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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die insbesondere mehrfach wieder aufladbar sind. Bei den Batteriezellen handelt es sich vorzugsweise um Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder vergleichbare elektrische Akkumulatoren, wie sie in zahlreichen Geräten und Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Solche Batteriezellen weisen an ihren axial gegenüberliegenden Enden Polkontaktflächen auf und lassen sich in einem Modulgehäuse zu Batteriemodulen zusammenschalten. Das Batteriemodul ist insbesondere für den Einsatz in mobilen Geräten, beispielsweise Elektromobilen geeignet, bei denen hohe Leistungsdichten und kurze Ladezeiten angestrebt werden. Üblicherweise umfasst das Modulgehäuse mindestens zwei dicht miteinander verbundene Gehäuseteile, wobei zwei gegenüberliegende Gehäuseflächen an den Innenseiten des Modulgehäuses ausgebildet sind, zwischen denen sich die Batteriezellen axial erstrecken. Für die Kühlung der einzelnen Batteriezellen wird bevorzugt über Medienanschlüsse ein Kühlmedium in das Modulgehäuse geführt. Die Erfindung betrifft somit auch ein Modulgehäuse für ein derartiges Batteriemodul.
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Insbesondere in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Akkumulatoren bzw. Batterien eingesetzt, die eine hohe Energiekapazität aufweisen. Da grundsätzlich neue Batteriekonzepte bisher keine Praxistauglichkeit erreicht haben, werden die Fahrzeugantriebsbatterien aus zahlreichen industriell verfügbaren kleineren Batteriezellen zusammengesetzt. Häufig kommt die Bauform 18650 zum Einsatz, die eine zylindrische Form besitzt, mit axial gegenüberliegenden Stirnseiten, an denen die Polkontaktflächen ausgebildet sind. Ein Problem von Batteriemodulen, die aus zahlreichen solcher standardförmiger Batteriezellen zusammengesetzt sind, besteht in der erschwerten Wärmeabfuhr von den einzelnen Batteriezellen, speziell von denjenigen Zellen, die in größeren Blöcken bzw. Modulen weiter innen angeordnet sind und von anderen Zellen abgeschirmt werden. Zu einer besonders starken Erwärmung der Zellen kommt es vor allem während eines Schnellladevorgangs, bei dem hohe Ladeströme fließen. In bekannten Modulanordnungen wird versucht, die Wärme von inneren Zellen an äußere Zellen zu übertragen und dann von den äußeren Zellen beispielsweise mithilfe eines Kühlluftstroms oder eines anderen Kühlmediums abzuführen. Dies führt aber zu unterschiedlichen Temperaturbelastungen der Batteriezellen eines Moduls, wodurch einzelne Zellen schneller verschleißen und damit die Gesamtlebensdauer eines solchen Batteriemoduls erheblich beschränken können. Außerdem besteht die Gefahr der Überhitzung einzelner Zellen, was sogar Brände in dem Batteriemodul auslösen kann.
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In der
US 2016/0172727 A1 ist ein Batteriemodul beschrieben, bei dem die Wärmeabfuhr von den einzelnen Batteriezellen durch erhöhten Kontakt mit einem Kühlmedium verbessert werden soll. Dazu werden Kühlmittelkanäle gebildet, welche einen Teil der Mantelfläche der Zellen kontaktieren.
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Die
DE 20 2015 009 269 U1 beschreibt ein Batteriemodul mit einem Gehäuse, das ein inneres Volumen definiert und einen Luftströmungsweg aufweist. Zahlreiche Energiezellen sind in dem inneren Volumen des Gehäuses angebracht, wobei jede der Energiezellen ein Entlüftungselement an einem Ende der Energiezelle aufweist. Eine Flammensperre ist über dem Luftströmungspfad und zwischen den Energiezellen angebracht, wobei die Flammensperre ein Sieb umfasst, das eine Vielzahl von Fluidwegen umfasst, die so bemessen sind, dass sie einen Luftstrom aus dem Luftströmungspfad ermöglichen und so bemessen sind, dass sie ein verbranntes Fluid behindern.
