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Die Erfindung betrifft ein Baukastensystem für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs sowie einen Kraftwagen.
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Aus der
DE 10 2017 203 321 A1 ist bereits ein Baukastensystem für Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen bekannt, welche mehrere, jeweilige Batteriezellen umfassende Batteriemodule aufweisen. Die Batteriemodule sind modular zu unterschiedlichen Varianten von Traktionsbatterien elektrisch miteinander verschaltbar. Die Batteriemodule weisen jeweils eine mechanische Schnittstelle auf, mittels welcher die Batteriemodule an einer Unterseite des Kraftfahrzeugs befestigbar sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Baukastensystem für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens sowie einen Kraftwagen zu schaffen, welche ein besonders flexibles Einstellen eines elektrischen Energiegehalts in der Traktionsbatterie mit besonders wenigen unterschiedlichen Batteriemodulen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Baukastensystem für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs sowie durch einen Kraftwagen mit mehreren Batteriemodulen eines Baukastensystems mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Baukastensystem für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens mit mehreren Batterien, welche jeweils eine Mehrzahl an Batteriezellen umfassen. Die Batteriemodule sind miteinander elektrisch verschaltbar, wodurch unterschiedliche Varianten an Traktionsbatterien bereitstellbar sind. Um für besonders geringe Kosten und besonders geringen Entwicklungsaufwand das Baukastensystem mit besonders wenigen unterschiedlichen Batteriemodulen bereitstellen zu können und eine besonders hohe Flexibilität bei einem einzustellenden Speicherinhalt der Traktionsbatterie zu erlangen, sind erfindungsgemäß zwei Batteriezelltypen an Batteriezellen mit zueinander unterschiedlichem Energiegehalt vorgesehen, aus welchen jeweils ein Skalierungsmodul aus einem Teilmodul und ein Großmodul aus drei verbundenen Teilmodulen bereitgestellt sind. Das bedeutet, dass das Baukastensystem vier unterschiedliche Batteriemodule umfasst. Das Baukastensystem umfasst zwei Großmodule, wobei das erste Großmodul mit einem ersten Batteriezelltyp und das zweite Großmodul mit dem zweiten Batteriezelltyp gebildet ist. Das Baukastensystem umfasst des Weiteren die zwei Skalierungsmodule, wobei das erste Skalierungsmodul mit dem ersten Batteriezelltyp und das zweite Skalierungsmodul mit dem zweiten Batteriezelltyp gebildet ist. Um die Traktionsbatterie des Kraftwagens bereitzustellen, werden jeweils Module mit einem gleichen Batteriezelltyp miteinander verschaltet. Um den jeweiligen Speicherinhalt der Traktionsbatterie einzustellen, können eines oder mehrere Großmodule mit einem oder mehreren Skalierungsmodulen des gleichen Batteriezelltyps miteinander verschaltet werden. Die jeweiligen Großmodule weisen insbesondere dreimal so viele Batteriezellen wie die zugeordneten Skalierungsmodule des gleichen Batteriezelltyps auf. Mit anderen Worten weist jedes Teilmodul eines Batteriezelltyps eine gleiche Anzahl an Batteriezellen auf. In den Großmodulen sind die Teilmodule mechanisch miteinander verbunden. Eine elektrische Verbinung der Teilmodule eines Großmoduls untereinander kann vorliegen oder unterbleiben. Das Baukastensystem ermöglicht, dass mit besonders wenigen unterschiedlichen bereitzustellenden Batteriemodulen besonders viele unterschiedliche Varianten an Traktionsbatterien hinsichtlich deren Energiegehalt bereitgestellt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn ein Energiegehalt eines ersten Batteriezelltypen doppelt so hoch ist wie der Energiegehalt des zweiten Batteriezelltypen. Beispielsweise weist der erste Batteriezelltyp einen Batteriegehalt von 281 Wattstunden auf und der zweite Batteriezelltyp weist einen Energiegehalt von 562 Wattstunden auf. Bei dem ersten Batteriezelltyp handelt es sich um eine sogenannte Doppelzelle, wohingegen es sich bei dem zweiten Batteriezelltypen um eine sogenannte Kleinzelle handelt. Über die unterschiedlichen Energiegehalte der Batteriezelltypen können die unterschiedlichen Batteriemodule bei gleichem Energiegehalt mit einer unterschiedlichen Anzahl an Zellen bereitgestellt werden. Über das Einstellen der jeweiligen Anzahl an Batteriezellen in der Traktionsbatterie sowie über die Wahl der Batteriezelltypen kann eine jeweilige Spannungslage in einem miteinander verschalteten Strang an Batteriezellen eingestellt werden.
