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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Fahrzeug, mit einer Batterie, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Batteriezellen ist über wenigstens eine Leitung mit einem Kühlkreislauf des Fahrzeugs fluidisch gekoppelt ist.
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Die
DE 10 2013 015 755 A1 beschreibt eine elektrische Batterie für ein Fahrzeug, mit mehreren in einem Batteriegehäuse angeordneten Einzelzellen und einer innerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Temperiereinheit zur Temperierung der Einzelzellen. Die Temperiereinheit ist mit einem Temperierkreislauf gekoppelt. Der Temperierkreislauf wird von einem Temperiermedium durchströmt. Zwischen der Temperiereinheit und dem Temperierkreislauf ist ein schaltbares Absperrventil angeordnet. Ein Auslaufen des gesamten Temperiermediums aus der Temperiereinheit und dem Temperierkreislauf bei einer Leckage der Temperiereinheit kann so vermieden werden.
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Batterien wie etwa Hochvoltbatterien für batterieelektrische Fahrzeuge oder Hybridfahrzeuge können grundsätzlich über drei verschiedene Arten temperiert werden. So kann eine Luftkühlung, eine Kühlung mit einem Kältemittel oder eine Wasserkühlung vorgesehen sein. Die Kühlung beziehungsweise Temperierung der Batteriezellen der Batterie mit einer Kühlflüssigkeit in Form eines Wasser-Glykol-Gemischs ist hierbei derzeit am häufigsten. Eine mit der Kühlflüssigkeit beziehungsweise dem Kühlwasser beaufschlagte Temperiereinrichtung der Batterie ist hierbei meist in einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs integriert. Es ist daher möglich, die Batterie bei intensiver Nutzung, also beim Laden und/oder Entladen, mit kalter Kühlflüssigkeit zu kühlen. Des Weiteren ist es möglich, die Batteriezellen der Batterie, etwa nach einer Standzeit des Fahrzeugs in kalter Umgebung, mittels des sich in dem Kühlkreislauf des Fahrzeugs befindenden Kühlmediums zu wärmen. Nach einer Standzeit des Fahrzeugs über Nacht ist allerdings der gesamte Kühlkreislauf des Fahrzeugs ausgekühlt. Sollen nun die Batteriezellen der Batterie gewärmt werden, so kann hierfür ein elektrischer Heizer vorgesehen sein. Ein solches elektrisches Beheizen verbraucht jedoch elektrische Energie und wirkt sich somit negativ auf die Energieeffizienz des mit der Batterie ausgestatteten Fahrzeugs aus.
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Dies ist insbesondere deswegen ungünstig, da für Fahrzeuge allgemein und somit auch für mit einer Hochvoltbatterie ausgestattete Fahrzeuge eine hohe Energieeffizienz erstrebenswert ist. Des Weiteren geht ein solches elektrisches Beheizen zum Temperieren der Batteriezelle zu Lasten einer Reichweite des Fahrzeugs im batterieelektrischen Fahrbetrieb. Diese ist ohnehin gerade bei tiefen Außentemperaturen verhältnismäßig gering.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art auf besonders einfache Weise so zu verbessern, dass eine erhöhte Energieeffizienz erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Fahrzeug umfasst eine Batterie, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Eine Temperiereinrichtung der Batterieanordnung dient dem Temperieren der Batteriezellen. Die Batterieanordnung umfasst einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs, wobei die Temperiereinrichtung über wenigstens eine Leitung mit dem Kühlkreislauf fluidisch gekoppelt ist. In der wenigstens einen Leitung ist wenigstens ein Thermosiphon angeordnet. Ein solcher Thermosiphon, welcher auch als Wärmefalle oder Konvektionsbremse bezeichnet wird, ist als beispielsweise U-förmiges Rohr ausgebildet, welches einen im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft absteigenden Schenkel und einen im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft aufsteigenden Schenkel umfasst. Warmes Kühlmedium, welches von der Temperiereinrichtung kommt, steigt aufgrund seiner im Verhältnis zu kaltem Kühlmedium geringeren Dichte auf, sinkt jedoch nicht ab. Daher verhindert der absteigende Schenkel des Thermosiphons ein Abfließen von warmem Kühlmedium aus der Temperiereinrichtung, welche dem Temperieren der Batteriezellen der Batterie dient.
