiert. Das Temperierelement kann dabei als Kühl- und/oder Heizelement dienen. Somit können die Zellen besonders gut gekühlt und/oder, beispielsweise bei winterlichen Außentemperaturen, beheizt werden, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs verlängert wird, da die Zellen schneller ihre optimale Betriebstemperatur erreichen.The invention is based on the idea to exploit that the busbar are connected via the electrical connection points of a battery directly to the cell wraps, whereby a good heat transfer from the cell wraps is possible. Here are also contact points for electrical connection, which form a further heat source of the battery, particularly well tempered. The tempering can serve as a cooling and / or heating element. Thus, the cells can be cooled particularly well and / or, for example, in winter outside temperatures, heated, whereby the range of the vehicle is extended as the cells reach their optimum operating temperature faster.
Zur Temperierung der Stromschiene wird erfindungsgemäß vorgesehen, ein Temperierelement derart an der Stromschiene zu befestigen, dass Temperiermittel, das insbesondere ein Kühl- oder Heizmittel sein kann, in einem Hohlraum entlang der Stromschiene führbar ist. Durch die Nutzung eines Temperierelements aus elektrisch isolierendem Material wird dabei insbesondere erreicht, dass auch mehrere Stromschienen, die auf unterschiedlichen Potenzialen liegen, mit dem gleichen Temperierelement temperierbar sind, ohne dass eine elektrische Isolierung zwischen der Stromschiene und dem Temperierelement vorgesehen werden muss. Dabei kann das Temperierelement beim Aufbau der Batterie an bereits an den Anschlusspunkten befestigte Stromschienen angefügt werden. Dadurch wird beim Aufbau der Batterie eine optimale Kontaktierung der Zellen und eine Nutzbarkeit moderner Fügetechniken möglich.For temperature control of the busbar, it is provided according to the invention to fasten a tempering element to the busbar in such a way that temperature control means, which may in particular be a cooling or heating means, can be guided in a cavity along the busbar. By using a tempering of electrically insulating material is thereby achieved in particular that several busbars, which are at different potentials, can be tempered with the same tempering without an electrical insulation between the busbar and the tempering must be provided. In this case, the tempering when attaching the battery can be attached to already attached to the connection points busbars. As a result, when the battery is assembled, optimal contacting of the cells and usability of modern joining techniques becomes possible.
Die Dimensionierung des Temperierelements ist dabei abhängig von der von der Batterie abzuführenden Wärme, den verwendeten Materialien sowie dem Temperiermittel. Der durch das Temperierelement definierte Hohlraum ist insbesondere dicht gegenüber dem Temperiermittel und weist im Bereich der Zuflussöffnung und/oder der Abflussöffnung Verbindungsbereiche für die Verbindung mit einem Kühl- und/oder Heizkreislauf im Kraftfahrzeug auf. Dabei kann als Temperiermittel sowohl flüssiges als auch gasförmiges Temperiermittel genutzt werden.The dimensioning of the tempering is dependent on the dissipated by the battery heat, the materials used and the temperature control. The cavity defined by the tempering element is in particular sealed relative to the temperature control means and, in the region of the inflow opening and / or the outflow opening, has connecting regions for connection to a cooling and / or heating circuit in the motor vehicle. It can be used as a tempering both liquid and gaseous temperature control.
Vorteilhaft wird für jede Reihe von elektrischen Anschlusspunkten der Batteriezellen der Batterie ein separates Temperierelement vorgesehen, wobei die Temperierelement jedoch seriell oder parallel durch Verbindungselemente verbunden sein können, wodurch ein gemeinsamer Zufluss und ein gemeinsamer Abfluss für Temperiermittel vorgesehen werden können.Advantageously, a separate tempering element is provided for each row of electrical connection points of the battery cells of the battery, but the tempering element can be connected in series or in parallel by connecting elements, whereby a common inflow and a common outflow for temperature control can be provided.
