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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Elektronikeinheit und/oder einem externen Gerät gemäß dem ersten unabhängigen Anspruch. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen und eine Batterie mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriemodul gemäß den weiteren unabhängigen Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik gehen Vorrichtungen zum Verbinden von elektrischen Energiespeichern zu einer Batterie hervor, wobei mittels mehrerer elektrisch leitender Kontaktelemente der Vorrichtung, welche in einem gemeinsamen Träger mit einem elektrisch isolierenden Trägermaterial fixiert sind, diese mit den Batteriezellenpolen verbunden werden. Aus der
DE 10 2012 218 500 A1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Energiespeichern zu einer Batterie bekannt, bei dem ein aufwendig hergestelltes Stanzteil in einem elektrisch isolierenden Träger gehalten und nach dem Stanzvorgang die Leiterbahnen und Verbindungselemente von den Verbindungsstegen getrennt und in eine Gebrauchsposition gebogen und fixiert werden. Anschließend können die zurecht gebogenen und von dem Trägermaterial gehaltenen Kontaktelemente und Leiterbahnen mit den Batteriezellenpolen verbunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls mit einer Elektronikeinheit und/oder einem externen Gerät vorgeschlagen. Zumindest ein Zellverbinder, welcher Polanschlüsse der Batteriezellen elektrisch leitfähig miteinander verbindet und zumindest ein Verbindungselement, welches als ein Stanzteil ausgebildet ist und mit dem Polanschluss verbunden und derart ausgestaltet ist, dass elektrischer Strom und/oder Daten der Batteriezellen an eine Elektronikeinheit übertragbar sind, werden erfindungsgemäß stoffschlüssig mit dem Polanschluss und dem Zellverbinder verbunden. Es handelt sich bei dem Verfahren um ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung einer Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls, wobei in einem einzigen Fügeverfahrensschritt ein Zellverbinder mit einem Polanschluss und einem Stanzteil stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das Verbindungselement, welches als ein Stanzteil ausgebildet ist, dient zur Anbindung eines CSC-(Cell Supervision Circuit) und/oder eines BMS-Systems (Batteriemanagementsystem) mit zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls. Das Erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Pole der Batteriezellen über die Polanschlüsse mithilfe der Zellverbinder, sowie die Anbindung an das CSC- und/oder BMS-System mittels des Verbindungselementes, welches als ein Stanzteil ausgebildet ist, zu ermöglichen. Die Verwendung eines Stanzgitters für die Anbindung an ein CSC- und/oder BMS-System ersetzt zudem die aufwendige Montage eines Kabelbaumes, welcher für die Verbindung an eine Elektronikeinheit verwendet wird, sodass ein erfindungsgemäßes Stanzgitter lediglich derart in dem Batteriemodul angeordnet werden muss, dass die Fügepartner miteinander stoffschlüssig verbindbar sind. Damit ergibt sich eine vereinfachte Handhabung und damit auch eine Automatisierbarkeit bei der Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung der Batteriezellen untereinander sowie der Verbindung mit einer Elektronikeinheit, sodass die Anzahl an Prozessschritten und die Prozesszeit reduziert werden kann.
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Im Sinne der Erfindung kann unter einem Batteriemodul ein Zusammenschalten mehrerer elektrischer Energiespeicher, insbesondere elektrochemischer Energiespeicher und/oder elektrostatischer Energiespeicher verstanden werden.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und/oder der erfindungsgemäßen Batterie und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungsaspekte möglich.
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Vorteilhaft kann das Stanzteil und/oder der Polanschluss und/oder der Zellverbinder geschweißt, insbesondere lasergeschweißt miteinander verbunden werden. Das Laserstrahlschweißen ermöglicht ein Verschweißen von Bauteilen mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit, wobei gleichzeitig eine schmale und schlanke Schweißnahtform mit geringem thermischem Verzug hergestellt werden kann. Darüber hinaus benötigt das Laserschweißen i. d. R. keinen Zusatzwerkstoff zur Herstellung einer Schweißverbindung. Ein weiterer Vorteil von Laserschweißverfahren ergibt sich durch den im Vergleich zu anderen Schweißverfahren geringen, konzentrierten Energieeintrag in das Werkstück. Die Folge ist u. a. ein geringer thermisch bedingter Verzug. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die große Arbeitsentfernung und die freie Wahl der Umgebungsatmosphäre.
