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Die Erfindung betrifft Zellkontaktiersysteme für elektrische Energiespeichereinrichtungen, hier insbesondere Batterien, insbesondere Antriebsbatterien für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge.
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Elektrische Energiespeichereinrichtungen werden zum Speichern bzw. Zwischenspeichern von elektrischer Energie verwendet. Solche Energiespeichereinrichtungen können z.B. Akkumulatoren- oder Batteriepacks mit mehreren Zellen, d. h. Batterie- oder Akkuzellen umfassen. Solche Energiespeichereinrichtungen werden im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung der Einfachheit halber generell als „Batterien“ bezeichnet. Anwendung finden derartige Batterien insbesondere als Antriebs- bzw. Fahrbatterien für elektrische Kraftfahrzeuge.
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Zellkontaktiersysteme sind Verbindungssysteme, die dazu dienen, einzelne Zellen der Batterie, insbesondere Akkumulator- oder Batteriezellen bzw. aus mehreren Zellen bestehende Batterien elektrisch miteinander zu verbinden. Durch entsprechende Zellkontaktiersysteme werden die einzelnen Zellen oder Zellverbände zusammengeschaltet, so dass eine gewünschte Zielspannung an Anschlüssen bzw. Abgriffen der Zellkontaktiersysteme zur Verfügung steht.
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Die Zellkontaktiersysteme enthalten dabei in der Regel auch Mittel, um sowohl die einzelnen Zellen als auch die gesamte Batterie z.B. hinsichtlich Temperaturen, Spannungen und Strömen zu überwachen bzw. im Lade- oder Entladebetrieb zu managen. Solche Mittel sind insbesondere Sensorleitungen, Sensoren oder auch elektronische Schaltungen.
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Z.B. ist aus der
EP 2 639 857 B1 ein Verbindungssystem für eine Energiespeichereinrichtung bekannt, wobei die Energiespeichereinrichtung eine Mehrzahl an Zellen aufweist, mit einer Mehrzahl von durch ein Trägersystem gehalterten Zellverbindern zum elektrischen Zusammenschalten der Zellen, mit einer Speicherkontrolleinheit zur Überwachung eines Energievorrats und/oder Ladezustands der Zellen, wobei das Trägersystem dazu ausgebildet ist, die Speicherkontrolleinheit aufzunehmen und/oder zu haltern und wobei die Speicherkontrolleinheit mit dem Trägersystem integriert oder lösbar ausgebildet ist. Ein vom Trägersystem umfasstes Trägerteil weist eine Schnittstelle und / oder Aufnahme für die Speicherkontrolleinheit auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf ein Zellkontaktiersystem vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Elektronikkomponente gemäß Patentanspruch 1 für ein Zellkontaktiersystem. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das Zellkontaktiersystem ist insbesondere ein solches für eine Antriebsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Die Erfindung geht davon aus, dass das Zellkontaktiersystem eine Mehrzahl von Zellverbindern aufweist, die zur Leistungskontaktierung von Batteriezellen einer Batterie dienen. Dies bedeutet, dass über die Zellverbinder die Batterieleistung aus dieser entnommen oder in diese eingespeist wird. Insbesondere ist die Elektronikkomponente im Hinblick auf ein bestimmungsgemäßes Zellkontaktiersystem ausgeführt. „Bestimmungsgemäß“ heißt, dass die Elektronikkomponente auf ein bestimmtes oder einen bestimmten Typ von Zellkontaktiersystem bzw. Batterie konstruktiv abgestimmt ist und für den Einsatz dort vorgesehen ist; z.B. für die dadurch bestimmten Geometrieanforderungen, Leistungsanforderungen usw. ausgelegt ist.
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Im Sinne der oben genannten bestimmungsgemäßen Eignung werden im Rahmen der Anmeldung daher auch Eigenschaften von Zellkontaktiersystem bzw. Batterien beschrieben, obschon die eigentlichen Komponenten streng genommen nicht Teil, sondern Objekt der jeweiligen Erfindung sind. Diese Aussagen gelten jedoch sinngemäß auch für die weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Zellkontaktiersysteme bzw. Batterien und werden gegebenenfalls dort nicht nochmals explizit wiederholt.
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Insbesondere ist daher auch eine (zumindest spätere, im Montagezustand) feste und bekannte geometrische Relativlage der Zellverbinder zueinander bzw. im Zellkontaktiersystem bekannt, zumindest, wenn das Zellkontaktiersystem bestimmungsgemäß mit der Batterie verbunden ist.
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Die Elektronikkomponente enthält eine Leiterplatte einer Mess- und/oder Managementanordnung für die Batterie, wobei die Leiterplatte (bzw. deren Leitungen / Komponenten) mit genau zwei der Zellverbinder elektrisch verbindbar ist. Hierzu, also zur Verbindung mit dem Zellverbinder, weist die Leiterplatte für jeden der Zellverbinder mindestens eine Lötfläche auf. Auf diesem ist der Zellverbinder festzulöten, damit die elektrische Verbindung entsteht. Die Leiterplatte kann dabei insbesondere auch mehrteilig ausgeführt sein.
