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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen oder Batteriemodulen sowie ein Batteriezellenmodul, welches das Verbindungselement umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und/oder Batteriemodulen, die jeweils eine Batteriezelle umfassen, wobei mindestens zwei Batteriezellen und/oder zwei Batteriemodule mittels eines Verbindungselements verbunden sind.
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An Batterien, welche eine vielfältige Anwendung finden, beispielsweise in Fahrzeugen, d.h. in Hybrid-, Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeugen, stationären Anlagen, z.B. Windkraftanlagen und in mobilen Elektronikgeräten, wie in Laptops und Kommunikationsgeräten, werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt. Insbesondere geeignet ist die Lithium-Ionen-Technologie, welche sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnet.
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Um das Spannungsniveau oder die Stromstärke von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bzw. wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, werden einzelne Akkumulator- bzw. Batteriezellen in Reihe oder parallel miteinander zu Modulen verbunden. Diese Module bzw. Batteriemodule wiederum können zu größeren Untereinheiten zusammengefasst werden, den sogenannten Sub-Units, wobei aus zwei oder mehreren Sub-Units letztendlich eine komplette Batterie aufgebaut wird. Die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen zu Modulen erfolgt im Allgemeinen mittels eines Zellverbinders, die Verschaltung von einzelnen Modulen mittels eines Modulverbinders. Im Folgenden werden die Zell- bzw. Modulverbinder allgemein als Verbinder oder Verbindungselement bezeichnet. Die Zellverbindung ist dabei in der Regel eine stoffschlüssige Verbindung und wird z.B. bevorzugt mit geschweißten, z.B. mittels Laser-, Ultraschall-, und/oder Reibschweißen und ähnliches oder genieteten Verbindern hergestellt.
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Auch eine elektrisch leitfähige Verbindung von einzelnen Modulen erfolgt oftmals in vergleichbarer Weise aber insbesondere durch eine lösbare Verbindung, vorzugsweise einen angeschraubten Verbinder. Allerdings kommt es aufgrund der großen Anzahl von Einzelteilen zu einem relativ hohen Übergangswiderstand. Bedingt durch Korrosion, insbesondere Oxidation, oder nachlassende Kontaktkraft und aufgrund von elektrochemischen Spannungspotenzial-Unterschieden kann es über die Lebensdauer der Batterie zu einer weiteren Erhöhung des Übergangswiderstands kommen. Ferner treten vermehrt elektrische Verluste auf, welche eine Wärmeentwicklung initiieren, die durch eine stärkere Kühlleistung ausgeglichen werden muss.
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Aus
DE 10 2009 058 953 A1 ist ein Modulverbinder bekannt, welcher einzelne Module einer Batterie, umfassend mehrere Batteriezellen, miteinander verbindet. Der Modulverbinder ist einseitig an einem ersten Modul angeschweißt und an der anderen Seite kraftschlüssig in eine Buchse eines weiteren Moduls einsteckbar.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise
DE 100 38 650 A1 ,
US 4, 778, 408 ,
EP 1 439 610 A2 und
WO 97/36344 , sind Verbinder mit Federelementen bekannt, welche entweder einfach und kostengünstig gestaltet sind, aber einen hohen Montageaufwand bedingen, oder solche, welche aufwändig konstruktiv gestaltet sind aber einen vergleichsweise einfache und schnelle Befestigung erlauben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von zwei Batteriezellen oder Batteriemodulen vorgeschlagen. Das Verbindungselement umfasst einen Anschlussbereich zur Verbindung mit einem Terminal einer Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls und einen Aufnahmebereich zur lösbaren Verbindung eines Verbinders, wobei zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit dem Terminal mindestens ein Federelement vorgesehen ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement steht eine lösbare Verbindung von Batteriezellen und/oder Batteriemodulen zur Verfügung, welche einen sehr niedrigen Übergangswiderstand an den Kontaktflächen bietet. Ferner steht eine universell einsetzbare Verbindung zur Verfügung, welche aufgrund reduzierter Anzahl der Einzelteile kostengünstig realisierbar ist. Darüber hinaus können Positionierungsfehler ausgeglichen werden.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement ist derart gestaltet, dass dieses an einem Terminal einer Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls aufgenommen werden kann. Das Verbindungselement umfasst einen Anschlussbereich, welcher mit einem Terminal einer Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls stoff-, kraft- und/oder formschlüssig verbindbar ist. Insbesondere ist der Anschlussbereich derart ausgebildet, dass dieser mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, stoffschlüssig mit einem Terminal einer ersten Batteriezelle oder eines ersten Batteriemoduls verbindbar ist. In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Anschlussbereich derart gestaltet, dass das Verbindungselement mittels eines Rastelements und einer Rasteinrichtung, bzw. einer Clip-Verbindung an dem Terminal befestigbar ist. Beispielsweise können Rastnasen, Rasthaken oder Übergriffe an dem Verbindungselement vorgesehen sein, welche in entsprechend gestaltete Rasteinrichtungen einrasten bzw. diese übergreifen. Ferner kann das Rastelement ergänzt werden durch ein Federelement, welches in einer entsprechend ausgebildeten Aussparung am Verbindungselement derart aufgenommen ist, dass das Terminal zusätzlich zur vorgesehenen Clip-Verbindung fixiert wird.
