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Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem Zellblock und einer plattenförmigen Wärmesenke nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Abdrückvorrichtung zum Trennen eines Zellblocks einer solchen elektrischen Energiespeichereinrichtung von seiner plattenförmigen Wärmesenke.
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Mit der zunehmenden Verbreitung von elektrischen Batterien, insbesondere als Traktionsbatterien in Fahrzeugen wird immer mehr auch das Thema der Wartung und der Reparatur einer solchen Batterie entscheidend. Dafür muss, ebenso wie beispielsweise für ein Recycling, eine Demontage der Batterie erfolgen, um so beispielsweise einzelne Zellblöcke oder Einzelzellen austauschen oder im Rahmen eines Recyclings verwerten zu können.
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Ein entscheidender Aspekt besteht darin, eine Wärmesenke, beispielsweise eine mit Kühlkanälen zur Durchströmung mit einem flüssigen Kühlmedium ausgestalteten Kühlplatte von dem Zellblock einer solchen Batterie zu trennen. Meist sind diese Aufbauten miteinander verklebt, beispielsweise über wärmeleitende Folien und/oder wärmeleitende aushärtende Pasten oder Vergussmassen, um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten und eventuelle Fertigungstoleranzen auszugleichen. In der Praxis wird häufig ein Werkzeug wie ein Meißel an der Seite angesetzt, um die Bauteile zu trennen. Dies ist einerseits aufwändig und führt zu einem wenig reproduzierbaren Vorgang mit der massiven Gefahr einer Beschädigung der einzelnen Teile, was insbesondere für die Demontage bei einer anschließenden Reparatur höchst unerwünscht ist.
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Die
DE 10 2016 109 931 A1 beschreibt einen solchen Servicefall für einen Energiespeicher, welcher deshalb demontierbar sein soll. Dabei ist es so, dass aufgrund der Adhäsion einer Füllschicht, welche die Kühlplatte haftend und klebend an dem Zellblock befestigt, dies entsprechend aufwändig ist, wie oben ausgeführt. In der genannten Schrift ist es deshalb vorgeschlagen, dass der Zellblock eine Art überstehenden Flansch aufweist, welcher mit einer Gewindebohrung versehen ist. In dieser Gewindebohrung kann ein sogenannter Abzieher eingeschraubt werden. Mit zunehmendem Einschrauben drückt er dann den Flansch von der Kühlplatte ab, so dass es letzten Endes zu einer Trennung der Bauteile kommt. Dies ist für die Bauteile schonender als eine Trennung beispielsweise über einen Meißel und einen Hammer. Allerdings besteht auch hier eine nicht unerhebliche Gefahr eines Verbiegens oder Verformens, da die Kraft seitlich eingeleitet wird und deshalb über einen entsprechend großen Hebel über die gesamte Fläche der Batterie wirkt. Ein Verbiegen der Kühlplatte oder des Batteriegehäuses, mit dem Problem dass diese bei der erneuten Montage nicht mehr dichtend flächig aneinander anliegen, ist damit gegeben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit einer solchen einseitig auf einem Zellblock aufgeklebten Kühlplatte entsprechend zu verbessern und ferner eine Abdrückvorrichtung anzugeben, welche zusammen mit der verbesserten elektrischen Energiespeichereinrichtung die eingangs geschilderten Probleme löst.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine verbesserte elektrische Energiespeichereinrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Insbesondere gelingt die Lösung zusammen mit einer Abdrückvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 4. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Batterie umfasst wenigstens einen Zellblock mit mehreren Einzelzellen und wenigstens eine plattenförmige Wärmesenke, beispielsweise eine von einem flüssigen Kühlmedium durchströmte und gekühlte Kühlplatte. Diese ist mit wenigstens einer Seitenfläche des Zellblocks durch Verkleben und/oder Vergießen mit verbunden. Hierfür werden typischerweise wärmeleitende Klebefolien und/oder wärmeleitende Klebstoffe oder Vergussmassen eingesetzt, welche einerseits eine gute Verbindung zwischen den Bauteilen herstellen und andererseits für eine gute Wärmeleitung sorgen. Insbesondere Vergussmassen oder pastöse Klebstoffe haben dabei den zusätzlichen Vorteil, dass sie eventuelle Fertigungstoleranzen zwischen den Bauteilen ausgleichen können.