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Die
DE 10 2016 210 884 A1 beschreibt ein Batteriemodul einer Batterie für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Modulgehäuse und eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche in dem Modulgehäuse aufgenommen sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Batteriezellen ist zumindest ein Kühlelement angeordnet, welches dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Batterie freigesetzte Wärme von den an dem Kühlelement angeordneten Batteriezellen aufzunehmen. Damit kann zwar die Wärmeabfuhr verbessert werden, jedoch erhöht sich durch die zusätzlichen Kühlelemente das Gewicht des Batteriemoduls deutlich, jedenfalls, wenn größere Kontaktflächen zwischen den Batteriezellen und den Kühlelementen realisiert werden.
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Die
DE 10 2015 013 377 A1 betrifft eine Temperiereinrichtung für ein Batteriesystem, welches einen quaderförmigen Hohlkörper mit einer Anschlusseinrichtung zum Zuführen und Abführen eines temperierten Fluids umfasst. Vorgesehen ist eine Vielzahl regelmäßig angeordneter und identisch ausgebildeter, sich von einer ersten Körperoberfläche zu einer zweiten Körperoberfläche hin erstreckender Durchbrüche, wobei von jedem Durchbruch eine zylinderförmige Batteriezelle aufgenommen ist, so dass ein fluiddichter Flüssigkeitsraum gebildet wird. Der Hohlkörper erstreckt sich unter Ausschluss des Zellkopfes und des Zellbodens.
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Die
DE 10 2014 112 628 A1 zeigt ein kühlbares Batteriemodul, welches zwei in Abstand zueinander angeordnete Halteplatten sowie eine Mehrzahl elektrischer Zellen besitzt. Die Zellen durchlaufen Durchlässe in den Halteplatten und sind dort abgedichtet. Zwischen den Halteplatten ist ein von den elektrischen Zellen durchsetzter Raum zur Aufnahme eines elektrisch leitenden, die elektrischen Zellen umströmenden Kühlmittels gebildet. Die Wärmeabfuhr an den stirnseitigen Enden der Zellen ist allerdings eingeschränkt, da diese nicht vom Kühlmittel umströmt sind. Außerdem erfordert die Abdichtung zwischen den Zellen zusätzlichen Bauraum.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein verbessertes Batteriemodul bereit zu stellen, in welchem zahlreiche Batteriezellen angeordnet werden können, wobei eine gute Kühlung aller Batteriezellen möglich bleiben soll. Weiterhin besteht eine vor der Erfindung stehende Aufgabe darin, ein Modulgehäuse für ein derart verbessertes Batteriemodul bereit zu stellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1 und durch ein Modulgehäuse gemäß Anspruch 10.
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Beim erfindungsgemäßen Batteriemodul verbleibt in an sich bekannter Weise zwischen den axial erstreckten Mantelflächen benachbarter Batteriezellen ein Strömungsraum für das Kühlmedium. Vorzugsweise verbleibt der Strömungsraum zwischen allen benachbarten Batteriezellen, sodass das Kühlmedium sämtliche Zellen umströmen kann. Das erfindungsgemäße Batteriemodul zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass Dichtflächen an den gegenüberliegenden Gehäuseflächen angeordnet sind, an denen die axial gegenüberliegenden Enden der Batteriezellen dichtend anliegen.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Strömungsraum zumindest gegenüber einer der Polkontaktflächen jeder Batteriezelle getrennt ist und gleichzeitig die gesamte Mantelfläche der Batteriezelle für einen thermischen Kontakt mit dem Kühlmedium zur Verfügung steht. Die einzelnen Abschnitte des Strömungsraums erstrecken sich somit über die gesamte Mantelfläche der jeweiligen Batteriezelle. Eine eingeschränkte Kühlung einzelner Abschnitte der Batteriezelle aufgrund an der Mantelfläche anliegender Kühlbleche, Halterungen oder Dichtungsabschnitte kann damit vermieden werden. Gleichzeitig kann der Abstand zwischen den Batteriezellen klein gehalten werden, da ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium auch durch vergleichsweise schmale Spalte zwischen den Batteriezellen strömen kann, um die dort entstehende Wärme abzuführen. Die Batteriezellen werden bevorzugt an ihrer gesamten Mantelfläche vom Kühlmedium umströmt.
