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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle kann ein Gehäuse aufweisen, welches an einer Seite mit einer Deckelplatte verschlossen ist. Ein Terminal kann in eine Deckelplatte einer Batteriezelle genietet werden. Dabei wird ein elektrischer Isolator zwischen dem Terminal und der Deckelplatte geklemmt. Beispielsweise zeigt die
US 2013 330 604 eine Durchführung, die ein Gehäusebauteil bzw. einen Teil eines Gehäuses, beispielsweise eines Batteriezellengehäuses durchsetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, Einzelteile einer Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle in einem einzigen Arbeitsschritt miteinander mechanisch zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren. Zusätzlich wird die Deckelbaugruppe in dem gleichen Arbeitsschritt mediendicht abgedichtet.
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Es wird eine Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle vorgeschlagen, wobei die Deckelbaugruppe eine Deckelplatte und zumindest ein Terminal aufweist, wobei die Deckelplatte und das Terminal durch einen in einem Spalt zwischen der Deckelplatte und dem Terminal angeordneten Kunststoffisolator aus einem in den Spalt eingespritzten thermoplastischen Kunststoffmaterial mechanisch miteinander verbunden und elektrisch voneinander isoliert sind, wobei zumindest eine Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffisolator und der Deckelplatte beziehungsweise dem Terminal zumindest bereichsweise vorbehandelt ist.
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Weiterhin wird ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für eine Batteriezelle vorgestellt, wobei zumindest eine Oberfläche einer Deckelplatte der Deckelbaugruppe beziehungsweise zumindest eines Terminals der Deckelbaugruppe zumindest bereichsweise vorbehandelt wird, die Deckelplatte und das Terminal durch einen Spalt voneinander beabstandet in entsprechende Aufnahmen eines Spritzgusswerkzeugs zum Herstellen der Deckelbaugruppe eingelegt werden, unter Verwendung des Spritzgusswerkzeugs ein den Spalt umfassender Formhohlraum für einen Kunststoffisolator ausgebildet wird und ein thermoplastisches Kunststoffmaterial in den Formhohlraum eingespritzt wird, um den Kunststoffisolator zu formen, die Deckelpatte und das Terminal mechanisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Eine Batterie, beispielsweise eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, kann eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufweisen. Die Batteriemodule können beispielsweise in Reihe geschaltet sein. Ein Batteriemodul kann eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen des Batteriemoduls können parallel oder in Reihe geschaltet sein. Eine Batteriezelle kann die kleinste durch ein Gehäuse umschlossene Einheit der Batterie sein. Die Batteriezelle kann einen als Stack bezeichneten Stapel aus elektrochemisch aktiven Schichten beinhalten.
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Das Gehäuse kann einen Grundkörper und eine Deckelbaugruppe aufweisen. Der Grundkörper kann aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die Deckelbaugruppe kann in verbautem Zustand eine Öffnung des Grundkörpers mediendicht verschließen. Der Stack kann vor dem Verschließen durch die Öffnung in einen Innenraum des Grundkörpers eingebracht werden. Insbesondere kann die Deckelbaugruppe mit dem Grundkörper verschweißt werden.
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Durch das Verschweißen liegt eine Deckelplatte der Deckelbaugruppe auf dem gleichen elektrischen Potenzial wie der Grundkörper. Die Deckelplatte kann ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die Deckelplatte weist zumindest einen Durchbruch auf, in dem ein Terminal angeordnet ist. Das Terminal ist elektrisch leitend und führt einen elektrischen Pol der Batteriezelle durch das Gehäuse nach außen. Die Deckelplatte kann mit dem anderen Pol der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden sein. Daher ist das Terminal durch den hier vorgestellten Kunststoffisolator elektrisch von der Deckelplatte isoliert. Auf einer Innenseite der Deckelbaugruppe weist das Terminal eine Terminalplatte auf. Im Durchbruch ist eine mit der Terminalplatte elektrisch leitend verbundene Terminaldurchführung angeordnet. Der Kunststoffisolator erstreckt sich zumindest über einen Spalt zwischen der Deckelplatte und der Terminalplatte sowie einen Spalt zwischen einem Rand des Durchbruchs und der Terminaldurchführung. Mit der Terminalplatte werden vor dem Zusammensetzen des Gehäuses Ableiter des einen Pols des Stacks elektrisch leitend verbunden. Insbesondere werden die Ableiter mit der Terminalplatte verschweißt. Die Deckelbaugruppe kann auch mehrere Terminals aufweisen, über die beispielsweise die unterschiedlichen Pole der Batteriezelle nach außen geführt werden.
