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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, die ein erstes Batteriemodul, das mindestens eine erste Batteriezelle umfasst, und ein zweites Batteriemodul, das mindestens eine zweite Batteriezelle umfasst, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batterieanordnung.
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Batterieanordnungen für Kraftfahrzeuge können beispielsweise als Hochvolt-Batterien ausgebildet sein. Diese umfassen typischerweise vielzählige einzelne Batteriezellen. Diese können wiederum zu Zellstacks beziehungsweise Zellriegel oder Zellmodulen zusammengefasst sein. Ein solches Zellmodul, welches vorliegend auch als Batteriemodul bezeichnet wird, umfasst also mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise jedoch mehrere Zellen, die zum Beispiel aneinander gereiht oder gestapelt sein können. Das Batteriemodul kann zudem durch separate, das Batteriemodul umgreifende Bauteile zusammengehalten sein. Solche Batteriemodule werden weiterhin in einem Gesamtbatteriegehäuse angeordnet und montiert.
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Kommt es zu einem Defekt einer Batteriezelle, zum Beispiel im Zuge eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, so kann es zu einem so genannten Thermal Runaway einer Zelle, das heißt einem thermischen Durchgehen einer Zelle, kommen. Auch ein Auslösen einer Thermal Runaway durch einen internen Kurzschuss ist möglich. Zudem können Verschmutzungen der Zelle während des Herstellungsprozesses bei einem Qualitätsmängel später ebenfalls zu einem thermal Runaway führen. Dabei kommt es zu einer Hitze- und Druckentwicklung in der Zelle. Sobald eine bestimmte Druckschwelle überschritten ist, öffnet sich ein Sicherheitsventil in der Zelle und ermöglicht der Zelle den Druckausgleich. Dabei strömt das sich in der Zelle gebildete heiße Gas zusammen mit den elektrisch leitfähigen Bestandteilen der Zelle, wie zum Beispiel Kathodenmaterial, Anodenmaterial und Elektrolyt, in den Batterieraum ein und verteilt sich in diesem. Infolge des Thermal Runaways kommt es meistens zu einer thermischen Propagation auf Zellmodulebene. Das heißt, auch weitere Zellen des Zellmoduls oder der Batterie gehen thermisch durch. Dabei wird noch mehr heißes Gas und elektrisch leitfähiger Niederschlag in der Batterie freigesetzt. Dadurch werden wiederum weitere Zellen und Zellmodule in der Batterie mit aufgeheizt und mit leitfähigem Auswurf verschmutzt. Durch die steigenden Temperaturen in der Batterie werden weitere Zellen zu einem Thermal Runaway und Zellmodule zur Propagation gebracht. Durch den elektrisch leitfähigen Niederschlag werden Luft- und Kriechstrecken minimiert und/oder Kurzschlüsse erzeugt. Beides führt zur Bildung von Lichtbögen und somit zum Brand der Batterie. Diese Konstellation erfordert massive Konzepte auf Batterieebene und erschwert enorm die Beherrschbarkeit solcher Vorfälle.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
WO 2015/031761 A1 eine Energiespeichereinrichtung, die ein Batteriegehäuse und mehrere in dem Batteriegehäuse angeordnete Batteriemodule aufweisen kann. Ein jeweiliges Batteriemodul kann wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Zwischen den Batteriemodulen können dabei mehrere Schichten angeordnet sein, die eine thermische Propagation zwischen den Zellmodulen unterbinden sollen. Diese Schichten umfassen eine elastische Schicht sowie mindestens eine thermisch isolierende Schicht, die eine Keramik aufweisen kann. Im Falle eines thermischen Events eines der Batteriemodule wird das aus dem Batteriemodul austretende Gas durch diese Schichten reflektiert und somit vom im gleichen Gehäuse angeordneten, benachbarten Batteriemodul abgeschirmt. In den Schichten können zudem Löcher vorgesehen sein, die einen Druckausgleich zwischen den Batteriemodulen ermöglichen. Zudem kann das Gehäuse im Inneren sauerstofffrei und luftdicht ausgeführt werden. Dadurch soll ein Brand im Inneren des Gehäuses verhindert werden.
