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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlereinheit zur Verwendung in einem Batteriemodul, ein Batteriemodul sowie Verfahren zur Herstellung der Kühlereinheit und des Batteriemoduls. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriemodul.
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Batterien sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
DE 10 2011 103 993 A1 beschreibt ein Batteriemodul mit Batterieeinzelzellen, das zur Verbesserung des Wärmeabtransports und damit zur Verbesserung der Kühlwirkung, ein Kühlelement umfasst. Eine zusätzliche Isolationsfolie sorgt dabei für eine elektrische Isolation der Batterieeinzelzellen gegenüber dem Kühlelement. Zusätzlich ist zum Ausgleich fertigungstechnischer Bauteiltoleranzen ein Toleranzausgleichselement vorgesehen, das einteilig oder stoffschlüssig mit der Isolationsfolie ausgebildet ist. Nachteilig an der Herstellung solcher komplex strukturierten Batteriemodule ist, dass sie einen hohen Materialeinsatz erfordert und eine die Bauteiltoleranzen berücksichtigende Montage schwierig ist. Die Montage führt oftmals zu Fehlstellen zwischen den zu verbindenden Komponenten oder zu geometrischen oder funktionellen Beeinträchtigungen der Komponenten. Darüber hinaus gestaltet sich eine Demontage des Batteriemoduls, beispielsweise zu Servicezwecken und zum Austausch des Kühlelements, schwierig.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlereinheit bereitzustellen, die sich bei einfacher Struktur durch sehr gute wärmeleitende Eigenschaften und die Fähigkeit maßliche sowie fertigungsbedingte Toleranzen und Bauteiltoleranzen auszugleichen, auszeichnet und darüber hinaus einfach montierbar und im Servicefall wieder demontierbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug bereitzustellen, die sich durch eine zuverlässige und dauerhaft hohe Leistung bei guter Laufreichweite und durch einen reduzierten Aufwand im Servicefall auszeichnen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einfache und kostengünstige Verfahren zur Herstellung einer Kühlereinheit sowie eines Batteriemoduls anzugeben, die ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar sind.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlereinheit zur Verwendung in einem Batteriemodul. Die erfindungsgemäße Kühlereinheit umfasst einen Kühler und eine kompressible Wärmeleitmasse, die mit dem Kühler durch Aushärten stoffschlüssig verbunden ist. Eine Wärmeleitmasse, und darunter eine Wärmeleitvergussmasse, im Sinne der Erfindung ist eine plastische Masse, die zum Füllen von Spalten und Fugen und dergleichen verwendet wird und einen Wärmetransport durch diese Masse ermöglicht, so dass das Batteriemodul effektiv gekühlt und vor Überhitzung geschützt werden kann. Dadurch dass die Wärmeleitmasse vor dem Aushärten zumindest teilweise fließfähig ist, kann eine innige Verbindung mit dem Kühler hergestellt werden. Gleichzeitig wird auf der Seite der Wärmeleitmasse, die vom Kühler abgewandt ist, eine ideal gestaltete Anbindungsfläche zur Anordnung von Batteriezellen geschaffen. Durch das Aushärten der Wärmeleitmasse, beispielsweise durch Wärme oder Strahlung, werden der Kühler und die Wärmeleitmasse dauerhaft fest stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Kühler und die Wärmeleitmasse bilden damit eine Einheit, also ein Bauteil, das sich durch eine einfache Struktur aber hohe Funktionalität sowie durch eine einfache Verbaubarkeit und im Servicefall auch durch eine schnelle, unkomplizierte und zerstörungsfreie Austauschbarkeit, auszeichnet. Die Kühlereinheit kann separat bevorratet werden. Das Aufbringen und Aushärten der Wärmeleitmasse hat zudem den weiteren Vorteil, dass auch lediglich eine punktuelle bzw. lokale Applikation der Wärmeleitmasse an vorgesehenen Stellen des Kühlers möglich ist, wodurch effektiv Material und damit Fertigungskosten sowie Gewicht der Kühlereinheit eingespart werden können. Der Montageprozess im Batteriemodul ist ferner deutlich weniger empfindlich gegenüber Verschmutzungen und klimatischen Einflüssen. Durch die kompressiblen Eigenschaften der ausgehärteten Wärmeleitmasse können fertigungsbedingte Toleranzen und Bauteiltoleranzen bei der Montage des Batteriemoduls sehr gut ausgeglichen werden.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Zur weiteren Vereinfachung der Struktur der Kühlereinheit ist die Wärmeleitmasse elektrisch isolierend ausgebildet. Auf zusätzliche Isolationsschichten kann somit verzichtet werden. Eine elektrische Isolation kann dabei entweder durch eine entsprechende Schichtdicke der Wärmeleitmasse oder durch eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung bereitgestellt werden.