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Das Kunststoffmaterial kann in erhitztem Zustand in flüssiger Form in ein Spritzgusswerkzeug eingespritzt werden. Das Kunststoffmaterial kann auch ein Duroplastmaterial sein, das aus zumindest zwei Komponenten gemischt wird und in flüssiger Form in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt wird, um dort zu dem Kunststoffisolator auszuhärten. Das Spritzgusswerkzeug weist zwei Werkzeughälften auf, in deren Trennebene eine negative Abbildung des Kunststoffisolators als Formhohlraum für den Kunststoffisolator ausgebildet ist.
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Zusätzlich sind in zumindest einer der Werkzeughälften im Bereich des Formhohlraums Vertiefungen und Positionierungshilfen zum Aufnehmen der Deckelplatte und des Terminals angeordnet. Wenn die Deckelplatte und das Terminal im Spritzgusswerkzeug angeordnet sind, dann berühren sie sich nicht, sondern sind durch den Spalt voneinander beabstandet. Der Spalt weist eine im Wesentlichen konstante Breite auf. In eingelegtem Zustand bilden die Deckelplatte und das Terminal zumindest anteilig Wandflächen des Formhohlraums aus. Die im Formhohlraum freiliegenden Wandflächen der Deckelplatte und des Terminals können als Kontaktflächen bezeichnet werden. Das schmelzflüssige Kunststoffmaterial wird bei geschlossenem Spritzgusswerkzeug in den Formhohlraum eingespritzt. Beim Einspritzen kann sich das Kunststoffmaterial mit der vorbehandelten Kontaktfläche verbinden. Dabei kann entweder die Kontaktfläche der Deckelplatte oder die Kontaktfläche des Terminals oder es können beide Kontaktflächen zumindest bereichsweise vorbehandelt sein. Durch das Vorbehandeln einer der Kontaktflächen können sich deren physikalische und/oder chemische Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu einem Zustand vor dem Vorbehandeln signifikant ändern, sodass sich eine gute mechanische Verbindung zwischen der Deckelplatte und dem Kunststoffmaterial beziehungsweise zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Terminal einstellen kann. Insbesondere kann durch das Vorbehandeln eine Oberflächenstruktur bewirkt werden, welche eine gute mechanische Verbindung der Komponenten unterstützt. Durch die gute Verbindung wird das Terminal mediendicht mit der Deckelplatte verbunden. Das flüssige Kunststoffmaterial erkaltet im Formhohlraum und dem Spalt und erstarrt zu dem Kunststoffisolator.
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Die Kontaktfläche kann mit einer Oberflächenstruktur strukturiert sein. Das Kunststoffmaterial kann in der Oberflächenstruktur formschlüssig verklammert sein. Eine Oberflächenstruktur kann eine Fläche der Kontaktfläche vergrößern. Durch die vergrößerte Fläche wird eine verstärkte Haftung erreicht. Die Oberflächenstruktur kann auch Hinterschnitte aufweisen, in denen sich das Kunststoffmaterial verkrallen kann. Durch Hinterschnitte entsteht eine insbesondere auch auf Zug belastbare formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffisolator und der Kontaktfläche.
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Die Oberflächenstruktur kann laserstrukturiert sein. Durch eine Laserstrukturierung können Mikrostrukturen und Makrostrukturen flexibel in die Deckelplatte und/oder das Terminal eingebracht werden, beispielsweise durch lokales Verdampfen oder Ablatieren von Material. Eine Dichte der Oberflächenstruktur kann vorbestimmt werden. Das Laserstrukturieren weist eine geringe Verfahrensdauer auf.
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Die Oberflächenstruktur kann chemisch aufgeraut sein. Die Oberflächenstruktur kann geätzt werden. Durch die chemische Strukturierung kann eine Kristallstruktur der Deckelplatte und/oder des Terminals in den geätzten Bereichen freigelegt werden. Ebenso können Abscheidungen auf der Kontaktfläche eine Rauheit der Kontaktfläche erhöhen. Die chemische Strukturierung kann eine mikroskopische Struktur erzeugen.
