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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Fluidtransportsysteme für Fahrzeugbatterie-Wärmemanagementsysteme.
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge wie etwa batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs), Plug-In-Elektrofahrzeuge (PHEVs) oder Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) enthalten eine als Energiequelle für das Fahrzeug wirkende Batterie, wie etwa eine Hochspannungsbatterie. Batteriekapazität und Lebensdauer können sich abhängig von der Betriebstemperatur der Batterie verändern. Es ist allgemein wünschenswert, die Batterie innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu halten, während das Fahrzeug in Betrieb ist oder während das Fahrzeug lädt.
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Fahrzeuge mit Batterien können Kühlsysteme enthalten, um eine Temperatursteuerung für die Batterien bereitzustellen, um die Lebensdauer zu verlängern und die Leistung zu verbessern.
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KURZFASSUNG
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In einer Ausführungsform ist eine Traktionsbatteriebaugruppe, die eine Batterieanordnung und einen serpentinenförmigen Wärmetauscher aufweist, vorgesehen. Die Batterieanordnung enthält eine Vielzahl von gestapelten Zellen zum Antreiben eines Fahrzeugs. Der serpentinenförmige Wärmetauscher ist mit den Zellen so verschachtelt, dass gegenüberliegende Seiten einer jeden Zelle in Kontakt mit dem Wärmetauscher stehen. Der Wärmetauscher definiert Durchgänge für darin hindurchfließendes Kühlmittel, um die Temperatur der Batteriebaugruppe zu regulieren.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Traktionsbatteriebaugruppe, die eine Batterieanordnung aufweist, vorgesehen. Die Batterieanordnung enthält eine Vielzahl von Zellen, die in einer Reihe angeordnet sind, eine serpentinenförmige, mit den Zellen verschachtelte flexible Blase und Stirnplatten zum Zusammenpressen von Zellen und Blase. Die serpentinenförmige flexible Blase definiert mindestens einen internen Kühlmittelkanal. Ein Abstandselement ist vorgesehen, um zu verhindern, dass die zusammengepressten Zellen den mindestens einen internen Kühlmittelkanal in einer Umgebung des Abstandselement vollständig einbrechen.
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In noch einer anderen Ausführungsform ist eine Traktionsbatteriebaugruppe, die eine Batterieanordnung und einen Wärmetauscher aufweist, vorgesehen. Die Batterieanordnung enthält eine Vielzahl von Zellen. Der Wärmetauscher steht in Kontakt mit mindestens drei Seiten einer jeden Zelle in der Anordnung. Der Wärmetauscher weist eine Eintrittsöffnung, eine Austrittsöffnung und ein internes Leitungssystem auf, durch das ein Kühlmittel zirkuliert, um Wärme aus der Batterieanordnung abzuführen.
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Die obigen Aspekte dieser Offenbarung und andere Aspekte werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriebaugruppe.
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterieanordnung.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines aus einer Batterieanordnung entnommenen Wärmetauschers.
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4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4, die einen Querschnitt der Batterieanordnung aus 2 von oben zeigt.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterieanordnung.
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6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6, die einen Querschnitt der Batterieanordnung aus 5 von der Seite zeigt.
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7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7, die einen Querschnitt der Batterieanordnung aus 6 von oben zeigt.
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8 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterieanordnung.
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9 ist eine Querschnittsansicht der Batterieanordnung aus 8 von oben.
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10 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers von oben gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung in verschiedener Art und Weise zu benutzen. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die anhand irgendeiner der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, erwünscht sein.
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Bezug nehmend auf 1 wird eine Traktionsbatteriebaugruppe gezeigt. Elektrofahrzeuge können ein Energiesystem enthalten, das eine Traktionsbatteriebaugruppe 10 mit Komponenten wie etwa eine oder mehrere Batteriezellenanordnungen 12, ein elektrisches Batteriesteuermodul (BECM – battery electrical control module) und eine Gleichstrom-zu-Gleichstrom(DC/DC)-Wandlereinheit aufweist. Die Batteriezellenanordnungen 12 können Energie bereitstellen, um das Fahrzeug und seine Systeme zu betreiben. Jede Batteriezellenanordnung 12 kann eine Vielzahl von Batteriezellen 18 enthalten, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Die Batteriezellen 18, wie etwa prismatische Zellen, wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Zellen 18 können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) enthalten. Durch ein Elektrolyt können sich Ionen während der Entladung zwischen Anode und Kathode bewegen, und dann während der Aufladung zurückkehren. Durch Pole kann Strom aus der Zelle fließen zum Gebrauch durch das Fahrzeug. Die Pole einer jeden Batteriezelle können auf einander benachbarte, gegenüberliegende Pole (positiv und negativ) ausgerichtet sein, um bei Positionierung in einer Anordnung eine Reihenschaltung zwischen den Batteriezellen zu vereinfachen.
