DE102017217152A1 - energy storage - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher für den Betrieb eines Fahrzeugs, vorzugsweise ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, wobei das Fahrzeug über eine Elektromaschine und eine Leistungselektronik verfügt, wobei der Energiespeicher mit der Leistungselektronik verbunden ist und zumindest teilweise fest mit dem Fahrzeug verbunden ist. Der Energiespeicher weist zumindest einen mobilen Teilbereich auf, wobei der eine mobile Teilbereich des Energiespeichers austauschbar ausgeführt ist.

Figure DE102017217152A1_0000
The present invention relates to an energy store for the operation of a vehicle, preferably a hybrid or electric vehicle, wherein the vehicle has an electric machine and power electronics, wherein the energy storage is connected to the power electronics and at least partially connected to the vehicle. The energy store has at least one mobile subarea, the one mobile subarea of the energy store being designed to be interchangeable.
Figure DE102017217152A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher.The present invention relates to an energy store.

Stand der TechnikState of the art

Im Stand der Technik sind Elektro- oder Hybridfahrzeuge bekannt, die nach bestimmten Technologien aufgebaut sind und mittels einer Fahrzeugbatterie sowohl elektrisch als auch hybridisch (Verbrennungsmotor plus Elektromotor) oder im Falle eines Elektrofahrzeuges rein elektrisch angetrieben werden können. Eine Elektromaschine der Hybridfahrzeuge kann auch generatorisch angetrieben werden, wodurch es möglich ist, die Fahrzeugbatterie mittels des Verbrennungsmotors zu laden oder beim Bremsen elektrische Energie in die Batterie zurück zu speisen. Die Elektromaschine wird üblicherweise über einen Wechselrichter angesteuert. Weiterhin dient die Elektromaschine zum Starten des Verbrennungsmotors.In the prior art electric or hybrid vehicles are known, which are constructed according to certain technologies and by means of a vehicle battery both electric and hybrid (internal combustion engine plus electric motor) or in the case of an electric vehicle can be driven purely electrically. An electric machine of the hybrid vehicles can also be driven as a generator, whereby it is possible to charge the vehicle battery by means of the internal combustion engine or to feed electrical energy back into the battery during braking. The electric machine is usually controlled by an inverter. Furthermore, the electric machine is used to start the engine.

Zum Betrieb des elektrischen Antriebs ist Hochvolt-Spannung notwendig, die von einer Fahrzeug-Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) bereitgestellt wird. Von einem Hochvolt-Bordnetz wird ein Niedervolt-Bordnetz des Fahrzeugs über einen DC/DC-Wandler mit elektrischer Energie versorgt. Der genannte Wandler wandelt elektrische Spannungen zwischen den Spannungspegeln Hochvoltspannung (z.B. zwischen ca. 300 V und ca. 600 V) und Niedervoltspannung (z.B. ca. 14 V).To operate the electric drive high-voltage voltage is required, which is provided by a vehicle high-voltage battery (traction battery). From a high-voltage electrical system, a low-voltage vehicle electrical system of the vehicle via a DC / DC converter is supplied with electrical energy. Said converter converts electrical voltages between the high voltage voltage (e.g., between about 300V and about 600V) and low voltage (e.g., about 14V) voltage levels.

Eine beispielhafte Ausgestaltung der genannten Hybridfahrzeuge ist das so genannte Plug-in-Hybridfahrzeug. Die Fahrzeugbatterie der genannten Plug-in-Hybridfahrzeuge kann über ein externes Stromversorgungsnetz oder über externe DC-Ladesysteme aufgeladen werden. Dies geschieht in der Regel über ein On-Bord-Ladegerät des Fahrzeugs. Im Vergleich zum „normalen“ Hybridfahrzeug sind beim Plug-in-Hybridfahrzeug die Batterie und der elektrische Antrieb stärker dimensioniert, was einen vergrößerten elektrischen Fahrbereich ermöglicht.An exemplary embodiment of said hybrid vehicles is the so-called plug-in hybrid vehicle. The vehicle battery of said plug-in hybrid vehicles can be charged via an external power supply network or via external DC charging systems. This is usually done via an on-board charger of the vehicle. Compared to the "normal" hybrid vehicle, the plug-in hybrid vehicle has a larger battery and electric drive, which allows for increased electric driving range.