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Die Kontaktfläche kann mit einer Beschichtung chemisch beschichtet sein. Das Kunststoffmaterial kann mit der Beschichtung verbunden sein. Eine chemische Beschichtung kann beispielsweise eine Schicht sein, die eine Oberflächenspannung des Kunststoffmaterials herabsetzt, sodass eine verbesserte Benetzung der Kontaktfläche mit dem Kunststoffmaterial resultiert. Die Beschichtung kann auch aus Molekülen aufgebaut sein, die mit einem ersten Ende eine feste Verbindung mit der Kontaktfläche eingehen und mit einem zweiten Ende eine feste Verbindung mit dem Kunststoffmaterial eingehen.
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Die Kontaktfläche kann streifenförmig vorbehandelt sein. Zumindest ein Streifen der Kontaktfläche kann vorbehandelt sein. Ebenso können mehrere insbesondere parallel verlaufende Streifen vorbehandelt sein zwischen den Streifen kann die Kontaktfläche unbehandelt sein. Beispielsweise kann der Streifen entlang einer Kontur der Kontaktfläche verlaufen und ringförmig geschlossen um die Kontaktfläche umlaufen. Der Streifen kann wie ein Dichtungsbereich zum Abdichten des Spalts wirken. Streifen auf der Kontaktfläche der Deckelplatte und auf der Kontaktfläche des Terminals können gegenüberliegend angeordnet sein und ähnlich geformt sein.
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Ein Spannungsabgriff kann auf einer Außenseite der Deckelbaugruppe mit einer Terminaldurchführung des Terminals gefügt werden. Dadurch kann der Spannungsabgriff mit der Terminaldurchführung auf der Außenseite der Deckelbaugruppe gefügt sein. Ein Spannungsabgriff vergrößert eine zum Kontaktieren des Terminals verfügbare Fläche.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale der Deckelbaugruppe und des Herstellungsverfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Deckelbaugruppe gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 zeigt eine Detaildarstellung einer Kontaktfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Deckelbaugruppe 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Deckelbaugruppe 100 ist dazu ausgebildet, eine Öffnung in einem Grundkörper einer Batteriezelle dicht zu verschließen. Die Deckelbaugruppe 100 weist eine Deckelplatte 102 und zwei Terminals 104 auf. Die Deckelplatte 102 ist aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Aluminium. Die Terminals 104 sind ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material. Hier eines der Terminals 104 aus Aluminium und das andere Terminal 104 ein Verbund aus Aluminium und Kupfer. Die Terminals 104 und die Deckelplatte sind beabstandet zueinander angeordnet. Zwischen den Terminals 104 und der Deckelplatte besteht jeweils ein Spalt 106. Der Spalt ist mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgespritzt worden. Das Kunststoffmaterial ist im Spalt 106 erstarrt und hat sich dabei mit Kontaktflächen 108 der Terminals 104 und der Deckelplatte 102 verbunden. Das erstarrte Kunststoffmaterial bildet je einen Kunststoffisolator 110 aus.
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Der Kunststoffisolator 110 erstreckt sich über den Spalt 106 hinaus. Der Kunststoffisolator 110 stellt die bei der vorgesehenen elektrischen Spannung der Batteriezelle beziehungsweise der gesamten Batterie erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zum Verhindern von Überschlägen und Kriechströmen bereit.
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Die Kontaktflächen 108 sind zumindest bereichsweise für eine verbesserte Verbindung des Kunststoffmaterials mit der Deckelplatte 102 beziehungsweise den Terminals 104 vorbehandelt. Beispielsweise können die Kontaktflächen 108 bereichsweise aufgeraut sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist auf einer Außenseite der Deckelbaugruppe 100 je ein Spannungsabgriff 112 mit einer Terminaldurchführung 114 der Terminals 104 gefügt. Die Spannungsabgriffe 112 vergrößern eine freie Oberfläche der Terminals 104. Beispielsweise kann der Spannungsabgriff 112 auf die Terminaldurchführung 114 aufgepresst sein. Ebenso kann der Spannungsabgriff 112 an die Terminaldurchführung 114 angeschweißt oder mit der Terminaldurchführung 114 verstemmt sein. Der Kunststoffisolator 110 erstreckt sich bis über einen Spalt zwischen dem Spannungsabgriff 112 und der Deckelplatte 102.
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Der Spannungsabgriff 112 kann vor oder nach dem Spritzguss mit der Terminaldurchführung 114 gefügt werden.