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Die Batteriebaugruppe kann ein Wärmemanagementsystem enthalten, um die Temperatur der Batterieanordnung zu steuern. Das Wärmemanagement der Batterieanordnung kann durch verschiedene Systeme wie etwa luft- oder flüssigkeitsgekühlte Systeme realisiert werden. Ein flüssigkeitsgekühltes System kann ein oder mehrere Rohre oder Durchgänge enthalten, die innerhalb eines Wärmetauschers angeordnet sind, um unerwünschte Wärme von der Batterieanordnung abzuführen.
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2 stellt eine Batterieanordnung 12 dar, die drei Zellen 18 in einer gestapelten Konfiguration und einen Wärmetauscher oder eine Blase 20, die zwischen den Zellen 18 verschachtelt sind, aufweist. Die dreizellige Ausführungsform dient nur dem Zweck der Veranschaulichung, bei einer tatsächlichen Anwendung kann die Anzahl der Zellen in der Anordnung größer sein. Die Zellen 18 und der Wärmetauscher 20 werden durch ein Paar Stirnplatten 22 und Halter 24 aneinander gesichert. Halter 24 und Stirnplatten 22 sichern die Zellen 18 und den Wärmetauscher 20 auch an der Batteriebaugruppe 10. Die Stirnplatten 22 grenzen an einen Seitenabschnitt 26 der ersten und letzten Zelle 28, 30 und verhindern, dass die Zellen 18 sich vorwärts oder rückwärts bewegen. Vier Halter 24 (nur einer wird gezeigt), die an den vier äußeren Rändern 32 einer jeden Zelle 18 angeordnet sind, sichern die Zellen 18 in lateraler und vertikaler Richtung. Die Stirnplatten 22 und Halter 24 werden mit Verbindungselementen 34 aneinander gesichert. Zum Beispiel können vier Schrauben in jeder Ecke der Stirnplatten 22 die Stirnplatten 22 und Halter 24 zusammen verbinden. Die Stirnplatten 22, Halter 24 und Verbindungselemente 34 können zusammenwirken, um den Zellen 18 ein Zusammenpressen bereitzustellen.
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Der Wärmetauscher 20 ist serpentinenförmig in seiner Form und umläuft alternierende Stirnabschnitte 36 einer jeden Zelle 18 derart, dass die Seitenabschnitte 26 einer jeden Zelle 18 in Kontakt mit dem Wärmetauscher 20 stehen. Der Wärmetauscher weist Plattenabschnitte 42 auf, die entlang der Seitenabschnitte 26 angeordnet sind, und gebogene Abschnitte 40, die an den Stirnabschnitten 36 angeordnet sind. Die serpentinenförmige Form erweitert den Flächenbereich zwischen Wärmetauscher 20 und Zellen 18, um die Wärmeableitungsleistung im Vergleich zu anderen Lösungen zu erweitern.
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Bezug nehmend auf 3 wird ein Wärmetauscher oder eine Blase 20 gezeigt, der/die aus der Batterieanordnung genommen ist. Der Wärmetauscher 20 ist aus dünnen flexiblen Membranen 38 gebildet. Die Dicke der Membranen liegt zwischen 0,1 bis 1,0 Millimeter (mm). Das Material der Membranen 38 kann aus einem beliebigen flexiblen Material wie etwa Gummi, Nylon oder Kunststoff hergestellt sein. Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn das Material ein thermisch verbessertes Material ist. Der Wärmetauscher 20 ist flexibel, weshalb er sich um die Zellen 18 herum biegen kann (nicht gezeigt). Die Membranen 38 definieren interne Durchgänge zum Führen eines Kühlmittelmediums. Kühlmittel wird im Kreislauf durch die Durchgänge durch die Eintrittsöffnung 50 und Austrittsöffnung 52 geführt. Die gebogenen Abschnitte 40 sind mit den Plattenabschnitten 42 zusammenhängend ausgebildet, wodurch eine durchgehende Struktur gebildet wird, die keine Gelenke aufweist. Dieses Fehlen von Gelenken reduziert Leckagen- und Strömungswiderstandsprobleme. Dadurch werden auch keine Dichtungen oder andere zusätzliche Teile benötigt. Der Wärmetauscher 20 ist dehnbar. Das Kühlmittelmedium übt im Betrieb Druck auf den Wärmetauscher 20 aus und bläht den Wärmetauscher 20 auf, um die Lücke zwischen benachbarten Zellen zu füllen. Die Lücke zwischen benachbarten Zellen beträgt typischerweise weniger als 2,0 mm. Ein dehnbarer Wärmetauscher 20 reduziert Stapelprobleme und stellt einen besseren Kontakt mit den Zellen 18 bereit als ein starrer Wärmetauscher.