In der Regel werden die genannten Batterien immer leistungsstärker dimensioniert, um immer größere Reichweiten zu ermöglichen. Dadurch machen die Batterien einen großen Anteil am Fahrzeuggewicht aus und stellen einen bedeutsamen Anteil der Fahrzeugkosten dar. Sobald ein Elektrofahrzeug keine Batterieladung mehr hat, kann es nicht mehr bewegt werden. Es bleibt liegen und kann ohne fremde Hilfe nicht bewegt werden. Ein einfaches und schnelles Laden ist nicht möglich. Es wird zuerst eine geeignete Lademöglichkeit mit ausreichender Spannung und Leistung benötigt. Weiterhin ist je nach Leistung dieser Lademöglichkeit und Energiebedarf des Fahrzeuges besonders bei großen Traktionsbatterien ein größerer Zeitraum für eine adäquate Ladung notwendig.As a rule, the batteries mentioned are dimensioned more and more powerful in order to enable ever greater ranges. As a result, the batteries make up a large proportion of the vehicle weight and represent a significant proportion of vehicle costs. Once an electric vehicle has no battery charge, it can no longer be moved. It remains and can not be moved without help. A simple and fast loading is not possible. It is first required a suitable charging with sufficient voltage and power. Furthermore, depending on the performance of this charging and energy requirements of the vehicle, especially for large traction batteries a longer period of time for an adequate charge is necessary.

Es besteht daher der Bedarf nach einer Energieversorgung für Elektrofahrzeuge, wodurch die Mobilität des Fahrzeugs schnell wieder hergestellt werden kann.There is therefore a need for a power supply for electric vehicles, whereby the mobility of the vehicle can be quickly restored.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Mobilität des Fahrzeuges im Falle einer entleerten Batterie schnell wieder hergestellt werden kann.The device according to the invention with the characterizing part of claim 1 has the advantages that the mobility of the vehicle in the case of a deflated battery can be quickly restored.

Erfindungsgemäß ist dazu ein Energiespeicher für den Betrieb eines Fahrzeugs, vorzugsweise ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug vorgesehen, wobei das Fahrzeug über eine Elektromaschine und eine Leistungselektronik verfügt, wobei der Energiespeicher mit der Leistungselektronik verbunden ist und zumindest teilweise fest mit der Fahrzeug verbunden ist. Der Energiespeicher weist zumindest einen mobilen Teilbereich auf, wobei der eine mobile Teilbereich des Energiespeichers austauschbar ausgeführt ist. Da in der Regel nur kleine Strecken bzw. kurze Distanzen im Alltag zurückgelegt werden, sind übliche Traktionsbatterien für solche Strecken in der Regel überdimensioniert und somit zu groß und zu schwer. Es werden lediglich kleine Batterien benötigt, um kurze Distanz innerhalb der Stadt zurück zu legen und den Weg bis zur nächsten Lademöglichkeit zu überbrücken. Gestaltet man den Energiespeicher so, dass ein Teilbereich des gesamten Energiespeichers mobil ausgeführt wird, können diese kleinen, mobilen Teilbereiche vorteilhaft einfach getauscht werden. Dabei bietet sich vorteilhaft die Möglichkeit, von extern eine neue geladene Batterie einzustecken, oder den mobilen Teilbereich separat außerhalb des Fahrzeugs an einer bekannten Lademöglichkeit aufzuladen. Zusatzhilfe von außen ist dabei vorteilhafterweise nicht notwendig. Als Folge ist ein unbeschwerter Betrieb des Elektrofahrzeugs möglich - die Hemmschwelle für E-Mobilität kann im Zuge dessen gesenkt werden. Damit kann der Vorteil einer fest eingebauten fahrzeugspezifischen Batterie mit den Vorteilen eines Wechsel-Akkus vereint werden. Zusätzlich werden Strom benötigende Zusatzanwendungen außerhalb des Fahrzeuges möglich.According to the invention an energy storage for the operation of a vehicle, preferably a hybrid or electric vehicle is provided, the vehicle has an electric machine and power electronics, wherein the energy storage is connected to the power electronics and at least partially connected to the vehicle. The energy store has at least one mobile subarea, the one mobile subarea of the energy store being designed to be interchangeable. Since usually only small distances or short distances are covered in everyday life, conventional traction batteries for such routes are usually oversized and thus too big and too heavy. Only small batteries are needed to cover a short distance within the city and to bridge the way to the next charging facility. If the energy store is designed in such a way that a subarea of the entire energy store is implemented as mobile, these small, mobile subregions can advantageously be easily exchanged. In this case, it is advantageous to be able to plug in a new charged battery externally, or to charge the mobile subarea separately outside the vehicle to a known charging facility. Additional help from the outside is advantageously not necessary. As a result, an unobstructed operation of the electric vehicle is possible - the inhibition threshold for e-mobility can be lowered in the course of this. Thus, the advantage of a permanently installed vehicle-specific battery can be combined with the advantages of a removable battery. In addition, power-requiring additional applications outside the vehicle are possible.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous refinements of the method specified in the independent claim are possible.