Dabei kann das Temperierelement den Hohlraum, abgesehen von der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung, allseitig begrenzen, wobei der Hohlraum das Temperierelement in Längsrichtung der Stromschiene durchsetzt. Als Längsrichtung wird dabei jene Richtung betrachtet, in der die Stromschiene die Anschlusspunkte der verschiedenen Batteriezellen verbindet. In diesem Fall sind sowohl elektrisch leitende als auch nicht leitende Temperiermittel nutzbar. Insbesondere kann das Temperierelement flächig an der Stromschiene anliegen und mit dieser insbesondere durch ein Wärmeleitmittel, beispielsweise Wärmeleitpaste oder Kleber mit metallischen Partikeln, verbunden sein und/oder das Temperierelement kann stromschienenseitig eine besonders dünne Wand für den Hohlraum aufweist.In this case, the tempering the cavity except for the inflow opening and the drain opening, limit all sides, wherein the cavity passes through the tempering in the longitudinal direction of the busbar. As a longitudinal direction while the direction is considered, in which the busbar connects the connection points of the various battery cells. In this case, both electrically conductive and non-conductive temperature control can be used. In particular, the tempering element can lie flat against the busbar and be connected to it in particular by a heat conducting means, for example thermal paste or adhesive with metallic particles, and / or the tempering element can have a particularly thin wall for the cavity on the busbar side.
Dabei kann das Temperierelement insbesondere eine schlitzförmige Eintiefung aufweisen, in die die Stromschiene eingreift. Dadurch wird zum einen die Kontaktfläche zwischen Temperierelement und Stromschiene und zum anderen die Stabilität der Befestigung an der Stromschiene vergrößert. Wird ein gemeinsames Temperierelement zur Temperierung mehrerer Stromschienen genutzt, kann das Temperierelement dabei insbesondere mehrere Eintiefungen, vorzugsweise eine für jede Stromschiene, aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Temperierelement eine einzelne schlitzförmige Eintiefung aufweist, in die mehrere separate Stromschienen eingreifen.In this case, the tempering element may in particular have a slot-shaped depression into which the busbar engages. As a result, on the one hand, the contact surface between tempering and busbar and on the other hand increases the stability of the attachment to the busbar. If a common tempering element is used to control the temperature of a plurality of busbars, the tempering element can in particular have a plurality of recesses, preferably one for each busbar. However, it is also possible that the tempering a single slot-shaped recess has, in which engage several separate busbars.
Die Temperierung der Batterie kann weiter verbessert werden, wenn das Temperiermittel im direkten Kontakt zu der Stromschiene steht. Daher kann das Temperierelement eine schlitzförmige Ausnehmung aufweisen, in die die Stromschiene eingreift und/oder deren Rand auf der Stromschiene aufliegt, wobei das Temperierelement und die Stromschiene den Hohlraum gemeinsam, abgesehen von der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung, allseitig begrenzen. Bei einer Temperierung von mehreren Stromschienen ist es dabei vorteilhaft mehrere Ausnehmungen vorzusehen, so dass im Bereich jeder der Stromschienen der Hohlraum gemeinsam durch das Temperierelement und die jeweilige Stromschiene begrenzt wird und im Bereich zwischen den Stromschienen der Hohlraum ausschließlich durch das Temperierelement begrenzt wird.The temperature of the battery can be further improved if the temperature control is in direct contact with the busbar. Therefore, the tempering may have a slot-shaped recess, in which engages the busbar and / or rests on the busbar, wherein the tempering and the busbar together limit the cavity, apart from the inflow and outflow, on all sides. In the case of a temperature control of a plurality of busbars, it is advantageous to provide a plurality of recesses, so that in the region of each of the busbars the cavity is delimited together by the tempering element and the respective busbar and in the region between the busbars the cavity is limited exclusively by the tempering element.
Das Temperierelement kann mit der Stromschiene verklebt sein. Insbesondere wenn der Hohlraum gemeinsam durch das Temperierelement und die Stromschiene gebildet wird, können dabei vorteilhaft Flansche, die insbesondere parallel zur Oberfläche der Stromschiene verlaufen, am Temperierelement vorgesehen sein, um die Klebefläche zu vergrößern.The tempering may be glued to the busbar. In particular, when the cavity is formed jointly by the tempering and the busbar, advantageously flanges, which extend in particular parallel to the surface of the busbar, may be provided on the tempering to increase the adhesive surface.