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Durch eine zusätzliche formschlüssige Verbindung des Kühlers und der Wärmeleitmasse kann die Stabilität der Kühlereinheit erhöht und damit deren Anfälligkeit für Deformationen unter mechanischer Einwirkung, z. B. während der Bevorratung oder des Montageprozesses, reduziert werden.
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Vorteilhaft ist die Wärmeleitmasse auf mindestens zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Kühlers vorgesehen, da sich die erfindungsgemäße Kühlereinheit somit durch eine beidseitige Verwendbarkeit als Wärmesenke, bzw. zur gleichzeitigen Anwendung an mehreren Batteriezellen, eignet. Die Wärmeleitmasse kann den Kühler am Umfang auch vollständig umgeben. Dies hat den Vorteil, dass durch die quasi geschlossene Form der Wärmeleitmasse um den Kühler, eine besonders gute Verbindungsbildung zwischen Kühler und Wärmeleitmasse erzielt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht ferner vor, dass die Wärmeleitmasse in Form und Schichtdicke so ausgebildet ist, dass sie fertigungsbedingte Toleranzen und Bauteiltoleranzen von Komponenten des Batteriemoduls, ausgleichen kann. Dies verstärkt den bereits durch die Kompressibilität der Wärmeleitmasse eingetragenen Effekt und ermöglicht auch eine Verbaubarkeit von Komponenten mit hohen maßlichen Schwankungen.
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Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer wie vorstehend beschriebenen Kühlereinheit zur Verwendung in einem Batteriemodul angegeben, das durch die Schritte i) Aufbringen einer kompressiblen Wärmeleitmasse auf mindestens eine Seite eines Kühlers und ii) Aushärten der Wärmeleitmasse, gekennzeichnet ist. Das Verfahren ermöglicht eine materialsparende und damit kostenreduzierte Herstellung einer einfach strukturierten und damit leicht zu montierenden Kühlereinheit in Serienfertigung. Durch die durch das Aushärten erhaltene glatte Oberfläche der Wärmeleitmasse, wird einer Verschmutzung der Kühlereinheit, die bei der Montage im Batteriemodul zu Fehlstellen oder Montagedefekten führen könnte, effektiv vorgebeugt.
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Die für die erfindungsgemäße Kühlereinheit angeführten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kühlereinheit.
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Durch die vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass das Aufbringen der Wärmeleitmasse mit einer Form und einer Schichtdicke erfolgt, die fertigungsbedingte Toleranzen und Bauteiltoleranzen von Komponenten des Batteriemoduls, ausgleicht, kann auf das Anbringen zusätzlicher Toleranzausgleichselemente verzichtet werden, was den Fertigungsaufwand der Kühlereinheit vereinfacht und seine passgenaue Verbaubarkeit unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Aufbringen der Wärmeleitmasse auf mindestens zwei sich gegenüberliegende Seiten des Kühlers ausgeführt wird. Hierdurch wird, ohne wesentliche Aufwandserhöhung des Herstellprozesses, die Funktionalität der Kühlereinheit deutlich erhöht. Die Kühlereinheit eignet sich somit zum Verbau zwischen mehreren Batteriezellen, bzw. kann als zweiseitige Wärmesenke fungieren, so dass auf das Anbringen weiterer separater Wärmeableitelemente verzichtet werden kann. Die Wärmeleitmasse kann zudem auch so auf den Kühler aufgebracht werden, dass sie diesen im Wesentlichen vollständig umgibt. Durch das Aushärten der Wärmeleitmasse schrumpft die Wärmeleitmasse sodann auf den Kühler auf. Dies unterstützt die Verbindung zwischen Kühler und Wärmeleitmasse.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Batteriemodul beschrieben, das mehrere, zu einem Zellstapel zusammengefasste Batteriezellen und mindestens eine, wie vorstehend beschriebene, separat handhabbare Kühlereinheit umfasst. Das Batteriemodul zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte, eine gute Laufreichweite und einen reduzierten Serviceaufwand im Reparaturfall aus. Durch die Ausbildung des Kühlers und der Wärmeleitmasse als ein Bauteil ohne weitere irreversible Fixierung der Einheit an mindestens einer weiteren Komponente des Batteriemoduls, kann eine Demontage und ggf. ein Austausch der Kühlereinheit ohne eine Beeinträchtigung der übrigen Komponenten des Batteriemoduls erfolgen. Dies spart Zeit und Kosten für die Montage des Batteriemoduls und den Servicefall. Des Weiteren können, aufgrund der kompressiblen Eigenschaften der Wärmeleitmasse, Bauteiltoleranzen und fertigungsbedingte Toleranzen der Komponenten des Batteriemoduls optimal, ohne das Vorsehen zusätzlicher Toleranzausgleichselemente, kompensiert werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren, zu einem Zellstapel zusammengefassten Batteriezellen. Das Verfahren ist durch den Schritt i) Anordnen einer wie vorstehend beschriebenen Kühlereinheit auf einem Zellboden oder einer Seitenfläche des Zellstapels, so dass die Wärmeleitmasse den Zellstapel mit dem Kühler verbindet oder den alternativen Schritt ii) Anordnen einer wie vorstehend beschriebenen Kühlereinheit so, dass die Kühlereinheit mindestens an eine Batteriezelle angebunden wird, gekennzeichnet. Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen, hoch funktionalen Kühlereinheit als ein Bauteil, ist ein zusätzliches Montieren von Toleranzausgleichselementen sowie separaten Wärmeableitelementen nicht notwendig. Auch eine Demontage der Kühlereinheit, beispielsweise im Servicefall, ist rückstandsfrei und zerstörungsfrei, ohne Beeinträchtigung der übrigen Bauteile des Batteriemoduls, einfach möglich. Eine Montage des Batteriemoduls ist aufgrund der kompressiblen und damit toleranzausgleichenden Eigenschaften der Kühlereinheit passgenau möglich.
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Das Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar und für die Serienfertigung von Batteriemodulen geeignet.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, beschrieben, das mindestens ein wie vorstehend beschriebenes Batteriemodul umfasst. Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte bei guter Laufreichweite sowie einen reduzierten Aufwand im Servicefall aus.
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Die für die erfindungsgemäße Kühlereinheit sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kühlereinheit angeführten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Batteriemodul, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls sowie das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- – Die Kühlereinheit weist bei einfacher Struktur und materialsparender und damit kostensparender Bauweise eine hohe Funktionalität auf.
- – Die Kühlereinheit kann elektrisch isolierend ausgebildet sein.
- – Aufgrund der Ausgestaltung der Kühlereinheit als eine Einheit, d. h. als ein Bauteil, sind die Montage und Demontage einfach möglich.
- – Die Kühlereinheit ist verschmutzungsresistent.
- – Zusätzliche Wärmeableitelemente, Toleranzausgleichselemente und elektrische Isolationsschichten sind nicht notwendig.
- – Die Verfahren zur Herstellung der Kühlereinheit sowie des Batteriemoduls sind, einfach und damit ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig, und selbst in Serienfertigung mit hoher Taktung, umsetzbar.
- – Das Batteriemodul ist einfach strukturiert und kommt mit einer minimalen Anzahl an funktionalen Schichten aus.
- – Fertigungsbedingte Toleranzen der Batteriezellen, des Zellstapels und des Kühlers werden ausgeglichen und Luftspalte zwischen den Bauteilen eliminiert.
- – Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und hohe Laufreichweite bei geringem Serviceaufwand aus.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Kühlereinheit gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht einer Kühlereinheit gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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3 eine Schnittansicht einer Kühlereinheit gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung und
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4 eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der Kühlereinheit sowie des Batteriemoduls dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Im Detail zeigt 1 eine Kühlereinheit 10, die aus einem Kühler 1 und einer Wärmeleitmasse 2 als ein Bauteil gebildet ist. Der Kühler 1 weist eine Oberseite 4 und eine Unterseite 3 auf, wobei die Wärmeleitmasse 2 auf der Unterseite des Kühlers 3 angeordnet ist. Die Wärmeleitmasse 2 ist mit der Unterseite des Kühlers 3 stoffschlüssig und vorzugsweise auch formschlüssig, verbunden. Die Wärmeleitmasse 2 ist kompressibel und vorzugsweise elastisch, so dass sie sich ihrer Montageumgebung anpassen und Bauteiltoleranzen sowie fertigungstechnische Toleranzen der umgebenden Bauteile ausgleichen kann. Sie erlaubt einen Wärmetransport von etwaigen auf ihr montierten Batteriezellen zum Kühler 1. Die Kühlereinheit 10 ermöglicht damit einen effektiven Überhitzungsschutz und eine gute Kühlleistung.