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Im Rahmen der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn das Stanzteil einen metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium oder Kupfer aufweist. Ein metallischer Werkstoff weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, wobei gleichzeitig die Fertigung als ein Stanzteil kostengünstig und mit geringem Aufwand erzielbar ist. Darüber hinaus eignen sich metallische Werkstoffe besonders für das Fügen von elektrisch leitfähigen Verbindungen. Kupfer ist gut formbar und zäh, wobei gleichzeitig hervorragende Wärme und elektrisch leitfähige Verbindungen herstellbar sind, sodass sich durch die Verwendung von Kupfer hervorragende physikalische Eigenschaften, insbesondere die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie ein einfaches Fügen der Fügepartner erzielen lassen. Der Pol einer Batteriezelle weist vorzugsweise Aluminium auf, sodass es vorteilhaft ist, dass das Stanzteil ebenfalls Aluminium aufweist, sodass ein Materialmix der beiden Fügepartner vermieden werden kann. Weist das Stanzteil Aluminium auf, so müssen lediglich Aluminiummaterialien gefügt werden, sodass beim Fügeprozess eine einzige Fertigungsanlage zur Fügung des Polanschlusses mit dem Zellverbinder und dem Stanzteil verwenden werden können. Zusätzlich können somit in kostengünstiger Form, die Anbindung von dem CSC- oder dem BMS-System an den Zellverbinder und den Polanschluss mit nur einer Schweißnaht erzielt werden. Das spart zusätzlich Taktzeit und vereinfacht die Handhabung und die Automatisierbarkeit. Zusätzlich wird ein anfälliger Materialmix verhindert, wodurch die Korrosionsanfälligkeit und intermetallische Phasen weitestgehend unterbunden werden.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass das Stanzteil als ein Stanzgitter ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Verbindungselementen aufweist, insbesondere dass das Stanzgitter zumindest eine Sollbruchstelle aufweist, wodurch das Stanzgitter zumindest abschnittsweise elektrisch entkoppelbar ist. Bei einem erfindungsgemäßen Stanzgitter handelt es sich somit um ein einzelnes Bauteil mit einer Mehrzahl von Verbindungselementen, welche vorzugsweise derart beabstandet zueinander angeordnet sind, dass eine Vielzahl an Batteriezellen mit dem BMS- oder dem CSC-System miteinander verbunden werden können. In vorteilhafterweise kann somit das Stanzgitter auf einfache Weise in dem Batteriemodul derart angeordnet werden, dass in einem einzigen Prozessschritt die Anbindung mehrerer Batteriezellen mit dem CSC- und/oder dem BMS-System ermöglicht wird, sodass die Prozesszeit weiter reduziert werden kann und ein aufwendiges Verbindung einzelner Verbindungselemente und/oder Leiterbahnen reduziert werden kann. Dabei wird das Stanzgitter bzw. die Verbindungselemente des Stanzgitters vorzugsweise derart an dem Zellverbinder angeordnet, dass in einem einzigen Prozessschritt die Fügepartner, Zellverbinder, Polanschluss und Stanzgitter miteinander gefügt werden können.
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Dementsprechend ermöglicht das erfindungsgemäße Stanzgitter eine Reduzierung der Anzahl der Fügestellen und dadurch die Anzahl der Prozesse und eine Vereinfachung der Anlagentechnik gegenüber dem Stand der Technik.
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Besonders bevorzugt weist das Stanzgitter zumindest eine Sollbruchstelle auf, wodurch das Stanzgitter zumindest abschnittsweise elektrisch entkoppelbar ist, sodass nach der Fertigung und/oder nach dem Fügen einzelne Abschnitte getrennt und/oder entnommen werden können. Dabei kann es sich z. B. um Abschnitte des Stanzgitters handeln, welche als mechanische Stabilisierung für die Montage des Stanzgitters in dem Batteriemodul vorhanden sind und nach dem Fügeverfahren nicht mehr notwendig sind, sodass diese entfernt werden können. Die Anordnung von Sollbruchstellen an dem Stanzgitter ermöglicht das einfache Entfernen der nicht mehr benötigten Abschnitte des Stanzgitters, sodass in einem einfachen und vorzugsweise automatisierbaren Verfahrensschritt, die nicht benötigten Teile des Stanzgitters entfernt werden können.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Stanzteil zumindest tlw. ein elektrisches und/oder thermisches Isolationselement aufweisen, insbesondere ist das Verbindungselement mit einem elektrisch isolierenden Material umgeben. Bei dem elektrischen und/oder thermischen Isolationselement handelt es sich um ein nicht oder schwach leitfähiges Material zur Hinderung eines Stromflusses zwischen spannungsführenden und nichtspannungführenden leitfähigen Teilen sowie der Umgebung. Des Weiteren dient ein thermisches Isolationselement zur Verhinderung von Wärmeübertragung zu der Batteriezelle hin oder von der Batteriezelle weg. Bei dem Isolationselement kann es sich beispielsweise um technische Keramiken, wie z. B. Steatit, Porzellan oder Aluminiumoxidkeramiken handeln. Darüber hinaus sind Thermoplaste, wie z. B. Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen sowie Polyester und Polykarbonate denkbar. Auch Duroplaste (Epoxidharz, Polyurethanharz) und Elastomere oder Isolierlacke sind erfindungsgemäß denkbar.