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Da die Dichtflächen ausschließlich an den axial gegenüberliegenden Enden bzw. Stirnseiten der Batteriezellen anliegen, benötigen sie keinen Bauraum zwischen den Mantelflächen der Zellen. Auch damit können die Zellen näher zusammen positioniert werden, was die Baugröße des Batteriemoduls weiter reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Batteriemoduls ist der Strömungsraum für das Kühlmedium zwischen sämtlichen Batteriezellen ausgebildet. Dabei steht keine der Batteriezellen mit ihrer Mantelfläche in direktem mechanischen Kontakt mit der axialen Mantelfläche einer benachbarten Batteriezelle. Vorzugsweise liegen die Mantelflächen sämtlicher Zellen vollständig frei, sodass die Kontaktfläche zwischen den Mantelflächen und dem Kühlmedium, welches den Strömungsraum durchströmt, maximiert ist. In abgewandelten Ausführungen können sich einzelne Batteriezellen abschnittsweise berühren, wodurch sich gerichtete Strömungskanäle erzeugen lassen.
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Vorzugsweise sind am Modulgehäuse Medienanschlüsse für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums ausgebildet. In anderen Ausführungsformen wird das Kühlmedium aber nur innerhalb des Modulgehäuses geführt und die Wärmeabfuhr erfolgt über Konvektion am Modulgehäuse.
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Eine weitergebildete Ausführung des Batteriemoduls umfasst Positionierungselemente als integraler Bestandteil oder innerhalb des Modulgehäuses, welche die Batteriezellen in vorgegebenen Positionen halten, sodass zwischen den Mantelflächen benachbarter Batteriezellen ein Spalt gleichbleibender Breite verbleibt, der Teil des Strömungsraums ist. Die Positionierungselemente dienen vor allem bei der Herstellung des Moduls der Positionierung der einzelnen Zellen und können vor dem Verschließen des Batteriemoduls auch wieder entnommen werden. Ebenso können Positionierungselemente genutzt werden, die bei der Befüllung des Strömungsraums vom Kühlmittel aufgelöst und ausgespült werden. Die Batteriezellen werden generell zwischen den gegenüberliegenden Gehäuseflächen verspannt, sodass die Positionierungselemente nicht für die dauerhafte Befestigung der Zellen erforderlich sind.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann die Breite des Spalts zwischen den Batteriezellen variieren. Damit können vorbestimmte Strömungskanäle geformt werden, was sich positiv auf die Strömung und damit auf die Temperaturverteilung im Batteriemodul auswirken kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dichtfläche an einer der sich gegenüberliegenden Gehäuseflächen vollflächig ausgebildet, sodass auf dieser Dichtfläche die Batteriezellen mit ihrer elektrisch negativen Polkontaktfläche dichtend anliegen können. Die elektrische Kontaktierung der negativen Polkontaktfläche erfolgt in diesem Fall über die Dichtfläche selbst oder über in die Dichtfläche integrierte Kontaktbereiche. Stattdessen ist die Dichtfläche an der anderen gegenüberliegenden Gehäusefläche von mehreren Ausnehmungen durchbrochen, in denen die elektrisch positiven Polkontaktflächen der Batteriezellen positioniert sind. Die positiven Polkontaktflächen stehen somit nicht in elektrischem Kontakt mit der Dichtfläche und sind auf diese Weise auch elektrisch vom Kühlmedium getrennt.
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In einer weitergebildeten Ausführung kann auch die Dichtfläche auf der Seite der positiven Kontaktflächen durch ein geschlossenes Gehäuse ersetzt sein. Damit ist nur auf der Pluspolseite der Batteriezellen eine fluiddichte Abdichtung erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die miteinander verbundenen Gehäuseteile durch wannenartige Gehäuseschalen gebildet, wobei jede der Gehäuseschalen eine der sich gegenüberliegenden Gehäuseflächen als Bodenfläche umfasst. Die Gehäuseschalen werden während der Herstellung des Batteriemoduls in einer Trennebene dicht miteinander verbunden, nachdem die Batteriezellen eingesetzt wurden. Die Trennebene kann etwa in der Mitte der Bauhöhe des Moduls verlaufen und eine Dichtung umfassen.