Es ist möglich, dass das Temperierelement wenigstens einen Zuflussverbindungsbereich und/oder einen Abflussverbindungsbereich aufweist, der im Bereich der Zuflussöffnung und/oder der Abflussöffnung angeordnet ist und der zur Verbindung mit einem Temperiermitteltransportelement, beispielsweise einem Schlauch, zur Zuführung bzw. Abführung des Temperiermittels ausgebildet ist. Der Zufluss- bzw. Abflussverbindungsbereich kann durch einen Rohrstutzen gebildet sein, der insbesondere eine Verjüngung aufweist. Alternativ können im Zufluss- bzw. Abflussverbindungsbereich auch Rast- oder Schnappverbindungen, Flansche, Dichtelemente, insbesondere Gummidichtungen, oder Ähnliches vorgesehen sein, um eine Verbindung mit entsprechend ausgebildeten Temperiermitteltransportelementen zu ermöglichen. Dabei kann die Verbindung lösbar erfolgen, es ist jedoch auch eine nicht lösbare Verbindung, beispielsweise durch Kunststoffschweißen, möglich.It is possible for the tempering element to have at least one inflow connection region and / or one outflow connection region, which is arranged in the region of the inflow opening and / or the outflow opening and which is designed for connection to a temperature-control-medium transport element, for example a hose, for supplying or discharging the temperature control medium , The inflow or outflow connection region can be formed by a pipe socket, which in particular has a taper. Alternatively, latching or snap-in connections, flanges, sealing elements, in particular rubber seals, or the like may be provided in the inflow or outflow connecting region, in order to enable a connection with correspondingly formed temperature-control-medium transport elements. The connection can be made detachable, but it is also a non-detachable connection, for example by plastic welding, possible.
Es ist auch möglich, dass durch das Temperierelement mehrere Hohlräume definiert werden, wobei das Temperierelement einen Zuflusshohlraum und/oder einen Abflusshohlraum definiert, in dem die Zuflussöffnungen bzw. die Abflussöffnungen der Hohlräume münden. Der Zufluss- bzw. der Abflusshohlraum kann insbesondere einen oben beschriebenen Zufluss- bzw. einen Abflussverbindungsbereich aufweisen. Alternativ wäre es möglich, jeden der Hohlräume separat mit Temperiermitteltransportelementen zur Zu- und Abführung des Temperiermittels zu verbinden.It is also possible for a plurality of cavities to be defined by the tempering element, wherein the tempering element defines an inflow cavity and / or a drain cavity in which the inflow openings or the outflow openings of the cavities open. The inflow or outflow cavity may in particular have an inflow or outflow connection region described above. Alternatively, it would be possible to connect each of the cavities separately with Temperiermitteltransportelementen for supply and discharge of the temperature control.
Die Batterie kann wenigstens eine erste und eine zweite Stromschiene mit jeweils einem an der Stromschiene befestigten ersten bzw. zweiten Temperierelement sowie wenigstens ein Verbindungselement umfassen, das den durch das erste Temperierelement definierten Hohlraum mit dem durch das zweite Temperierelement definierten Hohlraum verbindet. Falls die Temperierelemente jeweils mehrere Hohlräume definieren, kann das Verbindungselement die Hohlräume jeweils separat oder gemeinsam verbinden. Insbesondere können die durch die wenigstens zwei Temperierelemente definierten Hohlräume durch das wenigstens eine Verbindungselement seriell oder parallel verbunden sein. Bei einer parallelen Beschickung kann ein erstes Verbindungselement als Verteiler und ein zweites Verbindungselement als Sammelrohr dienen.The battery may comprise at least one first and one second busbar, each having a first or second temperature control element attached to the busbar, and at least one connection element which connects the cavity defined by the first temperature control element to the cavity defined by the second temperature control element. If the tempering each define a plurality of cavities, the connecting element can connect the cavities separately or together. In particular, the cavities defined by the at least two tempering elements can be connected in series or in parallel by the at least one connecting element. In a parallel feed, a first connecting element as a distributor and a second connecting element serve as a manifold.