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die Wärmesenke über die Kontaktfläche zu dem Zellblock verteilt eine Mehrzahl von Durchbrüchen zur Aufnahme von Abdrückstiften aufweist. Eine solche Mehrzahl von Durchbrüchen, welche über die Kontaktfläche, insbesondere gleichmäßig, verteilt angeordnet sind, ermöglichen das Einbringen von Abdrückstiften im Bereich von vielen einzelnen Stellen der Kontaktfläche, so dass über die Abdrückstifte eine relativ gleichmäßige und schonende Kraft zum Trennen des Zellblocks von der Wärmesenke geschaffen wird.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass zwischen der dem Zellblock zugewandten Ende der Durchbrüche und der thermisch leitenden Klebe- und/oder Vergussmasse Flächenelemente eingebracht sind. Solche Flächenelemente wie beispielsweise Plättchen oder dergleichen können gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung dabei vorzugsweise in die Durchbrüche umgebende Vertiefungen der Wärmesenke eingelegt sein. Sie benötigen dann quasi keinen zusätzlichen Bauraum. Wenn sie beispielsweise aus dem metallischen Material gefertigt sind, aus welchem typischerweise auch die plattenförmige Wärmesenke bzw. Kühlplatte besteht, verschlechtern sie die Wärmeleitung auch nicht nennenswert. Sie bieten jedoch den Vorteil, dass beim Einsetzen von Abdrückstiften in die Durchbrüche diese nicht direkt auf den Zellblock drücken, sondern dass die Flächenpressung über die eingelegten Flächenelemente auf eine größere Querschnittsfläche verteilt wird, so dass die Krafteinwirkung auf den Zellblock schonender für diesen aufgebracht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Abdrückvorrichtung zum Trennen eines Zellblocks an einer solchen elektrischen Energiespeichereinrichtung von ihrer plattenförmigen Wärmesenke sieht es dann entsprechend vor, dass ein Feld von Abdrückstiften in einer mit den Durchbrüchen der Wärmesenke korrespondierenden Anordnung vorgesehen ist. Ein solches Feld von Abdrückstiften kann dann genutzt werden um in jedem einzelnen Durchbruch einen Abdrückstift zu positionieren und so gleichmäßig über die ganze Fläche verteilt oder ausgehend von einer Seite zur anderen hin die Kraft entsprechend aufzubringen, um den Verbund zwischen der plattenförmigen Wärmesenke und dem Zellblock zu trennen.
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Dafür können die Abdrückstifte gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Abdrückvorrichtung über einen Rahmen oder eine Halteplatte auf der im bestimmungsgemäßen Einsatz der Wärmesenke abgewandten Seite miteinander verbunden sein. Dies ermöglicht einen einfachen und effizienten Aufbau, bei welchem gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ein einziger Aktuator zum Bewegen aller verbundenen Abdrückstifte relativ zur elektrischen Energiespeichereinrichtung ausreicht, um den Zellblock und die Wärmesenke entsprechend zu trennen. Als Aktuatoren können dabei verschiedenartige Aktuatoren zum Einsatz kommen. So können beispielsweise Federn, elektromechanische Aktuatoren, hydraulische Aktuatoren oder dergleichen eingesetzt werden. Bei der beschriebenen Ausgestaltung können diese die Abdrückstifte gemeinsam bewegen.
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Dabei kann es gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zumindest einige der Abdrückstifte in einer individuellen zu ihrer jeweiligen Position bzgl. der Wärmesenke passenden Länge ausgebildet sind. Die Abdrückstifte können also unterschiedlich lang realisiert werden. Wird dann beispielsweise ein Rahmen, welcher alle Abdrückstifte gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung trägt, über einen einzigen Aktuator relativ zur elektrischen Energiespeichereinrichtung bewegt, dann kommen die einzelnen Abdrückstifte, je nach Lände, zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Kontakt mit der Vergussmasse bzw. Klebemasse und dem Zellblock. Dadurch lassen sich beispielsweise Verfahren realisieren, bei welchen die Klebe- und/oder Vergussmasse nicht nur zerstört sondern abgeschält wird, indem beispielsweise in einer Ecke der Wärmesenke die Krafteinleitung beginnt und sich dann mit zunehmender Relativbewegung der unterschiedliche langen Abdrückstifte gegenüber dem Zellblock von diesem Punkt aus über die gesamt Fläche zunehmend ausbreitet.