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Es ist vorteilhaft, wenn an den gegenüberliegenden Gehäuseflächen zusätzlich zu den Dichtflächen auch elektrische Kontaktelemente zur Kontaktierung der Polkontaktflächen der Batteriezellen angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich die Batteriezellen mit geringem Aufwand elektrisch miteinander verschalten. In einer bevorzugten Ausführung ist die Dichtfläche selbst elektrisch leitfähig und dient gleichzeitig als Kontaktelement für die elektrische negative Polkontaktfläche aller Batteriezellen. Das Kühlmedium kann elektrisch leitfähig sein, was die Auswahl eines Kühlmediums mit hoher Wärmekapazität gestattet.
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Die einzelnen Batteriezellen können vor ihrem Einsatz in das Batteriemodul mit einer Isolierenden Schicht (Lack, Schrumpfschlauch etc.) mit Aussparungen an den Polflächen versehen werden. Dadurch können die Batteriezellen im Batteriemodul auch seriell verschaltet werden, ohne dass der Einsatz eines leitenden Fluides zu einem Kurzschluss führt.
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Die Erfindung stellt außerdem ein Modulgehäuse eines Batteriemoduls bereit, welches zur Aufnahme einer Vielzahl von Batteriezellen geeignet ist und mindestens zwei Gehäuseteile umfasst. Zwischen zwei sich gegenüberliegenden Gehäuseflächen sind die Batteriezellen sich axial erstreckend positionierbar. Medienanschlüsse gestatten die Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums in einen Strömungsraum im Inneren des Modulgehäuses. Dichtflächen sind an den gegenüberliegenden Gehäuseflächen angeordnet, an denen die axial gegenüberliegenden Enden der Batteriezellen dichtend anlegbar sind, um den Strömungsraum zumindest gegenüber einer der Polkontaktflächen jeder eingesetzten Batteriezelle zu trennen. Die zuvor beschriebenen Ausführungen des Batteriemoduls können einzeln oder in Kombination am Modulgehäuse realisiert sein.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 zwei perspektivische Ansichten von zwei Gehäuseschalen eines Modulgehäuses für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul;
- 2 eine perspektivische Ansicht des Modulgehäuses mit verbundenen und abgedichteten Gehäuseschalen;
- 3 eine Schnittansicht durch das Modulgehäuse mit eingesetzten Batteriezellen im Bereich einer positiven Polkontaktfläche;
- 4 eine Schnittansicht durch das Modulgehäuse im Bereich zur Kontaktierung einer negativen Polkontaktfläche.
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1 und 2 zeigen in perspektivischen Ansichten wesentliche Gehäuseteile eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 01. Die Gehäuseteile bilden eine obere Gehäuseschale 02 und eine untere Gehäuseschale 03. In 1 ist das durch die Gehäuseteile gebildete Modulgehäuse in geöffnetem Zustand dargestellt, während 2 das geschlossene Modulgehäuse zeigt. Das Modulgehäuse ist für die Aufnahme zahlreicher Batteriezellen 05 (3) ausgelegt, die mit ihren stirnseitigen, axial gegenüberliegenden Enden jeweils in zylindrischen Mulden 06 der Gehäuseschalen aufgenommen werden. Die Bodenflächen der Gehäuseschalen 02, 03 bilden Gehäuseflächen 07, die sich im geschlossenen Zustand des Modulgehäuses gegenüberliegen und in denen die Mulden 06 angeordnet sind. Beim Zusammenbau werden die Gehäuseschalen 02, 03 in einer Trennebene 08 dicht miteinander verbunden, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen oder durch eingelegte feste Dichtkörper wie z. B. Flachdichtungen. Erkennbar sind außerdem elektrische Anschlüsse 09, über welche das Batteriemodul elektrisch mit externen Baueinheiten verbunden wird. Schließlich sind am Modulgehäuse in bevorzugten Ausführungen noch Medienanschlüsse (nicht gezeigt) vorgesehen, die der Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums dienen.