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Es hat sich als insbesondere vorteilhaft erwiesen, wenn Großmodule jeweils einen gleichen Energiegehalt aufweisen und die Skalierungsmodule jeweils einen gleichen Energiegehalt aufweisen. Werden hierbei die jeweiligen Module aus den Batteriezelltypen zusammengesetzt, bei welchen der erste Batteriezelltyp einen doppelt so hohen Energiegehalt aufweist wie der zweite Batteriezelltyp, dann weist das Großmodul mit dem ersten Batteriezelltypen halb so viele Batteriezellen auf wie das Großmodul mit dem zweiten Batteriezelltypen. Bei den gleichen Energiegehalten der Skalierungsmodule weist das Skalierungsmodul mit dem ersten Batteriezelltyp halb so viele Batteriezellen auf wie das Skalierungsmodul mit den zweiten Batteriezelltypen. Über die jeweilige Wahl einer Kombination des wenigstens einen Großmoduls mit wenigstens einem Skalierungsmodul kann der Energiegehalt der bereitzustellenden Traktionsbatterie eingestellt werden, wobei über eine jeweilige Wahl an die Batteriemodule bereitstellenden Batteriezelltypen eine jeweilige Anzahl an Batteriezellsträngen der Traktionsbatterie eingestellt werden kann. Unter einem Batteriezellstrang sind miteinander elektrisch verbundene Batteriezellen zu verstehen.
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Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn in einem Batteriezellstrang mindestens 78 bis maximal 108 Batteriezellen miteinander verschaltet sind. Hierdurch kann eine vorgegebene Spannungslage in dem jeweiligen Batteriezellstrang besonders sicher eingehalten werden. Vorliegend umfasst das erste Großmodul mit dem ersten Batteriezelltyp 30 Batteriezellen. Das zweite Großmodul mit dem zweiten Batteriezelltypen umfasst 60 Batteriezellen, das erste Skalierungsmodul mit dem ersten Batteriezelltypen umfasst 10 Batteriezellen und das zweite Skalierungsmodul mit dem zweiten Batteriezelltypen umfasst 20 Batteriezellen. Über eine jeweilige Zusammenstellung der unterschiedlichen Batteriemodule des Baukastensystems kann ein gewünschter Energiegehalt der Traktionsbatterie mit besonders wenigen Batteriezellsträngen bereitgestellt werden. Überdies kann aufgrund der Anzahl an mindestens 78 bis maximal 108 Batteriezellen pro Batteriezellstrang das jeweilige Einhalten der Spannungslage in dem jeweiligen Batteriezellstrang sichergestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in der Traktionsbatterie die Teilmodule über Modulverbinder unabhängig von einer Zugehörigkeit zu einem Großmodul miteinander verschaltbar sind. Mit anderen Worten können über die Modulverbinder ein erstes Teilmodul eines Großmoduls mit einem weiteren Teilmodul eines weiteren Großmoduls oder eines Skalierungsmoduls verschaltet werden. Somit können in der Traktionsbatterie nicht nur lediglich die Großmodule beziehungsweise die Skalierungsmodule miteinander verschaltet werden, sondern die einzelnen Teilmodule miteinander verschaltet werden, wodurch eine besonders große Schaltungsflexibilität der Traktionsbatterie erreicht werden kann.