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Selbstverständlich ließe sich dieser Aufbau auch dadurch realisieren, dass eine Vielzahl von Aktuatoren zur steuerbaren Bewegung jedes einzelnen Abdrückstifts vorgesehen sind. Dann ließe sich eine solche Variante des Ablösens alleine über die Steuerung, beispielsweise einer Softwareprogrammierung, erreichen.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung kann es anstelle von elektrischen, mechanischen und/oder hydraulischen Aktuatoren auch vorsehen, dass als Aktuator zur Bewegung wenigstens einiger der Abdrückstifte eine Einrichtung zur Erzeugung einer thermisch induzierten Längenänderung der Abdrückstifte vorgesehen ist. Diese können also beispielsweise durch ein Erwärmen dahingehend manipuliert werden, dass es zu einer Längenausdehnung kommt. Auch eine solche bewirkt letztlich eine Relativbewegung des einen Endes des Abdrückstifts gegenüber dem Zellblock, wenn das andere Ende zusammen mit der Kühlplatte entsprechend fest aufgenommen ist. Damit lässt sich ebenfalls die benötigte Kraft zum Zerstören oder Abschälen der Klebe- und/oder Vergussmasse zwischen der Wärmesenke und dem Zellblock erreichen.
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Weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichereinrichtung sowie der Abdrückvorrichtung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichereinrichtung in einem schematischen Längsschnitt;
- 2 eine Draufsicht auf eine Kühlplatte als Wärmesenke der elektrischen Energiespeichereinrichtung aus 1;
- 3 eine mögliche Ausführungsform einer Abdrückvorrichtung gemäß der Erfindung;
- 4 eine Schematische Darstellung eines Trennens des Zellblocks von der Kühlplatte in einem Aufbau gemäß den 1 und 2;
- 5 ein alternativer Aufbau der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung analog zur Darstellung in 1;
- 6 eine Draufsicht auf eine alternative Kühlplatte der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichereinrichtung analog zur Darstellung in 2;
- 7 eine Darstellung analog zu der in 4 mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gemäß den 5 und 6;
- 8 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abdrückvorrichtung;
- 9 eine Darstellung analog zur der in 4(b) mit der alternativen Abdrückvorrichtung; und
- 10 eine weitere alternative Abdrückvorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung ist eine erste mögliche Ausführungsform einer hier mit 100 bezeichneten elektrischen Energiespeichereinrichtung in einem schematischen Längsschnitt zu erkennen. Diese besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Zellblock 101 mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 102, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Auf einer Seite des Zellblocks 101, hier beispielsweise in seinem Bodenbereich, befindet sich eine Kühlplatte 103, welche in der Darstellung der 2 auch in einer Draufsicht, also aus Blickrichtung vom Zellblock 101 her, nochmals dargestellt ist. Diese Kühlplatte 103 besteht beispielsweise aus einem Grundkörper 104, welcher mit einer Abdichtplatte 105 verbunden ist. Diese dichtet in dem Grundkörper 104 befindliche Kanäle 106 für die Zirkulation eines flüssigen Kühlmediums gegenüber der Umgebung ab. Die Kühlplatte 103 weist außerdem Durchbrüche 107 auf, welche auch in der Darstellung der 2 nochmal zu erkennen sind, und welche sich mehr oder weniger gleichmäßig über die gesamte in 2 erkennbare Oberfläche, die spätere Kontaktfläche der Kühlplatte 103 mit dem Zellblock 101, erstrecken. Über eine Klebe- und/oder Vergussmasse 108 sind der Zellblock 101 und die Kühlplatte 103 in an sich bekannter Art und Weise thermisch leitend miteinander verbunden.