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts der oberen Gehäuseschale 02 mit eingesetzten Batteriezellen 05, die bevorzugt eine Standardbauform besitzen, beispielsweise die Bauform 18650, 20700 oder 21700. An der nach innen gewandten Gehäusefläche 07 ist eine obere Dichtfläche 11 angebracht, die gegenüberliegend zu einer positiven Polkontaktfläche 12 jeder Batteriezelle 05 jeweils eine Ausnehmung aufweist, sodass keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der oberen Dichtfläche 11 und der positiven Polkontaktfläche 12 besteht. Stattdessen kommt die obere Dichtfläche 11 nur mit kopfseitigen radialen Randbereichen 13 der oberen Stirnseite (Kopfseite) der Batteriezelle 05 in dichtenden Kontakt. Zwischen benachbarten Batteriezellen 05 verbleibt ein Strömungsraum 14, in welchem das Kühlmedium an den Mantelflächen der Batteriezellen 05 entlang strömt. Der Strömungsraum 14 erstreckt sich in Spalten zwischen den benachbarten Batteriezellen sowie zwischen den äußeren Batteriezellen und den seitlichen Gehäusewänden des Modulgehäuses. Durch die dichtende Anlage der oberen Dichtfläche 11 am radialen Randbereich 13 wird die positive Polkontaktfläche 12 von dem Strömungsraum 14 getrennt, sodass kein Kühlmedium an die positive Polkontaktfläche vordringt und außerdem das Kühlmedium nicht aus dem Modulgehäuse austreten kann. Optional können an der Gehäusefläche 07 Positionierungselemente 16 angeordnet sein, die sich in Form von Stegen achsparallel zu den Batteriezellen 05 erstrecken, um die Position der Batteriezellen 05 zu definieren. Vorzugsweise sind die Positionierungselemente 16 so gestaltet, dass der Strömungsraum 14 im Spalt zwischen benachbarten Batteriezellen nicht vollständig verschlossen wird, um das Kühlmittel bis zur stirnseitig positionierten oberen Dichtfläche 11 vordringen zu lassen. Beispielsweise verlaufen die Positionierungselemente 16 jeweils nur in einem kleinen Winkelabschnitt entlang der Mantelfläche der Batteriezelle 05.
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4 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts der unteren Gehäuseschale 03 (ohne eingesetzte Batteriezellen). An der nach innen gewandten Gehäusefläche 07 ist eine untere Dichtfläche 17 angebracht, die vorzugsweise vollflächig gegenüberliegend zu einer negativen Polkontaktfläche (nicht gezeigt) jeder Batteriezelle 05 verläuft, sodass eine direkte Verbindung zwischen der unteren Dichtfläche 17 und der negativen Polkontaktfläche besteht. Im bodenseitigen radialen Randbereich 18 liegt die untere Dichtfläche 17 am unteren stirnseitigen Ende (Bodenseite) der Batteriezelle an. Dadurch wird u.a. sichergestellt, dass Kühlmedium nicht an der Bodenseite in die Batteriezelle eindringen kann.
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Auch wenn die Dichtflächen und das Kühlmedium elektrisch leitfähig sind, wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden Polen der Batteriezelle vermieden, da zumindest die positive Polkontaktfläche von der Dichtfläche und dem Kühlmedium isoliert ist. Dennoch ist durch die vorgeschlagene Gestaltung sichergestellt, dass im Wesentlichen die komplette Mantelfläche aller Batteriezellen für den Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium genutzt werden können. Die Dichtflächen können mit den Stirnseiten der Batteriezellen verklebt oder dichtend an diese angepresst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Batteriemodul
- 02
- obere Gehäuseschale
- 03
- untere Gehäuseschale
- 04
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- 05
- Batteriezellen
- 06
- Mulden in gegenüberliegenden Gehäuseflächen
- 07
- gegenüberliegende Gehäuseflächen
- 08
- Trennebene
- 09
- elektrische Anschlüsse
- 10
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- 11
- obere Dichtfläche
- 12
- positive Polkontaktfläche
- 13
- kopfseitiger radialer Randbereich der Batteriezelle
- 14
- Strömungsraum
- 15
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- 16
- Positionierungselemente
- 17
- untere Dichtfläche
- 18
- bodenseitiger radialer Randbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0172727 A1 [0003]
- DE 202015009269 U1 [0004]
- DE 102016210884 A1 [0005]
- DE 102015013377 A1 [0006]
- DE 102014112628 A1 [0007]