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Um die Teilmodule besonders vorteilhaft mittels der Modulverbinder untereinander verschalten zu können, ist es vorgesehen, dass für jedes Teilmodul separate Spannungsabgriffe an den Großmodulen vorgesehen sind. Über die Spannungsabgriffe sind die Teilmodule flexibel untereinander verschaltbar. Die jeweiligen separaten Spannungsabgriffe der Teilmodule in den Großmodulen ermöglichen, dass eine Flexibilität der Verschaltung nicht nur innerhalb der jeweiligen Module, sondern auch über eine externe Verschaltung der Teilmodule erreicht werden kann.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kraftwagen mit mehreren Batteriemodulen eines Baukastensystems, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Baukastensystem beschrieben worden ist. Hierbei umfasst der Kraftwagen eine Traktionsbatterie, welche wenigstens ein Batteriemodul des Baukastensystems aufweist. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Traktionsbatterie wenigstens ein Großmodul und ein weiteres Batteriemodul umfasst, wobei die Teilmodule des Großmoduls über separate Spannungsabgriffe mit dem weiteren Batteriemodul verschaltet sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Perspektivansicht sowie eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugbodens eines Kraftwagens, an welchem eine Traktionsbatterie anordenbar ist, mittels welcher elektrische Energie bereitstellbar ist, mittels welcher wiederum der Kraftwagen antreibbar ist;
- 2 eine schematische Draufsicht eines als Großmodul ausgebildeten Batteriemoduls der Traktionsbatterie, wobei das Großmodul mehrere Teilmodule aufweist, von welchen jedes wiederum eine Mehrzahl an Batteriezellen umfasst;
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Batteriemoduls mit zwei Teilmodulen, wobei jedes Teilmodul separate Spannungsabgriffe aufweist, über welche das jeweilige Teilmodul elektrisch kontaktierbar ist; und
- 4 eine schematische Ansicht eines Baukastensystems mit vier unterschiedlichen Batteriemodulen, aus welchen die Traktionsbatterie des Kraftwagens variabel zusammensetzbar ist, indem die Batteriemodule an dem Fahrzeugboden des Kraftwagens angeordnet werden.
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In 1 ist ein Fahrzeugboden 1 eines Kraftwagens gezeigt. An dem Fahrzeugboden 1 ist eine Traktionsbatterie 2 des Kraftwagens angeordnet, mittels welcher elektrische Energie für einen elektrischen Antrieb des Kraftwagens bereitstellbar ist. Ein Energiegehalt sowie eine Größe der Traktionsbatterie 2 ist an einen jeweiligen Bedarf des Kraftwagens anzupassen.
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Der Fahrzeugboden 1 weist vorliegend eine Stufe 3 auf, welche bevorzugt frei von der Traktionsbatterie 2 gehalten ist. Der Fahrzeugboden 1 weist einen entlang der Fahrzeuglängsrichtung x vor der Stufe 3 liegenden ersten, vorderen Bereich 4 auf und einen entlang der Fahrzeuglängsrichtung x hinter der Stufe 3 liegenden zweiten, hinteren Bereich 5 auf. Insbesondere sind sowohl in dem vorderen Bereich 4 als auch in dem hinteren Bereich 5 des Fahrzeugbodens 1 jeweilige Batteriemodule der Traktionsbatterie 2 angeordnet.
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Ein derartiges Batteriemodul ist in 2 in einer Draufsicht gezeigt. Das Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen, welche zu wenigstens einem Teilmodul 7 verschaltet sind. Das Großmodul 6 umfasst vorliegend drei miteinander mechanisch verbundene Teilmodule 7. In 3 ist das Großmodul 6 ausschnittsweise gezeigt, sodass lediglich zwei Teilmodule 7 dargestellt sind. Um einen verfügbaren Bauraum am Fahrzeugboden 1 besonders bauraumoptimiert nutzen zu können, entspricht eine Breite a des Großmoduls 6 einer Länge a des hinteren Bereichs 5 des Fahrzeugbodens 1 entlang der Fahrzeuglängsrichtung x. Eine Länge b des Großmoduls 6 entspricht einer Länge b des vorderen Bereichs 4 des Fahrzeugbodens 1 entlang der Fahrzeuglängsrichtung x. Das Großmodul 6 ist somit bevorzugterweise mit seiner Länge b sich entlang der Fahrzeugquerrichtung y erstreckend in dem hinteren Bereich 5 des Fahrzeugbodens 1 anordenbar und mit seiner Länge b sich entlang der Fahrzeuglängsrichtung x erstreckend im vorderen Bereich 4 des Fahrzeugbodens 1 anordenbar. Im vorderen Bereich 4 sind insbesondere mehrere Batteriemodule über eine Breite des Fahrzeugbodens 1 in der Fahrzeugquerrichtung y nebeneinander anordenbar. Eine jeweilige Höhe der Teilmodule 7 kann durch einen in jeweiligen Teilmodulen 7 einzuspeichernden Energiegehalt vorgegeben sein. Somit können anhand eines für einen einzuspeichernden Energiegehalt notwendigen Volumens bei der vorgegebenen Länge b und und der vorgegebenen Breite a des Großmoduls 6 die Höhe der jeweiligen Teilmodule 7 ermittelt werden. Wie in 3 besonders gut erkannt werden kann, weist jedes Teilmodul 7 separate Spannungsabgriffe 8 auf, über welche die Teilmodule 7 eines gemeinsamen Großmoduls 6 unabhängig voneinander mit weiteren Teilmodulen 7 verschaltbar sind. Hierdurch kann eine besonders große Flexibilität beim Verschalten jeweiliger Batteriemodule der Traktionsbatterie 2 ermöglicht werden.