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Für den Fall einer erforderlichen Demontage einer solchen Batterie 100, also einem Abtrennen des Zellblocks 101 von der Kühlplatte 103 durch ein Zerstören oder Abschälen der Klebe- und/oder Vergussmasse 108 kann nun ein in 3 in eine Seitenansicht dargestellte Abdrückvorrichtung 1 zum Einsatz kommen. Diese besteht aus einem mit den Durchbrüchen 107 in der Kühlplatte 103 korrespondierenden Feld von Abdrückstiften 2, von welchen hier lediglich eine erste Reihe zu erkennen ist. Diese können beispielsweise über einen Rahmen oder eine Halteplatte 3 mechanisch fest mit einander verbunden sein. Sie korrespondieren in ihrer Anordnung wie bereits erwähnt mit den Durchbrüchen 107 der Kühlplatte 103, so dass sich in der Draufsicht auf die Vorrichtung 1 ein vergleichbares Bild wie bei der Draufsicht auf die Kühlplatte in der Darstellung in der 2 ergeben würde.
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Zum Trennen des Zellblocks 101 von der Kühlplatte 103 der Batterie 100 werden die Abdrückstifte 2 der Vorrichtung 1 nun unterhalb der Kühlplatte 103 platziert, wie es in der Darstellung der 4a) angedeutet ist. Über den mit 4 bezeichneten Pfeil ist dabei ein Aktuator angedeutet, welcher im Prinzip in beliebiger Art und Weise ausgeführt sein kann. Dieser sorgt für eine Relativbewegung der Abdrückvorrichtung 1 gegenüber der Kühlplatte 103, so dass, wie es in der Darstellung der 4b) angedeutet ist, der Zellblock 101 der Batterie 100 von deren Kühlplatte 103 abgehoben wird. Damit lässt sich aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Abdrückstifte 2 über die gesamte Kontaktfläche zwischen der Kühlplatte 103 als Wärmesenke und dem Zellblock 101 dieser relativ schonend und einfach von der Kühlplatte 103 trennen.
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5 zeigt nun eine alternative Ausführungsform einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 200, bei welcher die Bauteile analog zur Darstellung in 1 dementsprechend mit 200 bis 208 bezeichnet sind. Diese Bauteile entsprechen den Bauteilen 101 bis 108 und werden daher nicht nochmals im Detail erläutert. Der Unterschied in dem Aufbau besteht nun darin, dass im Bereich der Kühlplatte 203, und hier insbesondere im Bereich ihres Grundkörpers 204, Plättchen 209 in Vertiefungen 210 eingelegt sind, welche in der Darstellung der 6, einer Draufsicht auf die Kühlplatte 203 entsprechend zu erkennen sind. Sie sind als konzentrische Vertiefungen um die Durchbrüche 207 ausgebildet und nehmen runde Plättchen 209 auf. Wie es aus der Darstellung der 7a) und d) ersichtlich ist, ist der Ablauf zum Abdrücken des Zellblocks 201 von der Kühlplatte 203 der Batterie 200 im Wesentlichen derselbe, wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der elektrischen Energiespeichereinrichtung 100. Der Unterschied besteht nun darin, dass durch die Plättchen 209, welche zwischen dem Zellblock 201 und den Abdrückstiften 2 der Abdrückvorrichtung 1 liegen, die Flächenpressung über eine größere Fläche des Zellblocks 201 hinweg verteilt wird, so dass die mechanische Belastung für den Zellblock 201 gegenüber der für den Zellblock 101 nochmals reduziert werden kann. In dem Ausführungsbeispiel in 7a) und 7b) ist es dabei so, dass die Trennung zwischen der Kühlplatte 203 und dem Zellblock 201 nicht wie in der Darstellung in der 4 entlang der Oberfläche des dortigen Zellblocks 101 und der Klebe- und Vergussmasse 108 erfolgt, sondern hier zwischen dem Grundkörper 104 der Kühlplatte und der Klebe- und Vergussmasse 208. Dies spielt letztlich für den Vorgang keine Rolle und kann in beiden dargestellten Fällen, also bei der Batterie 200 und der Batterie 100, jeweils so wie in der Darstellung der 4 oder alternativ auch so wie in der Darstellung der 7 erfolgen, ohne dass dies zu wesentlichen Änderungen im Ergebnis führt. Ob die Klebe- und Vergussmasse 108 bzw. 208 von der Kühlplatte 103 oder vom Zellblock 201 nachfolgend entfernt werden muss, spielt letztlich keine Rolle.