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In den aufsteigenden Schenkel des Thermosiphons kann zwar kaltes, von dem Kühlkreislauf des Fahrzeugs kommendes Kühlmedium absinken. Jedoch steigt dieses kalte Kühlmedium in dem anderen Schenkel des Thermosiphons aufgrund seiner größeren Dichte nicht auf. Der Thermosiphon verhindert somit einerseits ein Austreten von warmem Kühlmedium aus der Temperiereinrichtung und andererseits einen Eintrag von kaltem Kühlmedium in die Temperiereinrichtung. Dadurch kann die Energieeffizienz der Batterieanordnung deutlich gesteigert werden.
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Der technische Effekt des Thermosiphons, welcher die Vermischung von kalten und warmen Wassermassen aufgrund einer Mikrozirkulation oder Konvektion verhindert, wird auch bei Warmwasserspeichern genutzt, um die Energieeffizienz des Warmwasserspeichers zu steigern. Der vorstehend beschriebenen Batterieanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich dieses Prinzip auch auf die Temperiereinrichtung der Batterie des Fahrzeugs übertragen lässt. Denn im Fahrbetrieb erwärmt sich aufgrund des Entladens der Batteriezellen (sowie des Ladens der Batteriezellen im Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs) die Batterie und mit dieser das Kühlmedium, insbesondere das Kühlwasser, in der Temperiereinrichtung. Wird dann das die Batterie aufweisende Fahrzeug bei tiefen Außentemperaturen abgestellt, insbesondere im Winter über Nacht, dann kühlt die Batterie langsam wieder ab. Der wenigstens eine Thermosiphon verhindert nun, dass durch Konvektion warmes Kühlwasser von der Temperiereinrichtung in den Kühlkreislauf des Fahrzeugs abfließt. Ein durch die Konvektion bedingtes, rascheres Abkühlen der Temperiereinrichtung und somit der Batteriezellen kann dadurch verhindert werden.
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Insbesondere kann somit das Auskühlen der Batterie während Standzeiten bei tiefen Außentemperaturen deutlich verzögert werden, etwa bei langen Standzeiten über Nacht. Der wenigstens eine Thermosiphon verhindert nämlich die Rückströmung des warmen Kühlwassers aus der Temperiereinrichtung beziehungsweise der Batterie in den kälteren Kühlkreislauf des Fahrzeugs. Die Batterie weist folglich während des Stands des Fahrzeugs eine höhere Durchschnittstemperatur auf. Dies bewirkt wiederum, dass die Batterie auch nach der Standzeit, also bei einem erneuten Start des Fahrzeugs, eine höhere Temperatur hat. Dementsprechend lässt sich mit der Batterie auch eine höhere effektive Reichweite des Fahrzeugs insbesondere im batterieelektrischen Fahrbetrieb erreichen.
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Niedrige Batterietemperaturen führen demgegenüber zu einer Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezellen und verringern die mit der Batterie erreichbare Reichweite. Bei Fahrzeugen mit einer Batterieanordnung, welche nicht den wenigstens einen Thermosiphon aufweist, wird daher häufig die Batterie bei einem Start des Fahrzeugs bei kalten Temperaturen mit energieintensiven, elektrischen Heizern über den Kühlkreislauf geheizt. Dies verringert jedoch die Energieeffizienz. Vorliegend kann der Einsatz solcher energieintensiver, elektrischer Heizer zumindest vermindert werden, was die Energieeffizienz der Batterieanordnung erhöht. Zudem lässt sich die erhöhte Energieeffizienz besonders einfach erreichen, da ein sehr einfaches, funktionssicheres und nicht wartungsanfälliges Bauteil in Form des wenigstens einen Thermosiphons zum Einsatz kommt.