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Die Elektronikkomponente enthält für jeden der Zellverbinder mindestens ein, auf mindestens eine der Lötflächen auflötbares elektrisches Verbindungselement. Jedes der Verbindungselemente dient zur jeweiligen elektrischen Verbindung der Lötfläche und damit der Leiterplatte mit dem Zellverbinder. Mindestens einer der Zellverbinder ist insbesondere einpolig.
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Mindestens eines, insbesondere alle ersten und/oder zweiten (siehe unten), der Verbindungselemente sind flächenhaft streifenartig ausgebildet. „Flächenhaft streifenartig“ bedeutet, dass diese eine insbesondere gleichbleibende, vergleichsweise geringe Höhe im Verhältnis zu deren Seiten- und Längsausdehnung aufweisen. „Streifenartig“ kann dabei - jeweils in Längserstreckungsrichtung des Streifens gesehen - gerade, abknickende, gebogene, gewinkelte, gekrümmte Ausführungsformen einschließen.
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Mindestens ein erstes der Verbindungselemente führt zu einem ersten der Zellverbinder. Dieses (die ersten) dient der mechanischen Befestigung und/oder thermischen Übertragung zwischen Zellverbinder und Leiterplatte und ist vergleichsweise (also in Relation zum zweiten, siehe unten) mechanisch starr und vergleichsweise kurz ausgeführt. Die Ausführung derart dient dazu, die gewünschten Eigenschaften (Befestigung, Übertragung, insbesondere physikalische Brücke, Thermobrücke) zu bewirken bzw. zu begünstigen.
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Mindestens ein zweites der Verbindungselemente führt zu dem zweiten der Zellverbinder. Dieses (die zweiten) dient einem thermischen und/oder mechanischen (3D-)Längenausgleich zwischen den Zellverbindern und/oder einem entsprechenden Ausgleich zwischen dem zweiten Zellverbinder und der Leiterplatte und ist vergleichsweise (in Relation zum ersten) mechanisch flexibel bzw. flexibler und vergleichsweise lang bzw. länger (wiederum in Längsrichtung des Streifens gesehen) ausgeführt. Auch hier dient die Ausführung derart dazu, die gewünschten Eigenschaften (3D-Längenausgleich bzw. -Nachgiebigkeit, insbesondere eine Zugentlastung) zu bewirken bzw. zu begünstigen.
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Der - insbesondere 3D - „Längenausgleich“ ist dabei im Sinne einer 3D-Nachgiebigkeit bzw. einer 3D-Beweglichkeit zu verstehen. Dies ist so zu verstehen, dass das Verbindungselement Bewegungen, Verschiebungen seiner Enden bzw. Fixierstellen in allen drei Raumrichtungen, also in 3D, ausgleichen bzw. diesen nachgeben kann. Dies wird insbesondere erreicht durch einen geschwungenen bzw. brückenförmigen bzw. U-förmigen oder S-förmigen Verlauf des Verbindungselements. Entsprechendes gilt auch für eine Formgebung den weiter unten genannten Draht.
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Die Leiterplatte weist außerdem mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch von Informationen mit einer Gegenstelle auf. Informationen sind jegliche für ein Batteriemanagement nützliche oder notwendige Informationen, insbesondere solche über Ströme, Spannungen und Temperaturen der kontaktierten Batterie im Montagezustand bzw. im Betrieb der Batterie.
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Eine Kommunikation kann dabei ausgehend von der Leiterplatte in eine oder beide Richtungen (eingehend/ausgehend) erfolgen. Die Gegenstelle kann eine Kommunikationsschnittstelle einer anderen Leiterplatte (insbesondere einer anderen Elektronikkomponente) oder eine andere Gegenstelle innerhalb oder außerhalb des Zellkontaktiersystems sein, z.B. eine externe Auswerteeinheit, Zentralsteuerung etc.
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Die Elektronikkomponente weist also Verbindungselemente für genau zwei Zellverbinder auf. Die Elektronikkomponente dient damit der Auswertung des Zustandes einer Batterie in Bezug auf genau zwei von deren Zellverbindern. Damit kann z.B. die Spannung einer einzelnen Batteriezelle oder deren Temperatur, deren Impedanz, Stromleistung usw. ermittelt werden. In einer gesamten Batterie können so eine Reihe von derartigen Elektronikkomponenten platziert und kommunizierend miteinander verbunden werden, um die gesamte Batterie managen zu können.