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Vorzugsweise ist die Wärmeleitmasse 2 elektrisch isolierend. Dies kann durch eine entsprechende Schichtdicke der Wärmeleitmasse 2 oder aber eine entsprechende Materialzusammensetzung der Wärmeleitmasse 2 umgesetzt werden.
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Zur Herstellung der Kühlereinheit 10 wird eine fließfähige Wärmeleitmasse auf die gewünschten Stellen des Kühlers 1, in 1 beispielsweise auf die Unterseite 3 des Kühlers 1, flächig oder punktuell bzw. lokal, aufgebracht und sodann ausgehärtet. Durch die Verwendung einer Wärmeleitmasse 2 wird zum einen ein guter, stoffschlüssiger Verbund mit dem Kühler 1 ermöglicht und andererseits auf der freiliegenden Seite der Wärmeleitmasse 2 eine Fläche mit hoher Oberflächengüte ohne Unebenheiten gebildet, die eine optimale Kontaktierung von weiteren Bauteilen möglich macht.
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Durch das Aushärten wird die Wärmeleitmasse 2 zudem schmutzresistent, so dass bei einer Montage der Kühlereinheit 10 Fehlstellen bzw. Montagedefekte durch anhaftende Partikel effektiv vermieden werden können.
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Die Kühlereinheit 10 ist einfach montierbar und im Wartungsfall auch zerstörungsfrei wieder demontierbar.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Kühlereinheit. Die hier gezeigte Kühlereinheit 20 unterscheidet sich von der Kühlereinheit 10 aus 1 dadurch, dass die Wärmeleitmasse 2 auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten 3 und 4 des Kühlers 1, angebracht ist. Die Kühlereinheit 20 eignet sich somit insbesondere zur Verbauung zwischen Batteriezellen.
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3 zeigt eine dritte Ausgestaltung einer Kühlereinheit im Schnitt. Die hier gezeigte Kühlereinheit 30 unterscheidet sich von der Kühlereinheit 20 aus 2 dadurch, dass die Wärmeleitmasse 2 den Kühler 1 am Umfang vollständig umschließt.
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4 zeigt ein Batteriemodul 40, das, zu einem Zellstapel 6 zusammengefasste Batteriezellen 5 aufweist. Die Anzahl der Batteriezellen 5 ist nicht beschränkt und richtet sich nach der gewünschten Leistung des Batteriemoduls 40. Der Zellstapel 1 kann in üblicher Weise verspannt sein, beispielsweise durch einen die Batteriezellen 5 umgebenden Rahmen, wodurch die geometrische Anordnung des Zellstapels 6 gesichert und eine gute Verbindung zwischen den Batteriezellen 5 gewährleistet wird.
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Am Boden des Zellstapels/am Zellboden (7) ist eine Kühleinheit 10 angeordnet, so dass die Wärmeleitmasse 2 der Kühleinheit 10 den Zellstapel 6 mit dem Kühler 1 wärmeleitend verbindet. So wird eine gute Wärmeleitung von im Zellstapel 6 vorhandener Wärme weg vom Zellstapel 6 gewährleistet, was einer langen Lebensdauer des Batteriemoduls 40 zuträglich ist. Alternativ dazu kann die Kühlereinheit 10 auch an einer Seitenfläche des Zellstapels 1 angeordnet sein.
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Die Wärmeleitmasse 2 gleicht zudem aufgrund ihrer Kompressibilität, und vorzugsweise auch ihrer Form und Schichtdicke, Bauteiltoleranzen und maßliche Toleranzen des Zellstapels 6 sowie Unebenheiten aus, verhindert Lufteinschlüsse und sichert somit eine gute thermische Leitfähigkeit.
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Die Wärmeleitmasse 2 ist vorteilhafterweise elektrisch isolierend und verhindert somit einen ungewollten elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen 5.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühler
- 2
- Wärmeleitmasse
- 3
- Unterseite des Kühlers
- 4
- Oberseite des Kühlers
- 5
- Batteriezelle
- 6
- Zellstapel
- 7
- Zellboden
- 10
- Kühlereinheit
- 20
- Kühlereinheit
- 30
- Kühlereinheit
- 40
- Batteriemodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103993 A1 [0002]