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Darüber hinaus kann an dem Terminal, insbesondere im Falle eines Terminals mit einer kleinen Querschnittsfläche, ein Adapter vorgesehen sein, welcher mit dem Terminal beispielsweise mittels Schweißen verbindbar ist und an dem das erfindungsgemäße Verbindungselement stoff-, kraft- und/oder formschlüssig verbindbar ist. Der Adapter kann als Zwischenplatte ausgebildet werden.
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Das Verbindungselement umfasst ferner einen Aufnahmebereich. Der Aufnahmebereich ist als Hohlraum ausgebildet, an dem Federelemente vorgesehen sind. Insbesondere weist der Hohlraum, in welchem ein Verbinder, vorzugsweise ein Hochstromverbinder, aufgenommen werden kann, eine rechteckige Form auf. Die Federelemente sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sich zwei Federelemente gegenüberliegen. Ein derartiges Federelement ist aus einem elektrisch gut leitfähigen Material gefertigt und vorgespannt an dem Aufnahmebereich aufgenommen. Insbesondere ist ein derartiges Federelement als Biegefeder, vorzugsweise als Blattfeder, ausgebildet, wobei seine jeweiligen Enden federnd in die den Hohlraum begrenzende Wände des Aufnahmebereichs des Verbindungselements aufgenommen sind. Des Weiteren können die Federelemente als Tellerfedern, Tellerfederpakte oder Spiralfedern in unterschiedlichen Anordnungen ausgebildet sein. Die Federelemente stellen einen Federkontakt zur Verfügung, so dass ein Stromfluss zwischen Terminal der Batteriezelle und/oder des Batteriemoduls und Verbinder über die Federelemente bzw. den Federkontakt erfolgt.
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Das Verbindungselement kann mit einem Schutz versehen sein, wobei der Schutz elektrisch isolierend, vorzugsweise als entsprechende Beschichtung, z.B. als Überzug bzw. Lackierung oder als Umhüllung ausgeführt ist, um für ein mit dem Verbindungselement hantierendes Personal die Gefahr eines Stromschlages auszuschließen und einen Berührungsschutz darzustellen. Ferner wird die Kurzschlussgefahr minimiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Oberflächen der Federelemente, welche in Kontakt zu dem aufgenommenen Verbinder stehen, mit einer Beschichtung versehen, vorzugsweise mit gut leitenden Materialien, beispielsweise metallischen Beschichtungen. Die Beschichtung gewährleistet dauerhaft bei den herrschenden Bedingungen einen geringen Kontakt- und/oder Übergangswiderstand zwischen Federelementen und Verbinder, sowie werden Oxidation und eine Kontaktkorrosion verhindert bzw. minimiert. Vorzugsweise sind die mit dem mindestens einen Federelement in Kontakt stehenden Bereiche des darin aufgenommenen Verbinders ebenfalls beschichtet.
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Der in den Aufnahmebereich des Verbindungselements aufgenommene Verbinder, z.B. der Hochstromverbinder, kann in den Aufnahmebereich eingesteckt werden und wird in dieser Position durch die vorgespannten Federelemente fixiert. In einer Ausführungsvariante wird der eingesteckte Verbinder an einem außerhalb des Aufnahmebereichs befindlichen Verbinderabschnitt mittels zusätzlicher Rastelemente fixiert, um ein unbeabsichtigtes Herausrutschen des eingesteckten Verbinders aus dem Aufnahmebereich zu verhindern. Diese Rastelemente können unter anderem Rastnasen, Rasthaken, Vorsprünge, oder dergleichen sein.
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An dem Verbindungselement können darüber hinaus weitere Einrichtungen untergebracht werden, beispielsweise Sensoreinrichtungen, z.B. Temperatur- und/oder Stromsensoren, und/oder Spannungserfassungseinrichtungen zum Überwachen der Batteriezelle und/oder des Batteriemoduls.
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Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Batteriezellenmodul zur Verfügung gestellt, welches wenigstens zwei Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen umfasst, wobei mittels des erfindungsgemäßen Verbindungselements die Terminals der Batteriezellen bzw. der Batteriemodule elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Es wird weiterhin eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche mehrere erfindungsgemäße Batteriezellenmodule umfasst.