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Auf der Leiterplatte werden insbesondere Messignale aus der Batterie (Spannungen, Ströme, Temperaturen etc.) empfangen oder erzeugt. Auf der Leiterplatte findet insbesondere eine Umwandlung solcher Messsignale in ein datenübertragbares Signal statt, um dieses über die Kommunikationsschnittstelle zu übertragen.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich das Einbringen/Integrieren einer Leiterplatte in das Zellkontaktiersystem, welche eine elektrische Weiterleitung / Verarbeitung von Messsignalen ausführt. Das Zellkontaktiersystem mit den elektronischen Komponenten (Leiterplatte etc.) wird durch die Kommunikationsschnittstelle so erweitert, dass ein Datenübertragungssystem (leitungsgebunden oder per Funk) für die Kommunikation zwischen einzelnen Leiterplatten bzw. Zellen eines Moduls und zwischen mehreren Batteriemodulen verwendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich ein Verbindungselement von der Leiterplatte zu den Zellverbindern, das flach ist und optional korrosionsgeschützt ausgeführt werden kann, die Funktion einer 3D-Nachgiebigkeit bzw. Zugentlastung (Flexibilität) erfüllt und eine physikalische Brücke (da relativ starr und kurz, z.B. Thermobrücke) zwischen Zellverbinder und Leiterplatte darstellt, insbesondere zu einer Sensorstelle auf der Leiterplatte als sensorisches Element. Durch eine optionale partielle Beschichtung des Grundmaterials wird die direkte Anbindung sowohl auf dem Lastpfad (Zellverbinder) als auch auf der Leiterplatte (PCB, printed circuit board) gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Montage der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board / Löten) erst nach Verbinden des Zellkontaktiersystems (ZKS) auf die Batterie (Zelle / Schweißen) vorzunehmen. Insbesondere ergibt sich ein Aluminium-Verbindungselement als Stanzteil, sowie ein solches, das als physikalische Brücke dient. Insbesondere kann das Aluminium-Verbindungselement bereits korrosionsgeschützt ausgeführt werden (siehe unten). Eine selektive (z.B. in einem Lötbereich) Beschichtung (insbesondere Zinnbeschichtung) des Verbindungselements (insb. Aluminium) ermöglicht das Kontaktieren an die Leiterplatte (PCB / FPC flexible printed circuit, Löten von zinnbeschichtetem Aluminium auf Lötfläche, insbesondere Kupfer). Außerdem ermöglicht es eine geeignete Materialpaarung bei der Kontaktierung von Zellverbindern (Verbindungselement als Aluminium unbeschichtet auf dem Aluminium des Zellverbinders).
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Eine Reihenfolge beim Prozessieren (Herstellung eines Zellkontaktiersystems / Batteriemoduls) kann günstig für die Wärmeeinträge (Löten: hoch / Laserschweißen: gering) gewählt werden, sodass zum Beispiel eine vorher ausgeführte Lötstelle beim späteren Schweißen nicht wieder erweicht.
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Verbindungselemente (insbesondere die zweiten, aber auch Drähte, zum Beispiel als Kommunikationsmedium, siehe unten) erlauben eine 3D-Nachgiebigkeit bzw. Zugentlastung für thermische Bewegungen. Insbesondere die Drahtverlegung (z.B. eine CU-Lackdrahtes) als Bus-Übertragungsmedium erlaubt thermische Bewegungen durch 3D-Nachgiebigkeit bzw. Zugentlastungen. Eine Datenübertragung kann im ZKS (Zellkontaktiersystem) selbst und zwischen ZKS bis zu einer Gegenstelle / Auswerteinheit etc. beliebig gestaltet werden.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich die Integration einer elektronischen Komponente (Leiterplatte mit entsprechenden Komponenten) in das Zellkontaktiersystem, welche die Messsignale der Signalleitungen (Verbindungselemente) in ein für Datenübertragungssysteme (Übertragung über die Kommunikationsschnittstelle) verwendbares Signal (z.B. Digitalsignal) umwandelt. Es ergibt sich die Möglichkeit der Integration eines Datenübertragungssystems (z.B. BUS, leitungsgeführt oder drahtlos) in das ZKS.
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Es ergibt sich optional eine selektive Beschichtung im (insbesondere Löt-) Bereich des Verbindungselements, um eine Aluminium-Kupfer-Verbindung zu ermöglichen. Es ergibt sich die optionale Möglichkeit einer indirekten thermischen Übertragung zur Leiterplatte durch das Verbindungselement, ohne einen NTC-Baustein (negative temperature coefficient) direkt auf dem Zellverbinder platzieren zu müssen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in den aktuell aus der Praxis bekannten Produkten (Zellkontaktiersysteme) zur Signalleitung elektromechanische Leitungssysteme verwendet werden. Die Signalverarbeitung wird extern (also außerhalb des ZKS) realisiert. Die Anbindung von Sensoren erfolgt direkt auf den zu beobachtenden Bauteilen abgesetzt von der Verarbeitungselektronik. Analoge (Mess-)Signale werden mittels FPC oder Cu-Leiter mit Steckverbindungen realisiert. Die Kontrolleinheit/PCB ist meist extern angeordnet.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Alternative zu den aus der Praxis bekannten bestehenden Lösungen für die Weiterleitung physikalischer Zustandsgrößen von und zwischen Batteriekomponenten zu einer dezentralen Signalauswertung oder Verarbeitung ohne Verkabelung der Einzelkomponenten. Es ergibt sich eine Funktionsintegration von separaten Teilbaugruppen und Sensoriken.