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In 4 ist ein Baukastensystem für die Traktionsbatterie 2 des Kraftwagens gezeigt. Das Baukastensystem umfasst zwei Großmodule 6 sowie zwei Skalierungsmodule 11. Die jeweiligen Batteriemodule umfassen jeweils eine Mehrzahl an Batteriezellen. Ein erster Batterietyp betrifft eine Doppelzelle 10, wohingegen ein zweiter Batteriezelltyp eine Kleinzelle 9 betrifft. Die Kleinzelle 9 weist einen Energiegehalt von 281 Wattstunden auf. Die Doppelzelle 10 weist vorliegend einen Energiegehalt von 562 Wattstunden auf. Ein erstes der Großmodule 6 umfasst drei jeweils aus mehreren Doppelzellen 10 gebildete Teilmodule 7. Das zweite Großmodul 6 umfasst drei aus jeweils mehreren Kleinzellen 9 gebildete Teilmodule 7. Die Skalierungsmodule 11 umfassen jeweils genau ein Teilmodul 7, wobei ein erstes Skalierungsmodul 11 mehrere Doppelzellen 10 umfasst und das zweite Skalierungsmodul 11 mehrere Kleinzellen 9 umfasst. Die Großmodule 6 weisen jeweils einen Energiegehalt von 16,9 Kilowattstunden auf. Die Skalierungsmodule 11 weisen jeweils einen Energiegehalt von 5,6 Kilowattstunden auf. Das die Doppelzellen 10 umfassende erste Großmodul 6 umfasst 30 Batteriezellen, wobei jedes Teilmodul 7 zehn Batteriezellen aufweist. Das erste Skalierungsmodul 11 umfasst zehn Doppelzellen 10, welche in einem Teilmodul 7 zusammengefasst sind. Das zweite Großmodul 6 umfasst insgesamt 60 Kleinzellen 9, wobei jedes der Teilmodule 7 zwanzig Kleinzellen 9 umfasst. Das zweite Skalierungsmodul 11 umfasst 20 Kleinzellen 9, welche in einem Teilmodul 7 zusammengefasst sind. Somit weisen die jeweiligen Doppelzellen 10 einen doppelt so hohen Energiegehalt wie die Kleinzellen 9 auf. Um zu ermöglichen, dass die Großmodule 6 jeweils miteinander und die Skalierungsmodule 11 jeweils miteinander den gleichen Energiegehalt aufweisen, weist das erste Großmodul 6, welches aus den Doppelzellen 10 gebildet ist, eine halb so hohe Anzahl an Batteriezellen auf wie das zweite Großmodul 6, welches aus den Kleinzellen 9 gebildet ist. Um einen gleichen Energiegehalt der Skalierungsmodule 11 zu ermöglichen, weist das erste, aus den Doppelzellen 10 gebildete Skalierungsmodul 11 halb so viele Batteriezellen auf wie das zweite, aus den Kleinzellen 9 gebildete Skalierungsmodul 11. Die Teilmodule 7 sind jeweils über die Spannungsabgriffe 8 über jeweilige Modulverbinder miteinander verschaltbar.