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Eine sauerstofffreie Ausführung eines Gehäuseinnenraums ist doch relativ aufwendig bzw. gar nicht umzusetzen, da die Batterie bei Temperaturschwankungen einen Druckausgleich mit der Umgebung vollziehen können sollte. Auch der thermisch isolierende Schichtaufbau zur Hemmung der thermischen Propagation der Batteriemodule ist aufwendig in der Herstellung und nur sehr kostenaufwendig umzusetzen. Gerade für Anwendungen im Bereich von Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge erscheinen diese Maßnahmen nicht praktikabel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, eine thermische Propagation von Batteriemodulen auf möglichst effiziente und einfache Weise zu hemmen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist ein erstes Batteriemodul auf, das mindestens eine erste Batteriezelle umfasst, und ein zweites Batteriemodul, das mindestens eine zweite Batteriezelle umfasst. Dabei weist das erste Batteriemodul ein erstes Modulgehäuse mit einem ersten Innenraum auf, in welchem die erste Batteriezelle angeordnet ist, und das zweite Batteriemodul weist ein zweites Modulgehäuse mit einem zweiten Innenraum auf, in welchem die mindestens eine zweite Batteriezelle angeordnet ist, wobei der erste und zweite Innenraum zueinander abgedichtet ausgebildet sind.
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Dadurch, dass der erste und der zweite Innenraum zueinander abgedichtet ausgebildet sind, insbesondere bezüglich eines Luftaustauschs abgedichtet, ist ein Gasaustausch zwischen dem ersten und zweiten Innenraum zumindest deutlich erschwert oder gar nicht möglich. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass der Hauptgrund für eine thermische Propagation unter Batteriemodulen innerhalb eines Batteriegehäuses darin begründet liegt, dass ein Gasaustausch zwischen den Anordnungsbereichen der Batteriemodule möglich ist. Kommt es zu einem thermischen Durchgehen einer Zelle eines Batteriemoduls, oder auch mehrerer Zellen eines Batteriemoduls, so gasen die entsprechenden Zellen aus, wodurch nicht nur extrem heißes Gas aus den Zellen austritt, sondern dieses Ausgasen auch zu einem enormen Druckanstieg innerhalb des Anordnungsbereichs des betreffenden, thermisch durchgehenden Batteriemoduls führt. Selbst bei Anordnung von thermischen Isolatoren zwischen den Batteriemodulen ermöglichen bereits kleine Spalte oder Öffnungen, die zum Beispiel einen Druckausgleich zwischen den Anordnungskammern ermöglichen, dass auch diese heißen Gase bedingt durch den sehr hohen Druck sehr schnell von einem Anordnungsbereich in den nächsten Anordnungsbereich des benachbart angeordneten Batteriemoduls gelangen. Es hat sich gezeigt, dass eine Abdichtung der Aufnahmebereiche, in welchen die einzelnen Batteriemodule der Batterieanordnung aufgenommen sind, und die vorliegend als erster und zweiter Innenraum bezeichnet sind, sich deutlich effizienter auf eine Unterbindung einer thermischen Propagation auswirkt, als beispielsweise eine thermische Isolierung, die dennoch einen Gasaustausch zwischen den Anordnungsbereichen ermöglicht. Dadurch, dass nun vorteilhafterweise der erste und zweite Innenraum gegeneinander abgedichtet ausgebildet sind, wird das aus einer Batteriezelle eines der beiden Batteriemodule austretende Gas zumindest zum Großteil daran gehindert, in den anderen der beiden Innenräume zu gelangen, in welchem das andere der beiden Batteriemodule angeordnet ist. Dadurch wird zumindest temporär das andere der beiden Batteriemodule geschützt und ein thermisches Durchgehen dieses anderen noch intakten Batteriemoduls kann verhindert oder zumindest zeitlich deutlich länger hinausgezögert werden. Durch die Abdichtung der beiden Innenräume gegeneinander kann zudem auf weitere thermische Isolationsmaßnahmen zwischen den Batteriemodulen und/oder den Modulgehäusen verzichtet werden, was den Gesamtaufbau der Batterieanordnung deutlich vereinfacht, und die Herstellungskosten deutlich senkt. Zur Umsetzung können die Batteriemodule beispielsweise in einzelnen, gegeneinander abgedichteten Kammern angeordnet sein, die die jeweiligen Modulgehäuse bereitstellen. Die einstückig ausgebildeten Kammerwände können die einzige, zwischen den Modulen bzw. deren Batteriezellen befindliche