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Es ergibt sich eine Integration von Elektronik in Zellkontaktiersysteme (Single-/Multicell-Design). Es ergibt sich eine Anbindung von Elektronik an Alu-Sense-Punkte (die Stelle des Zellverbinders, die zu vermessen ist). Es ergibt sich eine Erweiterung von Zellkontaktiersystemen um eine oder mehrere elektrisch leitende Komponenten, welche die Weiterleitung und Verschaltung von Signal- und Sensorleitungen innerhalb von Batteriesystemen zur weiteren Verarbeitung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eines der Verbindungselemente eine selektive Beschichtung in einem mit der Lötfläche zu verlötenden Lötbereich auf. „Selektiv“ bedeutet hier, dass die Beschichtung auf einen entsprechenden Bereich des Verbindungselements begrenzt ist. Insbesondere ist dies genau der Lötbereich, eventuell erweitert um einen Toleranzbereich / Umgebung des Lötbereiches, die zum Beispiel so gewählt ist, dass ein Löten unter Einbeziehung aller Toleranzen sicher innerhalb des Bereiches der Beschichtung erfolgt. Somit ergibt sich eine sichere Verlötung zwischen Leiterplatte und Verbindungselement.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Übergangsbereich zwischen dem Grundmaterial des Verbindungselements und der Beschichtung gegen Korrosion abgedichtet. Somit ergibt sich ein Korrosionsschutz des Verbindungselement. Die Abdichtung erfolgt insbesondere soweit bzw. derart, dass unter Berücksichtigung sämtlicher Toleranzen das mit der Leiterplatte fertig verlötete Verbindungselement gänzlich und sicher vor Korrosion geschützt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht mindestens eines der Verbindungselemente aus Aluminium (insbesondere als Grundmaterial). Für den Fall, dass eine oben genannte Beschichtung vorgesehen ist, ist alternativ oder zusätzlich die Beschichtung eine Zinnbeschichtung. Insbesondere lässt sich mit Zinn beschichtetes Aluminium (als optionales Grundmaterial des Verbindungselements) besonders gut mit Kupfer (als optionalem Material der Lötfläche) verlöten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines, vorzugsweise alle ersten und/oder zweiten, der Verbindungselemente ein Stanzteil aus einer Blechplatte. Die Blechplatte ist insbesondere eine Aluminiumplatte. So lassen sich besonders gut Verbindungselemente einheitlicher Dicke, streifenartig und flächenhaft (was sich als Blechabschnitt bei einem Blech einheitlicher Dicke insbesondere automatisch ergibt) herstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Leiterplatte einen Temperaturfühler, der fest auf der Leiterplatte angebracht ist. Außerdem ist der Temperaturfühler thermisch an die Lötfläche für das erste Verbindungselement gekoppelt angebracht. Insbesondere ist der Temperaturfühler so nahe, so eng und so gut thermisch gekoppelt wie möglich an der Lötfläche angeordnet, insbesondere unmittelbar an diese angrenzend, unterhalb dieser usw. Somit ergibt sich durch den Temperaturfühler eine Sensorstelle auf der Leiterplatte, die thermisch bestmöglich über die Lötfläche und das montierte Verbindungselement an den Zellverbinder gekoppelt ist, ohne die Notwendigkeit, einen Temperaturfühler extern von der Leiterplatte direkt auf dem Zellverbinder platzieren zu müssen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der ersten Verbindungselemente eine Rechteckform auf. Eine derartige Form ist besonders einfach, als flächenhafter Streifen bzw. Zunge, insbesondere als Stanzteil, herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der zweiten Verbindungselemente (wieder in der Ebene bzw. entlang seiner flächig streifenartigen Erstreckung) S-förmig ausgeführt. Mit anderen Worten handelt es sich um einen S-förmig verlaufenden Streifen oder Band. Das Verbindungselement weist einen geraden Mittelschenkel auf. An je einem Ende des Mittelschenkels schließt sich mit einer 180°-Wendung ein Teilschenkel an. Die beiden Teilschenkel verlaufen daher parallel zum Mittelschenkel, einer auf der einen, der andere auf der anderen Seite des Mittelschenkels. An den wiederum entfernten Enden der Mittelschenkel schließen sich jeweilige Zufuhrschenkel an, die senkrecht, also mit einer 90°-Wendung, von den Teilschenkeln abzweigen, also rechtwinklig zum Mittelschenkel und den Teilschenkeln und von diesen weg verlaufen. Die Teilschenkel weisen nur eine Teillänge, insbesondere die halbe Länge des Mittelschenkels auf. Das entsprechende Verbindungselement ist insbesondere dadurch erzeugt, dass gerade Längsschnitte die Teilschenkel vom Mittelschenkel trennen, die insbesondere in runden Freischnitten zur Spannungsentlastung enden. Auch an den Abzweigungen der Zufuhrschenkel von den Teilschenkeln sind insbesondere entsprechend runde Freischnitte vorgesehen. Das entsprechende Verbindungselement ist besonders einfach als Blech-Stanzteil ausführbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kommunikationsschnittstelle mindestens ein Aufnahmemittel für einen Draht als zumindest Teil eines Kommunikationskanals bzw. als Übertragungsmedium für die Kommunikation auf. Der Kommunikationskanal ist insbesondere aus zwei, drei oder vier Drähten gebildet. Das Aufnahmemittel ist insbesondere ein Gabelkontakt. Der Draht oder Verbindungsdraht ist insbesondere als CU-Lackdraht ausgeführt. Aufnahmemittel und Draht bilden zusammen einen Drahtabschnitt. Der Drahtabschnitt enthält das Aufnahmemittel, insbesondere wenigstens eine Klemmgabel für einen Verbindungsdraht, und den von der Klemmgabel zur Gegenstelle führenden Verbindungsdraht. Der Verbindungsdraht ist insbesondere ein Lackdraht, insbesondere ein CU-Lackdraht. Durch die Drahtverlegung ist vor allem eine einfache Anpassung an Montagegegebenheiten möglich. Der Draht ist insbesondere an sich flexibel genug, um einen thermischen oder mechanischen (Vibrationen, Bewegungen) (3D-)Längenausgleich, wie oben erläutert, zwischen Kommunikationsschnittstelle und Gegenstelle zu gewährleisten.