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann vornehmlich ein Modulgehäuse mit einem Moduldeckel aufweisen, wobei das Stanzteil zumindest abschnittsweise in dem Moduldeckel und/oder dem Modulgehäuse anordbar ist, insbesondere von dem Moduldeckel und/oder dem Modulgehäuse umspritzt ist. Das Modulgehäuse und/oder der Moduldeckel kann vorzugsweise komplementär zu dem Stanzteil ausgebildet sein, sodass beispielsweise in einer Ausnehmung des Modulgehäuses und/oder des Moduldeckels das Stanzteil zumindest abschnittsweise angeordnet werden kann, sodass das Stanzteil möglichst platzsparend und gleichzeitig elektrisch und/oder thermisch isolierend in dem Modulgehäuse und/oder dem Moduldeckel angeordnet werden kann. Besonders bevorzugt ist es wenn der Moduldeckel und/oder das Modulgehäuse das Stanzgitter derart umgibt, dass durch ein Einspritzen des Moduldeckels in das Modulgehäuse, das Stanzgitter von dem gespritzten Material zumindest abschnittsweise umgeben ist. Dementsprechend können die Prozessschritte weiter reduziert werden, da bei der Herstellung des Moduldeckels gleichzeitig das Stanzgitter elektrisch und/oder thermisch isoliert umspritzt ist. Darüber hinaus ergibt sich somit eine Materialersparnis, da das Stanzgitter nicht zusätzlich elektrisch und/oder thermisch isoliert werden muss.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Stanzteil komplementär zu einer Ausnehmung oder einer Aufnahme des Polanschlusses ausgebildet sein, insbesondere kann das Stanzteil und/oder der Pol formschlüssig verbunden werden. Wird das Stanzteil komplementär zu einer Ausnehmung oder einer Aufnahme des Polanschlusses ausgebildet, so wird bei der Montage des Stanzteils erreicht und/oder sichergestellt, dass dieses in der korrekten Position an dem Polanschluss der Batteriezelle angeordnet ist, so dass durch den Fügeprozess eine bestmögliche Verbindung zwischen den Fügepartnern herstellbar ist, ohne dass das Stanzteil falsch positioniert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass keine zusätzliche Sicherung für die korrekte Positionierung des Stanzteils benötigt wird, wodurch die Prozesszeit weiter reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Stanzteil und der Polanschluss formschlüssig verbunden sind. Das hat zum Vorteil, dass während des Fügeprozesses eine durchgehende und weitestgehend ebene Fügenaht herstellbar ist, sodass die Bildung von Fehlstellen an der Fügenaht zumindest vermindert werden können. Darüber hinaus wird dadurch sichergestellt, dass mit der zuvor eingestellten Energie für das Fügeverfahren, ein Fügen aller drei Fügepartner sichergestellt werden kann. Dementsprechend wird die Auswahlwahrscheinlichkeit für eine fehlerhafte Positionierung und eine fehlerhafte Fügeverbindung weiter reduziert.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass das Stanzteil mehrdimensional ausgebildet ist. Mehrdimensional bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass das Stanzteil nicht nur in einer Ebene ausgestaltet ist, sondern dass dieses in zumindest einer zweiten Ebene, d. h. sowohl in der Länge als auch in der Höhe und/oder in der Tiefe, ausgestaltet sein kann. Dadurch wird erreicht, dass mehrere Batteriezellen einfach miteinander verbunden werden können, ohne dass mehrere Verbindungselemente untereinander Kontaktpunkte aufweisen, die zu einer fehlerhaften Datenübertragung führen. Es wird also verhindert, dass nicht mehrere Batteriezellen mit einem einzigen Verbindungselement verbunden werden, sondern elektrische Energie und/oder Daten einzelner Batteriezellen empfangen oder zu einer Batteriezelle übertragen werden können. Gleichzeitig kann in optimaler Weise der vorhandene Bauraum genutzt werden. Dafür kann das Stanzteil abschnittsweise eine Richtungsänderung aufweisen, sodass das Stanzteil in mehreren Ebenen zwischen der Anbindung der Batteriezelle und der Anbindung mit der Elektronikeinheit angeordnet sein kann. Dementsprechend wird der Bauraum optimal ausgenutzt und gleichzeitig eine ungewollte Kontaktierung einzelner Abschnitte des Stanzteils unterbunden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen mit zumindest einem Pol und zumindest einem Polanschluss zum Übertragen von elektrischer Energie von dem Pol der Batteriezelle an ein externes Gerät. Darüber hinaus weist das Batteriemodul zumindest einen Zellverbinder auf, welcher die Polanschlüsse der Batteriezellen elektrisch leitfähig miteinander verbindet und zumindest ein Verbindungselement, wobei das Verbindungselement mit dem Polanschluss verbunden und derart ausgestaltet ist, dass elektrischer Strom und/oder Daten der Batteriezellen an eine Elektronikeinheit übertragbar sind. Das Verbindungselement ist dabei als ein Stanzteil ausgebildet und stoffschlüssig mit dem Polanschluss und dem Zellverbinder verbunden. Insbesondere kann das Stanzteil mit dem Polanschluss und dem Zellverbinder nach einem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden werden. Folglich ergibt sich ein stoffschlüssiges und monolithisches Bauteil des Zellverbinders des Polanschlusses und dem Stanzteil. Dabei sind diese vorzugsweise materialeinheitlich ausgebildet.