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Die Batterie bleibt also während der Standzeit länger warm. Hierdurch wird im Umkehrschluss die Reichweite bei einer darauffolgenden Fahrt des Fahrzeugs vergrößert und die Energieeffizienz erhöht. Die Batterieanordnung ist also geeignet, die Reichweite insbesondere von batterieelektrischen Fahrzeugen bei tiefen Außentemperaturen zu steigern und eine höhere Energieeffizienz zu gewährleisten.
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Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Leitung eine Rücklaufleitung, über welche ein von der Temperiereinrichtung kommendes Kühlmedium dem Kühlkreislauf zuführbar ist. Hierbei ist der wenigstens eine Thermosiphon in der Rücklaufleitung angeordnet. Dadurch kann ein Abfließen von warmem Kühlmedium aus der Temperiereinrichtung über die Rücklaufleitung verhindert werden.
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Als weiter vorteilhaft, hat sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Leitung eine Vorlaufleitung umfasst, über welche ein von dem Kühlkreislauf kommendes Kühlmedium der Temperiereinrichtung zugeführt werden kann. Hierbei ist der wenigstens eine Thermosiphon in der Vorlaufleitung angeordnet. So kann verhindert werden, dass über die Vorlaufleitung warmes Kühlmedium aus der Temperiereinrichtung abfließt.
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Insbesondere, wenn also die Kühlrohrleitungen vor und nach der Batterie, also die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung, einen jeweiligen Thermosiphon aufweisen, wird die Konvektion des Kühlmediums beziehungsweise Kühlwassers verhindert.
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Als Kühlmedium kommt bevorzugt Wasser zum Einsatz, welches wenigstens ein Frostschutzmittel umfasst, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Denn bei einem Wasser enthaltenden Kühlmedium lässt sich mittels des Thermosiphons die Konvektion besonders wirkungsvoll vermeiden, welche auf der bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlichen Dichte des Wassers beruht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Batterieanordnung eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik; und
- 2 eine Batterieanordnung eines batterieelektrischen Fahrzeugs, bei welcher in einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung jeweils ein Thermosiphon angeordnet ist.
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1 zeigt schematisiert eine Batterieanordnung 10 eines batterieelektrischen Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist eine Batterie 12 als Hochvoltbatterie ausgebildet, welche eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Batteriezellen umfasst. Eine Temperiereinrichtung 14 dient dem Temperieren der Batteriezellen. Über eine Rücklaufleitung 16 kann Kühlwasser einem Kühlkreislauf 18 des Fahrzeugs zugeführt werden, wenn die Batteriezellen gekühlt werden sollen. Über eine Vorlaufleitung 20 kann das vom Kühlkreislauf 18 kommende Kühlwasser der Temperiereinrichtung 14 zugeführt werden. Wird nach einer Fahrt das Fahrzeug, welches die in 1 gezeigte Batterieanordnung 10 aufweist, bei tiefen Außentemperaturen (also etwa im Winter) länger abgestellt, beispielsweise über Nacht, so kühlt die Batterie 12 langsam wieder ab. Dies geschieht vorrangig über den Kühlkreislauf 18, welcher dünne Rohrleitungen mit einer vergleichsweise geringen Wärmekapazität aufweist. Innerhalb der Vorlaufleitung 20 und der Rücklaufleitung 16 kommt es dann durch Konvektion zu einem Abfließen von warmem Kühlwasser aus der Temperiereinrichtung 14. Zugleich dringt kaltes Kühlwasser, welches von dem Kühlkreislauf 18 her kommt, in die Temperiereinrichtung 14 ein. Auch die Batterie 12 kühlt in der Folge ab.
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Ein solches Auskühlen auch während längerer Standzeiten des Fahrzeugs bei tiefen Außentemperaturen wird bei einer in 2 schematisch gezeigten, verbesserten Batterieanordnung 22 deutlich verzögert.