Vorteilhafterweise kann der zumindest eine mobile Teilbereich des Energiespeichers manuell getauscht werden. Der mobile Teilbereich ist leicht zugänglich ausgeführt und beispielsweise steckbar ausgeführt und kann einfach von einer Person aus dem Energiespeicher entnommen werden. Somit ist eine schnelle Austauschbarkeit oder ein externes Aufladen des mobilen Teilbereichs gewährleistet. Entsprechend kann die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs rasch wieder hergestellt werden.Advantageously, the at least one mobile subarea of the energy store can be changed manually. The mobile section is designed to be easily accessible and pluggable, for example, and can be easily accessed by one person be removed from the energy storage. This ensures rapid interchangeability or external charging of the mobile subarea. Accordingly, the driving readiness of the vehicle can be quickly restored.

Alternativ zur manuellen Austauschbarkeit des Energiespeichers kann der zumindest eine mobile Teilbereich des Energiespeichers automatisch ausgetauscht werden. Es sind somit vorteilhafterweise automatisierte Wechselkonzepte möglich, bei denen der Fahrer eine automatisierte Batteriewechselanlage ansteuert und dort den mobilen Teilbereich wechseln lässt. Entsprechend muss der Fahrer oder eine dritte Person nicht manuell in den Wechselprozess eingreifen. Der zumindest eine mobile Teilbereich ist mit dem zumindest teilweise mit dem Fahrzeug verbundenen Energiespeicher vorteilhaft parallel verschaltet. Entsprechend verhält sich der mobile Teilbereich im Normalbetrieb wie die Hauptbatterie bzw. der restliche mit dem Fahrzeug fest verbundene Energiespeicher. Die Parallelschaltung hat zum Vorteil, dass kein weiterer Ballast entsteht. Energiespeicher und mobiler Teilbereich stellen die gemeinsamen Energiespeicher des Fahrzeugs dar.As an alternative to the manual interchangeability of the energy store, the at least one mobile subarea of the energy store can be replaced automatically. Thus, advantageously automated change concepts are possible in which the driver activates an automated battery exchange system and there can change the mobile sub-area. Accordingly, the driver or a third person does not have to intervene manually in the change process. The at least one mobile subarea is advantageously connected in parallel with the energy store connected at least partially to the vehicle. Accordingly, the mobile portion behaves in normal operation as the main battery or the rest of the vehicle permanently connected energy storage. The parallel connection has the advantage that no further ballast arises. Energy storage and mobile section represent the common energy storage of the vehicle.

Vorteilhafterweise verfügt der zumindest eine mobile Teilbereich über eine erste Schnittstelle, über die zumindest ein externer Verbraucher mit Strom versorgt werden kann. Somit kann der mobile Teilbereich für weitere kommerzielle oder private Anwendungen genutzt werden. So kann im Freizeitbereich eine strombetriebene Anwendung wie z.B. TV, Koch- oder Kühlbetrieb angeschlossen werden (Camping).Advantageously, the at least one mobile subarea has a first interface via which at least one external consumer can be supplied with power. Thus, the mobile section can be used for other commercial or private applications. Thus, in the leisure sector, a current-driven application such as TV, cooking or cooling are connected (camping).

Weiterhin ist vorteilhaft, dass der zumindest eine mobile Teilbereich über eine zweite Schnittstelle verfügt, über die der mobile Teilbereich geladen werden kann. Wurde der mobile Teilbereich aus dem Fahrzeug entnommen, bzw. befindet er sich noch im Fahrzeug, bietet sich über die zweite Schnittstelle eine Möglichkeit, den mobilen Teilbereich separat zu laden. Dazu kann er entweder über eine externe Solaranlage oder eine alternative Ladeeinrichtung geladen werden. Diese separate Lademöglichkeit über die zweite Schnittstelle bietet somit vorteilhaft die Möglichkeit, den mobilen Teilbereich separat und unabhängig von dem verbleibenden restlichen Energiespeicher zu laden.Furthermore, it is advantageous that the at least one mobile subarea has a second interface via which the mobile subarea can be loaded. If the mobile sub-area has been removed from the vehicle, or if it is still in the vehicle, the second interface offers a possibility of separately loading the mobile sub-area. For this purpose, it can either be charged via an external solar system or an alternative charging device. This separate charging option via the second interface thus advantageously offers the possibility of charging the mobile subarea separately and independently of the remaining remaining energy store.