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In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Kommunikation per Funk.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der Verbindungselemente ein einstückiger Direktverbinder zwischen Leiterplatte und Zellverbinder. Insbesondere die oben genannten Stanzteile lassen sich besonders gut einstückig herstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterplatte in einem Montagezustand im Zellkontaktiersystem ausschließlich vermittels der Verbindungselemente mechanisch an den Zellverbindern und dadurch im Zellkontaktiersystem befestigt. Die Leiterplatte muss dann nicht gesondert mechanisch gehalten werden. Insbesondere ergibt sich so eine Doppelfunktionalität für das erste Verbindungselement als thermische Brücke und mechanisches Befestigungselement, ggf. auch für das zweite Verbindungselement als thermischer / mechanischer (3D-)Längenausgleich und Befestigungselement.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Zellkontaktiersystem gemäß Patentanspruch 12. Das Zellkontaktiersystem und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektronikkomponente erläutert.
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Das Zellkontaktiersystem enthält eine Mehrzahl von Zellverbindern, die zur Leistungskontaktierung von Batteriezellen dienen, und mindestens eine erfindungsgemäße Elektronikkomponente. In einem entsprechenden Zellkontaktiersystem ist die Anzahl, Lage, Gestalt, Geometrie, Relativposition zueinander usw. von Zellverbindern und sonstigen Strukturteilen bekannt. Insbesondere ist so die Anpassung einer Elektronikkomponente an ein konkretes und nicht nur bestimmungsgemäßes Zellkontaktiersystem möglich. Insbesondere sind bei einer Anzahl von n Zellverbindern n-1 Elektronikkomponenten vorgesehen, die stets zwei der n Zellverbinder miteinander verbinden, so dass z.B. alle Teilspannungen zwischen allen Zellverbindern ermittelbar sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Zellkontaktiersystems. Bei dem Verfahren wird bzw. werden die erfindungsgemäßen Elektronikkomponenten im noch unmontierten Zustand, also als Einzelteile bzgl. Leiterplatte und Verbindungselementen, bereitgestellt. Zuerst werden dann die elektrischen Verbindungselemente mit der Leiterplatte durch Löten verbunden. Anschließend werden die elektrischen Verbindungselemente mit den Zellverbindern verbunden, insbesondere durch Schweißen. Wie oben erläutert, erfolgt durch den geringeren Wärmeeintrag beim späteren Schweißen kein Aufweichen der bereits vorher fertig gestellten Lötstellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 zum Herstellen eines Batteriemoduls. Das Batteriemodul enthält eine Batterie und ein die Batterie kontaktierendes, erfindungsgemäßes Zellkontaktiersystem. Bei dem Verfahren wird bzw. werden die erfindungsgemäßen Elektronikkomponenten wie oben als Einzelteile bereitgestellt. Getrennt hiervon werden das bzw. die restlichen erfindungsgemäßen Zellkontaktiersysteme (ohne Elektronikkomponenten) bereitgestellt. Zuerst wird das Zellkontaktiersystem ohne die Elektronikkomponenten mit der Batterie verbunden. Anschließend werden die Leiterplatten mit den Zellverbindern vermittels der Verbindungselemente elektrisch verbunden, insbesondere gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es oben erläutert wurde.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
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Gemäß der Erfindung sind Stanzteile aus Aluminium als Verbindungselemente möglich, die Stanzteile können in einem Stanzband angebunden sein. Eine selektive Beschichtung des Verbindungselements mit Zinn ist möglich, außerdem eine selektive Abdeckung des Beschichtungsübergangs zur Korrosionsprotektion. Es ergibt sich eine Integration eines Längen- und Vibrationsausgleichs über die Formgebung der Verbindungselemente, insbesondere über deren Stanzgeometrie. Eine Anbindung (Leiterplatte an Zellverbinder / Verbindungselement) über einen Lötprozess an PCB, Flex PCB oder Starr-Flex PCB ist möglich. Eine automatische Verarbeitung auf Bestückungsmaschinen ist möglich. Die Erfindung findet Einsatz zur Anbindung einer ZKS-Steuer-Elektronik an die Zellverbinder. Eine Übertragung eines Temperatursignals erfolgt insbesondere durch eine geeignete Gestaltung des ersten Verbindungselements, insbesondere als Alu-Stanzteil. Eine Laserschweißverbindung ist möglich durch den Einsatz von Aluminium (Alu) Material beim Verbindungselement. Damit entsteht Materialgleichheit (des Verbindungselements) zu den Zellverbindern (üblicherweise auch aus Auminium) im ZKS.