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Die in 2 gezeigte Batterieanordnung 22 umfasst eine Batterie 24, welche vorliegend als Hochvoltbatterie eines batterieelektrischen Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs ausgebildet ist. Dementsprechend weist die Batterie 24 eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Batteriezellen auf, welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dem Temperieren der Batteriezellen dient eine Temperiereinrichtung 26. Mittels der Temperiereinrichtung 26 können die Batteriezellen gekühlt werden, wenn dies etwa im Entladebetrieb und/oder im Ladebetrieb der Batteriezellen erforderlich ist, um ein zu starkes Erwärmen der Batteriezellen zu verhindern. Des Weiteren können mittels der Temperiereinrichtung 26 die Batteriezellen erwärmt werden. Dies ist insbesondere bei kalten Außentemperaturen vorteilhaft, da durch das Erwärmen der bei kalten Temperaturen vergleichsweise hohe Innenwiderstand der Batteriezellen verringert wird.
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Über wenigstens eine Leitung in Form einer Vorlaufleitung 28 und einer Rücklaufleitung 30 ist die Temperiereinrichtung 26 mit einem Kühlkreislauf 32 des Fahrzeugs gekoppelt, welches die Batterieanordnung 22 aufweist. Das Fahrzeug kann insbesondere als batterieeleketrisches Fahrzeug ausgebildet sein. Der Kühlkreislauf 32 dient dann beispielsweise dem Kühlen einer elektrischen Antriebseinrichtung des Fahrzeugs, und der Kühlkreislauf 32 weist wenigstens einen (nicht gezeigten) Kühler auf.
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Vorliegend sind in der Vorlaufleitung 28, über welche ein von dem Kühlkreislauf 32 kommendes Kühlmedium der Temperiereinrichtung 26 zugeführt werden kann, und in der Rücklaufleitung 30, über welche das von der Temperiereinrichtung 26 kommende Kühlmedium dem Kühlkreislauf 32 zugeführt werden kann, jeweils ein Thermosiphon 34, 36 angeordnet. Der jeweilige Thermosiphon 34, 36 wirkt als Konvektionsbremse oder Wärmefalle.
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Vorliegend ist beispielsweise der in der Vorlaufleitung 28 angeordnete Thermosiphon 34 als U-förmiges Rohr ausgebildet, welches einen absteigenden Schenkel 38 und einen aufsteigenden Schenkel 40 aufweist. Wird das die Batterieanordnung 22 aufweisende Fahrzeug über Nacht bei tiefen Außentemperaturen abgestellt, so kann zwar warmes Kühlmedium, bei welchem es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch handelt, aus der Temperiereinrichtung 26 bis zu dem absteigenden Schenkel 38 des Thermosiphons 34 fließen. Jedoch sinkt das vergleichsweise warme Kühlwasser aufgrund seiner gegenüber kälterem Kühlwasser geringeren Dichte nicht in den absteigenden Schenkel 38 ab. Der Thermosiphon 34 wirkt somit als Konvektionsbremse für das warme, sich in der Temperiereinrichtung 26 befindende Kühlwasser.
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Aufgrund der gegenüber der Temperiereinrichtung 26 mit der daran angeordneten Batterie 24 geringeren Wärmekapazität der dünnen Rohrleitungen des Kühlkreislaufs 32 kühlt das Kühlwasser in dem Kühlkreislauf 32 schneller ab als das sich in der Temperiereinrichtung 26 befindende Kühlwasser. Wegen der im Vergleich zum warmen Kühlwasser höheren Dichte kann dieses, vom Kühlkreislauf 32 kommende Kühlwasser zwar über die Vorlaufleitung in den zweiten Schenkel 40 des Thermosiphons 34 gelangen. Jedoch steigt dieses kältere, dichtere Kühlwasser dann nicht in dem ersten Schenkel 38 des Thermosiphons 34 auf. Es gelangt also über den Thermosiphon 34 kein oder kaum kaltes Kühlwasser in die Temperiereinrichtung 26. Der Thermosiphon 34 wirkt somit als auch Konvektionsbremse für das kalte, sich in dem Kühlkreislauf 32 befindende Kühlwasser.