Um bei der Entnahme des mobilen Teilbereichs ein hohes Maß an Sicherheit zu gewährleisten besteht der zumindest eine mobile Teilbereich aus zumindest zwei Zellen. Diese Mehrteiligkeit zielt darauf ab, die Sicherheit zu erhöhen, indem u.a. Zellen mit ungefährlichen Spannungswerten bereitgestellt werden.In order to ensure a high degree of security when removing the mobile subarea, the at least one mobile subarea consists of at least two cells. This multiplicity aims to increase safety by, i.a. Cells are provided with safe voltages.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Figurenlistelist of figures

Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs und der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2: eine weitere schematische Darstellung eines Fahrzeugs und der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3: eine schematische Darstellung eines mobilen Teilbereichs mit mehreren Zellen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a vehicle and the device according to the invention;
  • 2 a further schematic representation of a vehicle and the device according to the invention;
  • 3 : A schematic representation of a mobile subarea with several cells.

Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.The drawings shown in the figures are not necessarily drawn to scale for the sake of clarity. Like reference numerals generally designate like or equivalent components.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 11 (ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug). Dieses verfügt über einen Energiespeicher 10, bei dem es sich um eine Batterie / Traktionsbatterie handelt. Das Fahrzeug 11 verfügt über eine Leistungselektronik 13 (beispielsweise Inverter, etc.) und mindestens eine elektrische Maschine 12 (Elektromaschine). Batterie 10, Leistungselektronik 13 und elektrische Maschine 12 sind miteinander verbunden und teilweise mit dem Fahrzeug 11 verbunden. Der Energiespeicher 10 verfügt über einen mobilen Teilbereich 14, wobei dieser Teilbereich austauschbar ausgeführt ist. Der Teilbereich 14 kann manuell austauschbar ausgeführt sein oder über ein automatisiertes Wechselkonzept (Roboter) getauscht werden. Der mobile Teilbereich 14 ist quasi parallel zur fest im Fahrzeug 11 verbauten Hauptantriebsbatterie / Energiespeicher 10 verschaltet und verhält sich im Normalbetrieb wie der Energiespeicher 10. Er ist somit Teil des Gesamtkonzeptes Antriebsbatterie. Der mobile Teilbereich 14 ist entweder dauerhaft manuell entfernbar oder kann so ausgeführt werden, dass ein Ausbau nur im Falle eines Liegenbleibens des Fahrzeugs 11 möglich ist. Der mobile Teilbereich 14 verfügt über mindestens eine erste Schnittstelle 15, über die ein externer Verbraucher 16 (hier nicht dargestellt) mit Strom versorgt werden kann. Als externe Verbraucher 16 sind beispielsweise strombetriebene Anwendungen wie z.B. TV, Koch- oder Kühlgeräte, etc. möglich. Es können auch kommerziell genutzte strombetriebene Anwendungen durch den mobilen Teilbereich 14 mit Strom versorgt werden. Über eine zweite Schnittstelle 18 kann der mobile Teilbereich 14 geladen werden. Die Ladung kann über eine externe Solaranlage oder alternative Ladeeinrichtungen erfolgen. Der mobile Teilbereich 14 kann somit separat und unabhängig vom dem verbleibenden restlichen Energiespeicher 10 geladen werden. 1 shows a schematic representation of a vehicle 11 (a hybrid or electric vehicle). This has an energy storage 10 , which is a battery / traction battery. The vehicle 11 has power electronics 13 (For example, inverter, etc.) and at least one electric machine 12 (Electric machine). battery 10 , Power electronics 13 and electric machine 12 are interconnected and partly with the vehicle 11 connected. The energy storage 10 has a mobile section 14 , wherein this portion is made interchangeable. The subarea 14 can be manually exchangeable or exchanged via an automated change concept (robot). The mobile section 14 is almost parallel to the fixed in the vehicle 11 installed main drive battery / energy storage 10 interconnects and behaves in normal operation as the energy storage 10 , He is thus part of the overall concept drive battery. The mobile section 14 is either permanently removable manually or can be carried out so that a removal only in case of a stoppage of the vehicle 11 is possible. The mobile section 14 has at least a first interface 15 , about which an external consumer 16 (not shown here) can be supplied with electricity. As external consumers 16 For example, power-driven applications such as TV, cooking or cooling appliances, etc. are possible. Commercially used power driven applications can also be used by the mobile subsection 14 be powered. Via a second interface 18 can be the mobile section 14 getting charged. The charge can be made via an external solar system or alternative charging devices. The mobile section 14 can thus separately and independently of the remaining remaining energy storage 10 getting charged.