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Es ergibt sich insbesondere ein Alu-Stanzteil als Verbindungselement des PCB zum Sensing Point (gewünschter Messpunkt für Spannung, Temperatur, Strom etc.) auf dem Zellverbinder. Eine selektive Zinnbeschichtung am Verbindungselement ermöglicht die Materialgleichheit (des Grundmaterials des Verbindungselements) bei einer Laserschweißung zum Zellverbinder. Ein Korrosionsschutz kann schon auf dem Einzelteil (Verbindungselement / Leiterplatte mit Verbindungselement) aufgebracht werden. Die Erstellung eines Bussystems innerhalb des ZKS-Moduls durch Cu-Lackdraht ist möglich. Neben der Übertragung von Spannung/Strom bzw. entsprechenden Messgrößen kann das Verbindungselement (Stanzteil) auch die Temperatur zur Leiterplatte übertragen.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 eine Elektronikkomponente in Schrägansicht,
- 2 ein Zellkontaktiersystem mit vier Elektronikkomponenten gemäß 1
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1 zeigt eine Elektronikkomponente 2 für ein Zellkontaktiersystem 4.
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2 zeigt vier (n-1, siehe unten) der Elektronikkomponenten 2 aus 1 in ihrem Montagezustand im Zellkontaktiersystem 4. Das Zellkontaktiersystem 4 enthält eine Mehrzahl n, hier fünf, Stück (6a-e) von Zellverbindern 6. Die Zellverbinder 6a-e dienen zur Leistungskontaktierung von in den Figuren nicht dargestellten Batteriezellen einer Batterie. Bei der nicht dargestellten Endmontage eines Batteriesystems wird das Zellkontaktiersystem 4 auf der Batterie montiert, indem unter anderem die Zellverbinder 6a-i mit den Batteriepolen verschweißt werden.
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Die Elektronikkomponente 2 enthält eine Leiterplatte 8. Diese ist Teil einer in den Figuren nicht näher dargestellten Managementanordnung, um ein Batteriemanagement an der Batterie bei deren Betrieb zu realisieren. Die Leiterplatte 8 enthält im Beispiel zwei Lötflächen 10a,b, hier in Form von Kupfer (CU)-Flächen. Die Lötflächen 10a,b dienen zur elektrischen Verbindung der Leiterplatten 8 mit den Zellverbindern 6a-e über hier jeweils zwei Verbindungselemente 12a,b. Die beiden Verbindungselemente 12a,b sind ebenfalls Teil der jeweiligen Elektronikkomponente 2.
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Jedes der Verbindungselemente 12a,b ist hier einpolig ausgeführt und weist an seinem jeweiligen, im Montagezustand der Leiterplatte 8 zugewandten Ende einen Lötbereich 18a,b auf, der in den Figuren nur gestrichelt angedeutet und nicht sichtbar und ist, da er sich an der in der Darstellung nach unten zeigenden Unterseite der Verbindungselemente 12a,b befindet und mit den Lötflächen 10a,b bereits verlötet ist.
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Die Verbindungselemente 12a,b sind flächenhaft ausgeführt, nämlich als (im Verhältnis zu ihrer flächigen Querausdehnung relativ dünne) Aluminium (Alu)-Bleche, und sind streifenartig ausgeführt: Die Verbindungselemente 12a sind gerade Streifen in Rechteckform, die Verbindungselemente 12b sind S-förmig verlaufende Streifen mit einer jeweiligen Verbreiterung an ihren Enden.
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Die Verbindungselemente 12a zu einem jeweils ersten der Zellverbinder (6b,d) sind für eine mechanische Befestigung und thermische Übertragung zwischen Zellverbinder 6b,d und Leiterplatte 8 vergleichsweise (im Vergleich zu den Verbindungselementen 12b) mechanisch starr und vergleichsweise kurz ausgeführt.
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Die Verbindungselemente 12b zu einem jeweils zweiten der Zellverbinder (6a,c,e) sind für einen thermischen und/oder mechanischen 3D-Längenausgleich zwischen den Zellverbindern 6a-e und/oder zwischen dem zweiten Zellverbinder (6a,c,e) und der Leiterplatte 8 vergleichsweise (im Vergleich zu den Verbindungselementen 12a) mechanisch flexibel und lang ausgeführt. Im Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die Länge durch den Verlauf des Streifens entlang einer S-Form, also zwei mal 90° und zwei mal 180°-Richtungsänderung, vergrößert ist. So sind ein gerader Mittelschenkel 36, daran mit 180° Richtungsänderung anschließend beidseitig je ein hierzu paralleler halblanger Teilschenkel 38a,b, und beidseitig hierzu jeweils vom Teilschenkel rechtwinklig abzweigend (90°-Richtungsänderung) ein Zufuhrschenkel 40a,b vorgesehen.