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In 4 sind des Weiteren beispielhaft unterschiedliche aus dem Baukastensystem zusammengesetzte Traktionsbatterien 2 für den Kraftwagen gezeigt. Hierbei ist der jeweilige Energiegehalt der gesamten Traktionsbatterie 2 für jede dargestellte Variante aufgezeigt. Darüber hinaus ist für jede aufgeführte Variante ausgewiesen, welche Anzahl an Batteriezellen (s) die jeweilige Variante der Traktionsbatterie 2 umfasst und in wie vielen Batteriesträngen (p) die jeweiligen Batteriezellen jeweils zusammengefasst sind. Um eine Spannungslage in den jeweiligen Batteriezellsträngen einhalten zu können, ist es vorgesehen, dass in jedem Batteriezellstrang wenigstens 78 Batteriezellen und höchstens 108 Batteriezellen miteinander verschaltet sind. Die jeweiligen gezeigten Varianten an Traktionsbatterien 2 decken einen Energiegehaltbereich von 22 Kilowattstunden bis 101 Kilowattstunden ab.
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Das beschriebene Baukastensystem ermöglicht, dass mittels der Batteriemodule des Baukastensystems besonders viele unterschiedliche Energiegehalte von jeweiligen Traktionsbatterien 2 zumindest in einem Bereich von 30 Kilowattstunden bis 100 Kilowattstunden, insbesondere in einem Bereich von 20 Kilowattstunden bis 110 Kilowattstunden bereitgestellt werden können. Um besonders viele Kostenvorteile zu ermöglichen, ist eine Anzahl von Modulvarianten und Zellvarianten besonders gering zu halten, wobei eine jeweilige Größe von Modulen und Batteriezellen besonders groß einzustellen ist. Darüber hinaus sollen mittels des Baukastensystems besonders viele verschiedene Energiegehalte der Traktionsbatterie 2, welche auch als Speicherinhalte bezeichnet werden können, in möglichst kleinen Schritten dargestellt werden können.
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Hierfür umfasst das Baukastensystem die zwei Großmodule 6 sowie die zwei Skalierungsmodule 11. Hierdurch können mittels der zwei verschiedenen Batteriezelltypen und der daraus resultierenden vier Modulvarianten Traktionsbatterie 2 in einem Bereich von 22 Kilowattstunden bis 101 Kilowattstunden verschaltet werden. Die Modulverbinder ermöglichen, dass eine Flexibilität der Verschaltung nicht beziehungsweise nicht nur innerhalb der jeweiligen Batteriemodule erfolgt, sondern über eine externe Verschaltung der Teilmodule 7 erfolgen kann. Hierdurch kann eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich möglicher Speichergrößen erreicht werden. Darüber hinaus sind für verschiedene Speichergrößen besonders wenige Modulvarianten notwendig. Um die Teilmodule 7 separat verschalten zu können, weist jedes Teilmodul 7 zwei Spannungsabgriffe 8 auf, so dass die Großmodule 6 jeweils bis zu sechs Spannungsabgriffe 8 aufweisen können. Durch Verwendung unterschiedlicher Zellgrößen der Batteriezelltypen sowie zu dem erläuterten Beispiel unterschiedlicher Anzahlen an Batteriezellen pro Teilmodul 7 sind zu dem erläuterten Beispiel unterschiedliche Skalierungsschritte darstellbar. Das Baukastensystem ermöglicht, dass mit besonders wenigen Batteriemodulen, welche besonders große Batteriezellen aufweisen, besonders viele verschiedene Speichergrößen der Traktionsbatterie 2 abgedeckt werden können. Die Batteriezellen beziehungsweise die Batteriemodule sind daher so groß wie möglich und so klein wie nötig.
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Insgesamt zeigt die Erfindung wie eine optimale Modulkonfiguration für Stufenspeicher und Einheitsmodule geschaffen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugboden
- 2
- Traktionsbatterie
- 3
- Stufe
- 4
- vorderer Bereich
- 5
- hinterer Bereich
- 6
- Großmodul
- 7
- Teilmodul
- 8
- Spannungsabgriff
- 9
- Kleinzelle
- 10
- Doppelzelle
- 11
- Skalierungsmodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017203321 A1 [0002]