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Bei der Elektronikeinheit, welches mit dem Batteriemodul verbunden wird, handelt es sich vorzugsweise um ein BMS- und/oder ein CSC-System, welches zur Überwachung der Batteriezellen des Batteriemoduls vorhanden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
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Darüber hinaus wird gemäß einem weiteren Aspekt eine Batterie mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriemodul beansprucht. Auch bei der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Änderung, Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Verbindung von Polanschluss, Zellverbinder und Stanzteil,
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2 schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In der 1 ist ein Polanschluss 70 einer Batteriezelle gezeigt, welcher durch die beiden Schweißnähte 61 mit dem Zellverbinder 60 und dem als Stanzteil ausgebildeten Verbindungselement 30 stoffschlüssig verbunden ist. Der Polanschluss 70 dient als Anschlusselement für den Zellverbinder 60 an einen Pol der Batteriezelle. An den Polanschluss 70 wird der Zellverbinder 60 angeordnet, sodass eine formschlüssige Verbindung zwischen Polanschluss 70 und Zellverbinder 60 entsteht, wobei in einem weiteren Schritt das Stanzteil 30 auf den Zellverbinder 60 angeordnet wird, sodass danach durch ein Fügeprozess die Schweißnähte 61 herstellbar sind, wodurch die drei Fügepartner 30, 60, 70 miteinander stoffschlüssig verbunden werden.
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In der 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 90 schematisch dargestellt, wobei eine Mehrzahl an Batteriezellen 80 mit jeweils zwei Polen 81 dargestellt sind. An den Polen 81 sind die Polanschlüsse 70 angeordnet und mit den Zellverbindern 60 verbunden, sodass die Polanschlüsse 70 der Batteriezellen 80 durch den Zellverbinder 60 miteinander verbunden werden. An den drei Batteriezellen 80 ist jeweils ein Verbindungselement 30 des Stanzteils 30 verbunden. Dabei ist das Verbindungselement 30 an dem zumindest einen Polanschluss 70 und somit mit dem Pol 81 der Batteriezelle 80 verbunden. Zellverbinder 60, Polanschluss 70 sowie das Verbindungselement 30, welches mit dem Polanschluss 70 und dem Zellverbinder 60 verbunden wird, liegen in 2 in einer Flucht, sodass in einem einzigen Fügeprozessschritt die drei Fügepartner 30, 60, 70 stoffschlüssig verbunden werden können. Die Verbindungselemente 30 des Stanzteils 30 sind dabei derart ausgestaltet, dass diese parallel und beabstandet zueinander an den Batteriezellen 80 angeordnet sind, sodass keine Kontaktpunkte zwischen den Verbindungselementen 30 des Stanzteils 30 vorhanden sind. Dabei weist das Stanzteil 30 an jedem seiner Verbindungselemente 30 einen rechten Winkel auf, sodass eine Richtungsänderung der Verbindungselemente 30 von der Batteriezelle 80 in zwei Richtungen ermöglicht wird. Darüber hinaus weist das Verbindungselement 30 in 2 zumindest abschnittsweise Isolationselemente 31 auf, welche die Verbindungselemente 30 des Stanzteils 30 an zumindest den Abschnitten des Stanzteils 30 elektrisch und/oder thermisch isoliert, an denen eine elektrisch leitfähige Verbindung der Verbindungselemente 30 des Stanzteils 30 theoretisch möglich wäre. Dadurch werden Kurzschlüsse und/oder fehlerhafte Datenübertragungen unterbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218500 A1 [0002]