2 zeigt eine weitere schematische Darstellung. Gleiche Elemente wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut erläutert. In dieser 2 ist dargestellt, wie der mobile Teilbereich 14 des Energiespeichers 10 dem Fahrzeug entweder manuell oder automatisiert entnommen werden kann. 2 shows a further schematic representation. Same elements as in 1 are provided with the same reference numerals and will not be explained again. In this 2 is shown as the mobile section 14 of the energy store 10 the vehicle can be removed either manually or automatically.

3 zeigt eine schematische Darstellung des mobilen Teilbereichs 14. Gleiche Elemente wie in 1 oder 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut erläutert. Der mobile Teilbereich 14 verfügt über eine erste Schnittstelle 15 und eine zweite Schnittstelle 18. Des Weiteren besteht der mobile Teilbereich 14 aus mindestens zwei Zellen 17.1, 17.2 ... 17.x. Diese Mehrteiligkeit zielt darauf ab, die Sicherheit zu erhöhen, indem u.a. Zellen mit ungefährlichen Spannungswerten zur Verfügung gestellt werden. Auch kann der Energiespeicher 10 mehrere einzelne Teilbereich 14.1, 14.2, 14.x aufweisen, wobei jeder der einzelnen mobilen Teilbereich 14.1 - 14.x separat manuell oder automatisiert dem Fahrzeug entnommen werden kann. Entsprechend kann jeder mobile Teilbereich 14.1 - 14.x eine oder mehrere Zellen 17.1 - 17.x enthalten, wobei jede dieser Zellen als mobile Tauschbatterien ausgestaltet sind. 3 shows a schematic representation of the mobile portion 14 , Same elements as in 1 or 2 are provided with the same reference numerals and will not be explained again. The mobile section 14 has a first interface 15 and a second interface 18 , Furthermore, there is the mobile subarea 14 from at least two cells 17.1 . 17.2 ... 17.x , This multipartite aims to increase safety by, among other things, providing cells with harmless voltage levels. Also, the energy storage 10 several individual subarea 14.1 . 14.2 . 14.x where each of the individual mobile subarea 14.1 - 14.x can be removed manually or automatically from the vehicle. Accordingly, every mobile subarea can 14.1 - 14.x one or more cells 17.1 - 17.x contain, each of these cells are designed as a mobile exchange batteries.

Claims (7)

Energiespeicher (10) für den Betrieb eines Fahrzeugs (11), vorzugsweise ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, wobei das Fahrzeug (11) über eine Elektromaschine (12) und eine Leistungselektronik (13) verfügt, wobei der Energiespeicher (10) mit der Leistungselektronik (13) verbunden ist und zumindest teilweise fest mit der Fahrzeug (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mobiler Teilbereich (14) des Energiespeichers (10) austauschbar ausgeführt ist.Energy store (10) for the operation of a vehicle (11), preferably a hybrid or electric vehicle, the vehicle (11) having an electric machine (12) and power electronics (13), wherein the energy store (10) with the power electronics ( 13) is connected and at least partially fixed to the vehicle (11), characterized in that at least one mobile portion (14) of the energy store (10) is designed to be interchangeable. Energiespeicher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) des Energiespeichers (10) manuell getauscht werden kann.Energy storage (10) after Claim 1 , characterized in that the at least one mobile portion (14) of the energy store (10) can be manually exchanged. Energiespeicher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) des Energiespeichers (10) automatisch ausgetauscht werden kann.Energy storage (10) after Claim 1 , characterized in that the at least one mobile portion (14) of the energy store (10) can be automatically replaced. Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) mit dem zumindest teilweise mit dem Fahrzeug (11) verbundenen Energiespeicher (10) parallel verschaltet ist.Energy store (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one mobile portion (14) with the at least partially connected to the vehicle (11) energy storage device (10) is connected in parallel. Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) über eine erste Schnittstelle (15) verfügt, über die zumindest ein externer Verbraucher (16) mit Strom versorgt werden kann.Energy store (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one mobile portion (14) has a first interface (15) via which at least one external load (16) can be supplied with power. Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) über eine zweite Schnittstelle (16) verfügt, über die der mobile Teilbereich (14) geladen werden kann.Energy store (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one mobile portion (14) via a second interface (16), via which the mobile portion (14) can be loaded. Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mobile Teilbereich (14) aus zumindest zwei Zellen (17.1, 17.2) besteht.Energy store (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one mobile portion (14) consists of at least two cells (17.1, 17.2).
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