Um die thermische Kopplung zwischen dem Temperierelement bzw. dem Temperiermittel und der Stromschiene zu verbessern ist es möglich, dass die dem Temperierelement zugewandte Seite der Stromschiene Vertiefungen oder Erhebungen zur Vergrößerung einer Kontaktfläche mit dem Temperierelement oder dem Temperiermittel aufweist. Dabei kann die der Oberfläche der der Stromschiene zugewandten Seite des Temperierelements insbesondere gegengleich zur Oberfläche der Stromschiene ausgebildet sein. Vertiefungen in der Stromschiene greifen damit in Erhöhungen im Temperierelement ein und umgekehrt.In order to improve the thermal coupling between the tempering or the temperature control and the busbar, it is possible that the temperature control element facing side of the bus bar recesses or elevations to increase a contact surface with the tempering or the temperature control. In this case, the surface of the busbar-facing side of the tempering may be formed in particular opposite to the surface of the busbar. Recesses in the busbar thus engage in elevations in the tempering and vice versa.
Die Batterie kann wenigstens zwei linear hintereinander angeordnete Stromschienen umfassen, wobei das Temperierelement einen Hohlraum definiert, der sich über die Stromschienen erstreckt. Dabei kann das Temperierelement eine separate Ausnehmung bzw. eine separate Eintiefung für jede der Stromschienen umfassen. Im Bereich zwischen den Stromschienen kann das Temperierelement im Querschnitt geschlossen sein, um einen für das Temperiermittel dichten Hohlraum auszubilden.The battery may comprise at least two bus bars arranged linearly one behind the other, wherein the tempering element defines a cavity which extends over the bus bars. In this case, the tempering may comprise a separate recess or a separate recess for each of the busbars. In the area between the busbars, the tempering element may be closed in cross section in order to form a cavity which is impermeable to the temperature control medium.
Am Temperierelement kann wenigstens ein Verwirbelungselement ausgebildet sein, das zur Verwirbelung eines durch den Hohlraum strömenden Temperiermittels dient. Dies ist vorteilhaft, da turbulente Strömungen im Hohlraum typischerweise zu einer besseren Wärmeübertragung führen. Ist die Stromschiene im direkten Kontakt mit dem Temperiermittel, so ist es ergänzend oder alternativ auch möglich, entsprechende Verwirbelungselemente an der Stromschiene selbst vorzusehen. Das Verwirbelungselemente kann insbesondere ein Steg oder ein Wellenprofil sein. Dabei kann das Verwirbelungselement eine duale Funktion aufweisen und neben der Verwirbelung des Temperiermittels der Erhöhung der mechanischen Stabilität des Temperierelements dienen.At least one swirling element can be formed on the tempering element, which serves for swirling a temperature control medium flowing through the cavity. This is advantageous because turbulent flows in the cavity typically result in better heat transfer. If the busbar is in direct contact with the tempering agent, then it is additionally or alternatively also possible to provide corresponding turbulence elements on the busbar itself. The swirling elements may in particular be a web or a wave profile. In this case, the Verwirbelungselement have a dual function and in addition to the Verwirbelung the temperature control of increasing the mechanical stability of the tempering used.
Das Temperierelement kann aus Kunststoff oder Keramik gebildet sein. Dabei ist bei diesen Werkstoffen eine besonders günstige Herstellung des Temperierelements und/oder eine besonders gute elektrische Isolation durch das Temperierelement möglich.The tempering may be formed of plastic or ceramic. In this case, a particularly favorable production of the tempering and / or a particularly good electrical insulation by the tempering is possible with these materials.