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Bezug nehmend auf 4 wird eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der in 2 gezeigten Batterieanordnung 12 dargestellt. Der Wärmetauscher 20 enthält eine erste Membran 44 und eine zweite Membran 46. Die erste und die zweite Membran 44, 46 sind entlang aller Ränder verbunden und definieren mindestens einen Durchgang oder Kanal 48 zwischen den Membranen. Die erste Membran 44 und die zweite Membran 46 sind nur an den Rändern verbunden, um einen einzigen Durchgang 48 zu bilden, der einer Tasche ähnelt. Alternativ können die Membranen an den Rändern und innen verbunden sein, um eine Vielzahl von parallelen Durchgängen zu bilden. Die erste und die zweite Membran 44, 46 können verbunden werden, indem zusätzliche Membranen zwischen die erste und zweite Membran 44, 46 eingebunden werden. Alternativ können die erste und die zweite Membran 44, 46 entlang einer Naht zusammengeschweißt sein. Der Durchgang 48 steht in Fluidverbindung mit der Eintrittsöffnung 50 und der Austrittsöffnung 52. Kühlmittel wird im Betrieb im Kreislauf zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung 50, 52 durch den Durchgang 48 geführt. Die Durchgänge 48 können zusammenhängend entlang der Länge des Wärmetauschers 20 von der Eintrittsöffnung 50 zur Austrittsöffnung 52 verlaufen. Alternativ können die Durchgänge 48 entlang der Breite des Wärmetauschers 20 verlaufen.
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Bezug nehmend auf 5, 6, und 7 wird eine Batterieanordnung 12 einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Die Batterieanordnung 12 umfasst eine Vielzahl von Zellen 18, die in einer Reihe angeordnet sind. Die Zellen 18 werden durch eine Stirnplatteneinrichtung 22 gesichert. Ein serpentinenförmiger Wärmetauscher 20 umläuft die Zellen 18, um unerwünschte Wärme von den Zellen abzuführen. Der Wärmetauscher 20 hat einen Hauptkörper 54 mit einem unteren Abschnitt 56 und einem oberen Abschnitt 58. Ein Eintrittsverteiler 60 ist entlang dem Hauptkörper 54 am unteren Abschnitt 56 angeordnet. Der Eintrittsverteiler 60 enthält vier Wände 62a–62d, die miteinander verbunden sind, um eine Kammer 64 zu definieren. Der Eintrittsverteiler 60 weist eine Eintrittsöffnung 50 in der Wand 62(c) zum Empfangen von Kühlmittel im Verteiler auf.
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Ein Austrittsverteiler 70 ist entlang dem Hauptkörper 54 am oberen Abschnitt 58 angeordnet. Der Austrittsverteiler 70 enthält vier Wände 72a–72d, die miteinander verbunden sind, um eine Kammer 74 zu bilden. Der Austrittsverteiler 70 steht in Fluidverbindung mit dem Hauptkörper 54. Der Austrittsverteiler 70 weist eine Austrittsöffnung 52 in der Wand 72(c) zum Empfangen von Kühlmittel im Verteiler auf.
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Eine Vielzahl von parallelen Kanälen 48 werden durch den Hauptkörper 54 definiert. Die Kanäle 48 verbinden Eintritts- und Austrittsverteiler 60, 70 in Fluidverbindung. Die Löcher 66 verbinden die Kanäle 48 und die Eintrittsverteiler 60 in Fluidverbindung. Die Löcher 76 verbinden die Kanäle 48 und die Austrittsverteiler 70 in Fluidverbindung.