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2 zeigt eine Detaildarstellung einer Kontaktfläche 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Kontaktfläche entspricht dabei im Wesentlichen der Kontaktfläche in 1. Hier ist auf der Kontaktfläche 108 durch eine Laserstrukturierung eine Oberflächenstruktur 200 erzeugt worden. Die Laserstrukturierung erzeugt eine große Oberfläche für den Kontakt zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Terminal 104 oder der Deckelplatte. Zusätzlich erzeugt die Laserstrukturierung Hinterschnitte, in denen sich das Kunststoffmaterial beim Erstarren zu dem Kunststoffisolator 110 verkeilt beziehungsweise formschlüssig verbindet.
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Mit anderen Worten wird eine Spritzgusstechnologie für Batterie-Ableiterdurchführungen und deren Isolation vorgestellt.
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Batteriezellen können als Pouch- oder Hardcase-Zellen aufgebaut sein. In beiden Fällen werden Ableiter durch das Gehäuse (bzw. die Folie) geführt. Je nach Konzept kann bei Hardcase-Zellen das Gehäuse auf Potential liegen und dadurch nur eine Ableiterdurchführung notwendig sein. Für diese Ableiterdurchführung durch das Gehäuse ist eine elektrische Isolation zum Gehäuse erforderlich. Als Isolationskonzepte können Kunststoffdichtungen und Kunststoff-, Keramik-, oder Glasisolatoren verwendet werden. Um die dichte, elektrisch isolierte Durchführung durch das Gehäuse zu realisieren, ist dabei bisher eine Vielzahl an Einzelteilen und Montageschritten erforderlich.
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Hier wird ein Konzept für eine Hardcase-Zelle vorgestellt, bei der Zelldeckel und die Durchführung mittels Spritzguss in einem Schritt elektrisch voneinander isoliert und gleichzeitig über Lebensdauer dicht miteinander verbunden werden. Dabei werden Prozessschritte, Bauteile und damit Zeit und Kosten eingespart.
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Das Ableiterkonzept basiert auf einer direkten Metall-Kunststoff-Verbindung. Die Zahl der Einzelteile der Deckelbaugruppe kann durch das Entfallen von zusätzlichen Dichtungselementen signifikant reduziert werden. Die verbleibenden Einzelteile sind der Aluminiumdeckel und die Durchführungen, die mit Kunststoff umspritzt werden.
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In 1 ist schematisch der Aufbau des Konzepts basierend auf einem Design einer Deckelbaugruppe 100 mit zwei Durchführungen gezeigt. Dargestellt ist ein Schnitt durch eine Hardcase-Deckelbaugruppe 100 mit Ableitern, Kunststoffisolator 110 und Spannungsabgriffen. Zur Kontaktierung im Zellinneren ist die eine Ableiterdurchführung aus Aluminium gefertigt, die zweite Durchführung besitzt einen Kupferanteil. An diese Kupferfläche werden bei der Zellmontage die Kupferableiter der einzelnen Stacks gefügt.
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Um im Spritzgussprozess den Kunststoff dicht an das Metall zu fügen, ist das Metall vorbehandelt. Eine Variante der Vorbehandlung ist die Oberflächenaufrauhung mittels Laser. In die erzeugte Struktur kann sich der flüssige Kunststoff während des Spritzgießprozesses „verkrallen“. Die Struktur besteht aus geometrisch nicht definierten Substrukturen, die die Oberfläche deutlich vergrößern und zudem einen Anteil an Hinterschnitten besitzen.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer Laserstruktur in der Metall-Kunststoffverbindung dargestellt.
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Während des Spritzgussprozesses wird die Laserstruktur vollständig gefüllt und ein Haftverbund entsteht. Durch die Verklammerung des Kunststoffs in der Struktur kommt es zur Ausbildung einer festen und dichten Verbindung zwischen Metall und Kunststoff.
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Eine weitere Variante der Vorbehandlung ist das chemische Anätzen der Metalloberfläche, so dass auch hier ein Anrauen entsteht. Beim Spritzgießen verbinden sich durch die chemisch aufgebrachte Lage auf der Metalloberfläche die beiden Materialien und eine dichte Anbindung entsteht.
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Ein an die Vorbehandlungs- und Spritzgussprozesse angepasstes Ableiterdesign eröffnet darüber hinaus weiteres Potential. Je nach Konstruktion kann auf den Spannungsabgriff verzichtet und die Teileanzahl weiter reduziert werden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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