Viele der beschriebenen Ausführungsformen des Temperierelements weisen eine in Längsrichtung im Wesentlichen homogene Struktur auf. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn das Temperierelement als Strangpressprofil hergestellt ist. Durch Strangpressen können relativ komplexe Formen günstig hergestellt werden.Many of the described embodiments of the tempering element have a structure which is substantially homogeneous in the longitudinal direction. It is therefore particularly advantageous if the tempering is made as an extruded profile. By extrusion relatively complex shapes can be produced cheaply.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Batterie umfasst.In addition, the invention relates to a motor vehicle comprising a battery according to the invention.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei nach einem Verbinden von elektrischen Anschlusspunkten mehrerer Batteriezellen durch wenigstens eine Stromschiene ein Temperierelement an der Stromschiene befestigt wird, das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und das wenigstens einen, abgesehen von einer Zuflussöffnung und einer Abschlussöffnung, abgeschlossenen Hohlraum zur Führung eines Temperiermittels definiert, der sich entlang der Stromschiene erstreckt. Das Temperierelement kann dabei insbesondere mit der Stromschiene verklebt werden. Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den entsprechenden Erläuterungen zur erfindungsgemäßen Batterie.In addition, the invention relates to a method for producing a battery for a motor vehicle, wherein after connecting electrical connection points of a plurality of battery cells by at least one busbar a Temperierelement is attached to the busbar, which consists of an electrically insulating material and the at least one, except for one Inflow opening and a closure opening, defined cavity for guiding a temperature control means, which extends along the busbar. The tempering can be glued in particular with the busbar. Further developments of the method will become apparent from the corresponding explanations to the battery of the invention.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the following embodiments and the accompanying drawings. Showing:
Dabei wird durch die Öffnung
In den
Im Unterschied zum vorangehenden Ausführungsbeispiel umschließt das Temperierelement
Ergänzend ist in
Die
Die
Die in
In Schritt S2 werden die Anschlusspunkte der Batteriezellen anschließend zumindest teilweise mit Stromschienen verbunden. Durch die Verbindung mit Stromschienen werden die Batteriezellen parallel und/oder seriell derart verschaltet, dass eine gewünschte Batteriespannung und eine gewünschte Leistungsfähigkeit der Batterie erreicht wird. Die Anordnung der Stromschienen an den Zellstapeln erfolgt ebenfalls mit im Stand der Technik bekannten Verfahren, wobei Stromschienen an den Zellstapeln angeordnet werden können, die auf einer Oberseite, an der in Schritt S3 anschließend ein Temperierelement angefügt werden wird, eine Strukturierung zur besseren Ankupplung der Stromschiene an einen Temperiermittelfluss aufweisen.In step S2, the connection points of the battery cells are then at least partially connected to busbars. Through the connection with busbars, the battery cells are connected in parallel and / or in series in such a way that a desired battery voltage and a desired performance of the battery is achieved. The arrangement of the busbars to the cell stacks is also carried out by methods known in the art, wherein busbars can be arranged on the cell stacks, which are then added on a top, to which in step S3, a tempering, a structuring for better coupling of the busbar to have a Temperiermittelfluss.
Parallel zu den Schritten S1 und S2 oder bereits zuvor oder danach wird in Schritt S3 wenigstens ein Temperierelement bereitgestellt. Das Temperierelement kann dabei insbesondere in einem Strangpressverfahren hergestellt werden, in dem längere Abschnitte von beispielsweise mehreren Metern des Temperierelements hergestellt und anschließend passend zugeschnitten werden.At least one tempering element is provided in step S3 parallel to the steps S1 and S2 or already before or after. The tempering element can be produced in particular in an extrusion process, are produced in the longer sections of, for example, several meters of the tempering and then cut to fit.
In Schritt S4 wird wenigstens ein Temperierelement an wenigstens einer Stromschiene befestigt. Möglichkeiten der Befestigung sind zu den vorangehenden Figuren erläutert.In step S4, at least one tempering element is attached to at least one bus bar. Possibilities of attachment are explained to the preceding figures.
Nach einem optionalen Anbringen weiterer Batterieelemente, wie beispielsweise einem Berührschutz oder einer Batterieentlüftung, ist die Batterie fertiggestellt und kann in Schritt S5 in ein Kraftfahrzeug integriert werden. Neben der üblichen elektrischen Verbindung der Batterie wird die Batterie hierzu über die Zuflussverbindungsbereiche bzw. die Abflussverbindungsbereiche an den Temperierelementen und/oder zusätzliche Verbindungselemente mit einem Temperierkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden.After an optional attachment of further battery elements, such as a touch guard or a battery vent, the battery is completed and can be integrated in step S5 in a motor vehicle. In addition to the usual electrical connection of the battery, the battery is connected via the inflow connection areas or the outflow connection areas on the temperature control elements and / or additional connecting elements with a temperature control circuit of the motor vehicle.
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