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Ferner wird eine Verwendung des Verbindungselements in einem Hybridfahrzeug (HEV), einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) oder einem Elektrofahrzeug (EV) vorgeschlagen. Weitere Verwendungen sind in E-Bikes, stationären Speichersystemen, z.B. Solaranlagen, Windkraftanlagen.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eines Verbindungselements zur Verbindung von Batteriezellen und/oder Batteriemodulen ermöglicht ein einfaches Verbinden der Einzelteile ohne den Einsatz von speziellen Werkzeugen und ohne spezielle Montage- und Überwachungstechnik. So sind mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement sowohl Verbindungen einzelner Batteriezellen miteinander als auch Verbindungen einzelner Batteriemodule untereinander realisierbar. Aufgrund des niedrigen Bauteilumfangs und eine entsprechend einfache Handhabung und Montage lässt sich eine Batteriezellen- und/oder Batteriemodulverbindung kostengünstig realisieren. Ferner ist vorteilhaft, dass an den benötigten Bauraum geringe Anforderungen gestellt sind.
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Der Übergangswiderstand an den Kontaktflächen ist sehr gering und kann insbesondere durch geeignete Beschichtungen noch weiter verbessert und geschützt werden.
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Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement zur Verfügung gestellte universelle lösbare Verbindungsmöglichkeit können einzelne Batteriezellen und/oder einzelne Batteriemodule bei Bedarf, beispielsweise für Wartungsarbeiten, einfach demontiert werden.
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Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement Verschiebungen und/oder Positionierungsfehler ausgeglichen werden. Das erfindungsgemäße Verbindungselement bewirkt, dass mechanische und thermische Störfaktoren auf den Kontaktwiderstand dauerhaft reduziert und minimiert werden. Insbesondere werden mechanische und thermische Einflüsse auf den Kontaktwiderstand, wie Toleranzen, Vibrationen, Wärmeausdehnungen, kompensiert. Das Gesamtsystem der Batteriezellen- und/oder Batteriemodulverbindung wird unempfindlicher und somit robuster gegen von Außen wirkenden mechanischen und thermischen Belastungen.
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Ein gegebenenfalls zwischen Verbindungselement und Terminal angeordneter Adapter erlaubt eine Anordnung des Verbindungselements unabhängig von der Querschnittsfläche des Terminals der Batteriezelle und/oder des Batteriemoduls.
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Ferner stellt der Schutz, ausgebildet als Lackierung oder Umhüllung, unter anderem einen Berührungsschutz dar, wobei dies eine zusätzliche Schutzmaßnahme für das Wartungs- bzw. Reparaturpersonal gegen Stromschläge darstellt. Folglich werden sowohl Kurzschlüsse vermieden als auch Gefahren für Mensch und Umwelt reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement bietet ferner die Möglichkeit, Einrichtungen zur Batteriezellenüberwachung, beispielsweise eine entsprechende Sensorik, auf einfache Weise zu integrieren, wobei der benötigte Bauraum äußerst gering ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement gemäß einer Ausführungsvariante, angeordnet an einem Terminal;
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2 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verbindungselements.
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Ausführungsvarianten
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Aus der Darstellung 1 geht ein Verbindungselement 10 hervor, welches an einem Terminal 12 einer Batteriezelle 6 angeordnet ist. Der dargestellte Terminal 12 steht über ein Gehäuse 7 der Batteriezelle 6 hervor. Mit Bezugszeichen 8 wird ein Batteriemodul angedeutet. An dem Terminal 12 ist ein als Zwischenplatte ausgebildeter Adapter 14 angeordnet. In 1 ist dargestellt, dass der Adapter 14 mit dem Terminal 12 verschweißt ist, angedeutet durch Schweißzonen 16. Diese stoffschlüssige Verbindung lässt sich insbesondere durch Laserschweißen realisieren, wobei alternativ auch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung Anwendung finden kann.
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Das Verbindungselement 10 weist in der in 1 dargestellten Ausführungsvariante einen Anschlussbereich 18 auf. Der Anschlussbereich 18 ist komplementär zum Adapter 14 derart ausgebildet, dass der Adapter 14 stoffschlüssig daran fixiert werden kann, schematisch angedeutet durch Schweißbereiche 20. Die Verbindung des Verbindungselements 10 bzw. des Anschlussbereichs 18 mit dem Adapter 14 kann beispielsweise auch über eine Schraubverbindung erfolgen. Ist der Terminal 12 ausreichend groß dimensioniert, so kann das Verbindungselement 10 direkt, ohne eine entsprechende Zwischenplatte 14, mit dem Terminal 12 beispielsweise stoffschlüssig verbunden werden.