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Im Betrieb wird Kühlmittel durch die Eintrittsöffnung 50 in den Eintrittsverteiler 60 gepumpt und sammelt sich in der Kammer 64 des Eintrittsverteilers 60 an. Kühlmittel fließt bei ansteigendem Druck im Eintrittsverteiler 60 vom Eintrittsverteiler 60 in die internen Kanäle 48. Kühlmittel fließt dann bei weiter gesteigertem Druck von den internen Kanälen 48 in den Austrittsverteiler 70. Das Kühlmittel fließt dann entlang der Kammer 74 des Austrittsverteilers 70 und verlässt den Wärmetauscher 20 durch die Austrittsöffnung 52. Während das Kühlmittel zwischen der Eintritts- und der Austrittsöffnung 50, 52 zirkuliert, wird unerwünschte Wärme von der Batterieanordnung 12 abgeführt. Die Verteilerausführungsform stellt ein niedrigeres und gleichmäßigeres Temperaturdifferential (Delta T) unter den Zellen in der Anordnung bereit, denn das Kühlmittel fließt nur über eine Breite des Wärmetauschers und nicht entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers. Mit dem niedrigeren Delta T kann für eine gleichmäßigere Temperatur über die ganze Anordnung hinweg gesorgt werden. Es kann ebenso für ein effizienteres Wärmemanagement sorgen.
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Bezug nehmend auf 8 wird eine Batterieanordnung 12 einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Wie oben beschrieben können die Batteriezellen 18 durch Pressen gepackt sein. Die Druckkräfte können ausreichen, um den Wärmetauscher 20 einzubrechen und die internen Durchgänge oder Kanäle 48 zu blockieren. Ein Abstandshalter 80 verhindert das Einbrechen von zumindest einigen der Durchgänge 48. Der serpentinenförmige Wärmetauscher 20 weist eine Vielzahl von Plattenabschnitten 42 auf, die zwischen den Seitenabschnitten 26 der Zellen 18 angeordnet sind. Die Plattenabschnitte 42 enthalten ein Abstandselement 80, um zu verhindern, dass die benachbarten Zellen 18 die Plattenabschnitte 42 einbrechen. Die Plattenabschnitte 42 haben einen Durchbruchsabschnitt 84, um darin das Abstandselement 80 aufzunehmen. Das Abstandselement 80 steht in direktem Kontakt mit entsprechenden Zellen 18 und verhindert, dass die Durchgänge 48 in einer Umgebung des Abstandselements 80 einbrechen. Das Abstandselement 80 könnte ein starrer Abstandshalter oder könnte ein flexibler Abstandshalter sein.
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Bezug nehmend auf 9 wird eine Querschnittsansicht der Batterieanordnung von oben gezeigt. Ein Abstandselement 98 ist zwischen einem Paar benachbarter Zellen 18 angeordnet und verhindert das Einbrechen des Wärmetauschers 20. Das Abstandselement 98 weist eine Vielzahl von Zungen 86 auf, die mit der ersten Wand 88 und der zweiten Wand 90 zusammenwirken, um das Abstandselement an seinem Platz festzuhalten. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher Nuten (nicht gezeigt) zum Aufnehmen der Zungen 86 aufweisen. Alternativ können die Nuten weggelassen werden, und die erste und zweite Wand 88, 90 sind direkt an den Zungen 86 angebracht. In dieser Alternative dichten die Zungen 86 die Durchgänge 48 am Durchbruchsabschnitt 84 ab.
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10 ist eine Querschnittsansicht des Wärmetauschers 20 von oben, die ein internes Abstandselement zeigt, das sich innerhalb der Durchgänge befindet. Der Wärmetauscher 20 weist eine erste Wand 94 und eine zweite Wand 96 auf, die einen Durchgang 48 definieren. Die erste Wand 94 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 92 auf und die zweite Wand 96 ist glatt. Die Vorsprünge 92 erstrecken sich von der ersten Wand 94 nach innen in den Durchgang 48. Die Vorsprünge 92 greifen in die zweite Wand 96, um ein vollständiges Einbrechen des Durchgangs 48 zu verhindern, wenn dieser unter Druck steht. Die Pumpe (nicht gezeigt) kann den Wärmetauscher 20 ausreichend mit Flüssigkeitsdruck versorgen, um im Betrieb den Durchgang 48 vollständig zu öffnen.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle von den Ansprüchen umfassten möglichen Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibende und nicht einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von der Grundidee und dem Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie oben beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Obwohl möglicherweise verschiedene Ausführungsformen als Vorteile bietend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften bevorzugt beschrieben wurden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. gehören. Insofern liegen Ausführungsformen, die als bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