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Das zu dem in der Vorlaufleitung 28 angeordneten Thermosiphon 34 Ausgeführte gilt in analoger Weise für den in der Rücklaufleitung 30 angeordneten Thermosiphon 36. Es wird also auch durch den zweiten Thermosiphon 36 sowohl der Eintrag von kaltem Kühlwasser in die Temperiereinrichtung 26 verhindert als auch das Abfließen von warmem Kühlwasser aus der Temperiereinrichtung 26. Dadurch kühlt die Batterie 24 während einer Standzeit des die Batterieanordnung 22 aufweisenden Fahrzeugs deutlich langsamer aus als dies bei der in 1 gezeigten Batterieanordnung 10 der Fall ist. Bei einem erneuten Start des Fahrzeugs hat die Batterie 24 folglich eine höhere Temperatur. Dies geht mit einem verringerten Innenwiderstand der Batteriezellen der Batterie 24 einher. Folglich ist die Reichweite des mit der Batterieanordnung 22 ausgestatteten Fahrzeugs vergrößert. Des Weiteren kann der Einsatz von energieintensiven, elektrischen Heizern vermindert werden, welche beispielsweise genutzt werden können, um die Batteriezellen der Batterie 24 nach einer langen Standzeit des Fahrzeugs zu erwärmen. Folglich ist die Energieeffizienz der Batterieanordnung 22 erhöht.
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Vorzugsweise ist eine Länge eines Leitungsabschnitts 42 der Vorlaufleitung 28, welcher von einer ersten Anschlussstelle 44 bis zu dem Thermosiphon 34 reicht, geringer als eine Länge eines weiteren Leitungsabschnitts 46 der Vorlaufleitung 28. An der ersten Anschlussstelle 44 ist die Vorlaufleitung 28 an die Temperiereinrichtung 26 angeschlossen. Der weitere Leitungsabschnitt 46 reicht demgegenüber von dem Thermosiphon 34 bis zu einer zweiten Anschlussstelle 48, an welcher die Vorlaufleitung 28 an den Kühlkreislauf 32 angeschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Menge an warmem Kühlwasser, welches von der Temperiereinrichtung 26 bis zu dem ersten Thermosiphon 34 gelangen kann, begrenzen.
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In analoger Weise ist vorzugsweise die Länge eines Leitungsabschnitts 50 der Rücklaufleitung 30, welcher von der Temperiereinrichtung 26 bis zu dem zweiten Thermosiphon 36 reicht, geringer als die Länge eines zweiten Leitungsabschnitts 52 der Rücklaufleitung 30, welcher von dem zweiten Thermosiphon 36 bis zu einer Anschlussstelle 54 der Rücklaufleitung 30 an den Kühlkreislauf 32 reicht. Der erste Leitungsabschnitt 50 der Rücklaufleitung 30 ist an einer ersten Anschlussstelle 56 an die Temperiereinrichtung 26 angeschlossen.
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Insgesamt zeigt das Beispiel wie die Anordnung der Thermosiphons 34, 36 im Batteriekühlkreislauf zur Effizienzsteigerung von batterieelektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden kann, insbesondere wenn die Kühlverrohrung vor und nach der Batterie 24 als Thermosiphon 34, 36 ausgeführt wird beziehungsweise den jeweiligen Thermosiphon 34, 36 aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterieanordnung
- 12
- Batterie
- 14
- Temperiereinrichtung
- 16
- Rücklaufleitung
- 18
- Kühlkreislauf
- 20
- Vorlaufleitung
- 22
- Batterieanordnung
- 24
- Batterie
- 26
- Temperiereinrichtung
- 28
- Vorlaufleitung
- 30
- Rücklaufleitung
- 32
- Kühlkreislauf
- 34
- Thermosiphon
- 36
- Thermosiphon
- 38
- Schenkel
- 40
- Schenkel
- 42
- Leitungsabschnitt
- 44
- Anschlussstelle
- 46
- Leitungsabschnitt
- 48
- Anschlussstelle
- 50
- Leitungsabschnitt
- 52
- Leitungsabschnitt
- 54
- Anschlussstelle
- 56
- Anschlussstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015755 A1 [0002]