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Das Verbindungselement 10 weist einen Aufnahmebereich 22 auf, welcher als ein rechteckiger Hohlraum 24 ausgebildet ist. An dem Aufnahmebereich 22 bzw. in dem Hohlraum 24 ist mindestens ein Federelement 26 derart angeordnet, das dieses vorgespannt in dem Aufnahmebereich 22 fixiert ist, beispielsweise sind Enden des Federelements 26 mit Vorspannung in die den Hohlraum 24 begrenzenden Wände des Aufnahmebereichs 22 eingespannt. In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist zwischen sich gegenüberliegenden Federelementen 26 ein Verbinder 28 eingesteckt, welcher durch die vorgespannten Federelemente 26 fixiert wird und mit diesen in einem elektrisch leitenden Kontakt steht. Der Verbinder 28 ist vorzugsweise ein Hochstromverbinder aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Blech oder einer Aluminium- und/oder Kupferlegierung. Das mindestens eine Federelement 26 ist aus einem elektrisch gut leitfähigen und federnden Material gefertigt, wobei der zwischen den Federelementen 26 aufgenommene Verbinder 28, insbesondere ein Hochstromverbinder, in federnden Kontakt mit den Federelementen 26 steht. Mittels des in Federkontakt stehenden Verbinders 28 kann der Strom der Batteriezelle 6 und/oder des Batteriemoduls 8 ohne wesentliche Verluste fließen.
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Die Federelemente 26, welche gegenüberliegend in dem Hohlraum 24 angeordnet sind, stellen eine Aufnahme für einen Verbinder 28 bereit, wobei die Aufnahme auch in Form eines Schnappverschlusses ausgebildet sein, wobei Widerhaken oder Rastelemente oder vergleichbares umfasst sein können.
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Das Verbindungselement 10 ist mit einem Überzug 30 versehen zum Schutz vor einer unbeabsichtigten Berührung durch mit dem Verbindungselement 10 hantierendes Personal. Der Überzug 30 kann als Beschichtung, beispielsweise in Form einer Lackierung, Bepulverung oder Folierung, ausgeführt sein, welche eine Isolierung auf dem Verbindungselement 10 darstellt.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verbindungselements 10 dargestellt.
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Hierbei werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Diese Ausführungsvariante des Verbindungselements 10 unterscheidet sich im Anschlussbereich 18 dadurch, dass das Verbindungselement 10 mit dem Adapter 14 mittels einer Rastverbindung 32 verbunden wird. Insbesondere ist der Anschlussbereich 18 mit einer Rasteinrichtung 34 versehen, beispielsweise als einen den Adapter 14 übergreifenden Randbereich, in welchen der Adapter 14 formschlüssig aufgenommen ist. Die Rastverbindung 32 kann aber auch als Rastelement, z.B. als Rastnase und eine dazu komplementär ausgebildete Verrastung ausgebildet sein. Im Falle des in 2 dargestellten Verbindungselements 10, welches mittels einer Art Clip-Verbindung an dem Adapter 14 aufgenommen ist, ist ferner ein weiteres Federelement 38 derart angeordnet, dass eine Fläche 36 des Adapters 14 in federnden Kontakt mit dem weiteren Federelement 38 steht und durch dieses fixiert wird. Bei einer ausreichenden Dimensionierung des Terminals 12 und einer entsprechenden Befestigungsgeometrie kann das Verbindungselement 10 direkt ohne den Einsatz des Adapters 14 mit dem Terminal 12 form- und/oder kraftschlüssig verbunden sein.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verbindungselements 10 können einzelne Batteriezellen 6 miteinander zu dem Batteriemodul 8 verbunden werden. Insbesondere finden derart miteinander verbundene Batteriezellen 6 und/oder Batteriemodule 8 Verwendung in Hybridfahrzeugen (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen (EV), sowie in E-Bikes und stationären Energiespeichersystemen, wie Solaranlagen und Windkraftanlagen.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement 10 kann als ein Spritzgussbauteil aus einem elektrisch isolierenden Material oder aus einem extrudierten oder gezogenem Profil gefertigt werden, wobei die Federelemente 26 eingespritzt werden können oder nachträglich eingebracht werden. Hierbei ist es möglich, dass die Federelemente 26 und evtl. 38 beispielsweise mit einem Kunststoff umspritzt werden und als Halbzeug mit dem Verbindungselement 10, als Blechteil oder Strangpressteil aus Metall gefertigt, verbunden werden, insbesondere durch Kleben, Rasten, Klipsen etc.. Die Federelemente 26, evtl. 38 und das Verbindungselement 10 können aber auch komplett mit einem Kunststoff umspritzt werden, so dass keine weiteren Verbindungsverfahren notwendig sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009058953 A1 [0005]
- DE 10038650 A1 [0006]
- US 4778408 [0006]
- EP 1439610 A2 [0006]
- WO 97/36344 [0006]