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Die Flexibilität der Struktur wird durch die Länge des Streifens und die Biegefähigkeit der Struktur an den jeweiligen vier Abwinklungen / Richtungsänderungen erreicht, die unter anderem hierzu außerdem mit runden Freischnitten 42 versehen sind.
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Die Leiterplatte 8 weist außerdem im Beispiel eine Kommunikationsschnittstellen 22 auf, die ebenfalls Teil der Elektronikkomponente 2 ist. Jede der Kommunikationsschnittstellen 22 ist hier in Form von zwei an der Leiterplatte 8 angeschlossenen Aufnahmemitteln 24 für Draht 28 in Form von Gabelkontakten ausgeführt. Die Gabelkontakte sind an der Leiterplatte 8 angeschlossen bzw. mechanisch fest mit dieser verbunden. Jedes der Aufnahmemittel 24 dient der elektrisch kontaktierenden und mechanisch befestigenden Aufnahme von einem Draht 28, hier Cu-Lackdraht. Die Kommunikation erfolgt dann über die entsprechenden Drähte 28 als elektrische Kommunikationsleitung / Kommunikationsmedium bzw. Bussystem 44 zum Datenaustausch mit einer Gegenstelle 26, hier einer Kommunikationsschnittstelle 22 einer weiteren Leiterplatte 8. Die Drähte 28 bilden damit einen Kommunikationskanal 30 des Bussystems 44.
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Die Verbindungselemente 12a,b sind im Beispiel einstückige Direktverbinder zwischen Leiterplatte 8 und dem jeweiligen Zellverbinder 6a-e.
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Im Beispiel ist die Leiterplatte 8 ausschließlich über die Verbindungselemente 12a-e und ausschließlich an den Zellverbindern 6a-i im Zellkontaktiersystem 4 mechanisch gehalten.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 8 als Einfachleiterplatte (Single-Cell-Chip) ausgeführt, d.h. sie ist für genau zwei Zellverbinder (2: 6a,b / 6b,c / 6c,d / 6d,e) ausgelegt, kann also deren zwei ggf. unterschiedliche Potenziale oder sonstige Kenngrößen erfassen. Für ein Batteriesystem mit zum Beispiel n=fünf Zellverbindern sind damit lediglich n-1=vier Elektronikkomponenten 2 mit solchen Leiterplatten 8 notwendig.
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Im nicht dargestellten Endmontagezustand ist das ZKS 4 auf der Batterie montiert. Die Signalleitungen (hier realisiert durch die Verbindungselemente 12a,b) der einzelnen Potenzialniveaus (z.B. Potenziale der kontaktierten Zellverbinder 6a-e) des Batteriesystems werden dann auf der einzelnen Leiterplatte 8 als Verarbeitungssystem (hier ein PCB, alternativ auch flex / flex-rigid PCB) zusammengefasst. Dort werden die Potenzialniveaus in ein digitales Signal umgewandelt vermittels der Kommunikationsschnittstellen 22 über ein Datenübertragungssystem (BUS, Bussystem 44, hier die Drähte 28) weitergegeben, hier an die Gegenstelle 26. Die dafür notwendigen elektronischen Komponenten befinden sich auf der Leiterplatte 8.
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Eine Leiterplatte 8 („Single-Cell-Chip“) greift zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potenzialen (Zellverbinder 6a,b / 6b,c / 6c,d / 6d,e) die Signale ab und liegt dafür direkt zwischen diesen bzw. den jeweils beiden Zellverbindern 6. Zwei aufeinander folgende Potenziale werden über lang ausgeführte selektivbeschichtete Verbindungselemente 12a,b (12b mit 3D-Nachgiebigkeit bzw. Zugentlastung) zum nächsten Potenzial geführt. Die selektive (da nicht vollflächig auf die Verbindungselemente 12 aufgebrachte) Beschichtung 14 befindet sich auf dem Verbindungselement 12a,b (selektiv nur) im jeweiligen Lötbereich 18a,b und ist in den Figuren ebenfalls nicht sichtbar bzw. nur durch Strichelung angedeutet.
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Die hohe Wiederholgenauigkeit der Verbindungselemente 12a,b ermöglicht somit eine Impedanzmessung. Die Verbindungselemente 12a,b können bzw. sind hier als Stanzteile ausgeführt, und können sich auf einem Stanzband befinden und eine automatisierte Bestückung wird so möglich (nicht dargestellt). Die selektive Beschichtung 14 vereinfacht die Schweißung der Verbindungselemente 12 an den Stellen 13 mit den Zellverbindern 6 aufgrund von Materialgleichheit (nicht beschichtetes Aluminium des Verbindungselement 12 und Aluminium des Zellverbinders 6) und erfüllt ebenfalls die Ansprüche von Korrosionsschutz. Die Längendehnung aufgrund von Wärme und der Vibrationsausgleich werden über die Stanzgeometrie der Verbindungselemente 12b erreicht. Die Anbindung an die Leiterplatte 8 wird über einen Lötprozess erstellt, wobei die PCB dadurch als starr, flex oder flex-starr ausgeführt werden kann. Die Lötung findet zwischen der Lötfläche 10 und dem Lötbereich 18 statt.