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In der Darstellung der 8 ist eine alternative Ausführungsform der Abdrückvorrichtung zu erkennen, welche hier mit 10 bezeichnet ist. Auch sie umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Abdrückstiften, welche hier reihenweise - wobei jeweils nur der erste Abdrückstift einer Spalte zu sehen ist - mit 12.1 bis 12.5 bezeichnet sind. Sie sind wiederum in einer gemeinsamen Halteplatte oder einem gemeinsamen Rahmen 13 gefasst. Dabei unterscheiden sich 12.1 bis 12.5 in ihrer Länge. Die Abdrückstifte 12.1 in der ganz rechts liegende Spalte der sind dabei kürzer als die in der benachbarte Saite und so fort, bis zur ganz linken Spalte der Abdrückstifte 12.5, welche die Längsten sind. Beim Einsatz dieser Abdrückvorrichtung 10 beispielsweise an der elektrischen Energiespeichereinrichtung 100, prinzipiell aber auch an der elektrischen Energiespeichereinrichtung 200, was ebenso möglich wäre, kommt es beim Ablösen des Zellblocks 101 von der Kühlplatte 103 nun zu dem in 9 dargestellten Bild, welches im Ablauf den Bildern in den 4b) und 7b) entspricht. Dadurch dass die Abdrückstifte 12.1 kürzer als die Abdrückstifte 12.2 usw. sind, kommt es zu einem schrägen Anheben des Zellblocks 101 durch die Vorrichtung 10, beginnend vom Bereich der linken Seite und der Spalte der Abdrückstifte 12.5 her, wonach sich der Spalt mit zunehmendem Vorschub der Abdrückvorrichtung 10 erweitert und nach rechts ausbreitet. Hierdurch kommt es nicht zu einer Zerstörung der Klebe- und/oder Vergussmasse 108 über die gesamte Fläche, sondern zu einem Abschälen derselben, was typischerweise weniger Kraft erfordert und für die beteiligten Bauteile schonender ist.
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In der Darstellung der 10 ist abschließend ein weiterer Aufbau der Abdrückvorrichtung zu erkennen, welcher hier mit 20 bezeichnet ist. Bei dieser Variante der Abdrückvorrichtung 20 sind die einzelnen Abdrückstifte 22 gegenüber ihrem Rahmen bzw. ihrer Halteplatte 23 jeweils über einen eigenen Aktuatoren 24, von welchen ähnlich wie bei den Abdrückstiften 22 lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, beweglich. Dieser Aufbau ermöglicht es der Vorrichtung 20 durch eine reine Steuerung, also beispielsweise über eine Software programmiert, die Art und Weise des Abdrückens zu bestimmen. Ohne den mechanischen Aufbau mit unterschiedlich langen Stiften, wie er in der Vorrichtung 10 realisiert ist, lässt sich so also ein ähnlicher Aufbau und ein ähnliches Verfahren zum Abdrücken des Zellblocks 101 oder auch 201, je nach Ausführungsvariante der elektrischen Energiespeichereinrichtung 100, 200 gemäß 1 oder 5 erreichen. Dies erhöht die Flexibilität für das Verfahren und erlaubt es insbesondere auch in verschiedenen Bereichen des Zellblocks 101, 201 oder der Kühlplatte 103, 203 gezielt unterschiedliche Kräfte zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufzubringen. In der Praxis ist dies durchaus ein Vorteil, hinsichtlich des Steuerungsaufwands und des konstruktiven Aufwands für die Abdrückvorrichtung 20 gegenüber den relativ einfachen Abdrückvorrichtungen 1, 10 muss jedoch immer abgewägt werden, welche Variante für welche praktische Anwendung die geeignetere ist.
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Selbstverständlich lassen sich auch die Abdrückvorrichtungen 10, 20 in den Ausführungen gemäß 8 und 10 zusammen mit den Plättchen 209 ebenso nutzen, wie in der 9 dargestellt ohne die Plättchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016109931 A1 [0004]