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Die Datenübertragung wird durch spezielle Cu-Pins (Gabelkontakte, Aufnahmemittel 24) bewirkt, welche der Anwendung eines Laserschweiß-Verfahrens zur Erzeugung einer serienfähigen Alu-Cu-Schweißverbindung dienen. Diese Pins erlauben die Übertragung von Digitalsignalen zwischen einzelnen Leiterplatten 8 oder zwischen einzelnen Batteriesystemen.
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Mehrere Leiterplatten 8 (Single-Cell-Chip) sind vorgesehen, welche jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden Potenzialen liegen (siehe 2).
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Die Datenübertragung erfolgt über BUS-Anbindungen seitens der Kommunikationsschnittstellen 22.
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Die Verschweißung zwischen den Verbindungselementen 12 und den Zellverbindern 6 erfolgt jeweils an der Stelle 13 der Verbindungselemente 12.
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Die Elektronikkomponente 2 ist als „Single-Cell-Chip“-Variante (kontaktiert nur jeweils zwei Zellverbinder 6) ausgeführt und liegt über die Verbindungselemente 12a jeweils mechanisch fest und thermisch ausreichend gut gekoppelt an einem der Zellverbinder 6b,d an und greift über einen integrierten Temperaturfühler 34 bzw. Temperatursensor (NTC, Teil des dargestellten Chips, nur symbolisch angedeutet) die Temperatur des Zellverbinders 6b,d ab. Zwei aufeinander folgende Potenziale (zweiter Zellverbinder 6a,c zu 6b, 6c,e zu 6d) werden über Verbindungselemente 12b (lang bzw. flexibel ausgeführt mit 3D-Nachgiebigkeit bzw. Zugentlastung) zum nächsten Potenzial (Zellverbinder 6b,d) geführt. So ist auch eine Impedanzmessung möglich.
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Der Temperaturfühler ist unmittelbar an der Lötfläche 10a angebracht, so dass er im Montagezustand auch möglichst nah am Verbindungselement 12a liegt. So ist er thermisch bestmöglich an die Temperaturübertragung vom Zellverbinder 6 über das Verbindungselement 12a zur Lötfläche 10a angebunden.
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Für ein entsprechend mit einer nicht dargestellten Batterie komplettiertes Zellkontaktiersystem 4 ergibt sich gemäß 2 eine Single-Cell-Steuerung: Eine elektrische Verbindung (Logik Anbindung/Steuerungsanbindung) erfolgt durch ein Bussystem 44 (Anschluss an der Kommunikationsschnittstelle 22) zum jeweils nächsten Single-Cell-Chip (Leiterplatte 8) über hier Cu-Lackdraht (Schweissgabeln, Aufnahmemittel 24, etc.), im Beispiel einen zweiadrigen Bus bzw. Bussystem 44 aus zwei Drähten 28.
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Das Zellkontaktiersystem 4 wird wie folgt hergestellt: Zuerst werden die elektrischen Verbindungselemente 12a,b mit der Leiterplatte 8 durch Löten (Lötflächen 10 und Lötbereiche 18) verbunden. Anschließend werden die elektrischen Verbindungselemente 12a,b mit den Zellverbindern 6 verbunden, hier geschweißt.
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Ein Batteriemodul, das eine Batterie und ein die Batterie kontaktierendes Zellkontaktiersystem 4 enthält, wird wie folgt hergestellt: Die Elektronikkomponente 2 und getrennt hiervon das restliche Zellkontaktiersystem 4 werden bereitgestellt. Zuerst wird das Zellkontaktiersystem 4 ohne die Elektronikkomponente 2 mit der Batterie verbunden, d.h. die Zellverbinder 6 auf die Batteriepole aufgeschweißt. Anschließend wird die Leiterplatte 8 mit den Zellverbindern 6 vermittels der Verbindungselemente 12 elektrisch verbunden, insbesondere gemäß dem oben erläuterten Verfahren, d.h., das Zellkontaktiersystem wird hergestellt bzw. komplettiert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektronikkomponente
- 4
- Zellkontaktiersystem
- 6a-e
- Zellverbinder
- 8
- Leiterplatte
- 10a,b
- Lötfläche
- 12a,b
- Verbindungselement
- 13
- Stelle
- 14
- Beschichtung
- 18a,b
- Lötbereich
- 22
- Kommunikationsschnittstelle
- 24
- Aufnahmemittel
- 26
- Gegenstelle
- 28
- Draht
- 30
- Kommunikationskanal
- 34
- Temperaturfühler
- 36
- Mittelschenkel
- 38a,b
- Teilschenkel
- 40a,b
- Zufuhrschenkel
- 42
- Freischnitt
- 44
- Bussystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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