und diese räumlich trennende Schicht darstellen. Die einzelnen Kammern lassen sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise bereitstellen, ebenso wie deren abgedichtete Ausbildung. Die einzelnen Batteriemodule sind somit räumlich voneinander isoliert und separiert, was auf einfache Weise eine thermische Propagation deutlich erschwert. Dabei müssen die jeweiligen Innenräume weder sauerstofffrei noch luftleer oder ähnliches ausgeführt sein. Insbesondere können die abgedichteten Innenräume weiterhin als luftgefüllte abgedichtete Innenräume ausgeführt sein. Selbst wenn es zu einem Brand innerhalb eines Innenraums kommt, so kann durch die gegenseitige Abdichtung der Innenräume gegeneinander auch eine Ausbreitung des Brands auf den anderen der beiden Innenräume effizient verhindert werden. Dabei können die jeweiligen Innenräume optional mit einem bestimmten Unterdruck gegenüber einem Umgebungsdruck ausgeführt sein, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Durch das Abdichten der Innenräume zueinander können also die einzelnen Batteriemodule räumlich voneinander getrennt werden und dadurch Vorfälle einer thermischen Propagation vermieden werden und vor allem auch aufwendige Maßnahmen auf Batterieebene reduziert werden. Somit wird ein Aufschaukeln einer Reaktion und die Fortpflanzung nur auf ein Batteriemodul beschränkt. Sobald alle Zellen des betroffenen Batteriemoduls propagiert sind, kommt die Reaktion folglich zum Erliegen, da ein Übergreifen auf ein benachbartes Batteriemodul nicht möglich ist. Die Beherrschbarkeit eines Thermal Runaways wird somit deutlich verbessert.
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Das erste und das zweite Batteriemodul können grundsätzlich gleichartig ausgeführt sein, und werden im Folgenden daher zum Teil auch nur als Batteriemodul bezeichnet. Die Ausführungen, die zu einem Batteriemodul gemacht werden, gelten damit in gleicher Weise sowohl für das erste Batteriemodul, als auch für das zweite Batteriemodul oder jedes optional weitere Batteriemodul in gleicher Weise. Nichts desto weniger können sich die Batteriemodule auch voneinander unterscheiden, zum Beispiel hinsichtlich der Anzahl der von Ihnen umfassten Batteriezellen, der Art der von Ihnen umfassten Batteriezellen, und/oder der Größer der von Ihnen umfassten Batteriezellen oder ähnliches. Im Allgemeinen umfasst ein Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise jedoch mehr als nur eine Batteriezelle, das heißt vorzugsweise mehrere Batteriezellen. Die mindestens eine Batteriezelle kann dabei zum Beispiel als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Grundsätzlich kann eine solche Batteriezelle eine beliebige Geometrie aufweisen, und zum Beispiel als eine Rundzelle, Pouchzelle, oder prismatische Batteriezelle ausgebildet sein.
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Des Weiteren kann die Batterieanordnung auch mehr als nur zwei Batteriemodule, zum Beispiel drei, vier, fünf, und so weiter, aufweisen. Vorzugsweise ist die Batterieanordnung als eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Gerade bei Hochvoltanwendungen ergeben sich durch die Erfindung besonders große Vorteile. Sind mehr als zwei Batteriemodule vorgesehen, so ist auch für jedes weitere Batteriemodul ein eigenes Modulgehäuse vorgesehen. Die jeweiligen Modulgehäuse müssen dabei nicht voneinander separiert ausgebildet und angeordnet sein, sondern können auch durch ein gemeinsames Batteriegehäuse in Form einzelner Kammern innerhalb eines solchen gemeinsamen Batteriegehäuses bereitgestellt sein, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Modulgehäuse sind weiterhin vorzugsweise aus einem möglichst temperaturbeständigen Material beziehungsweise Werkstoff hergestellt. Vorzugsweise ist ein jeweiliges Modulgehäuse aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wie zum Beispiel Stahl. Stahl ist dabei besonders temperaturstabil und kostengünstig. Grundsätzlich kommen aber auch andere Werkstoffe in Frage, zum Beispiel auch Hochtemperatur-Kunststoffe. Vorzugsweise wird dabei ein Werksstoff verwendet, der bis mindestens 500°C oder mindestens 600°C temperaturstabil ist, das heißt einen Schmelzpunkt oberhalb von mindestens 500°C beziehungsweise 600°C aufweist. Einzelne Bestandteile der Modulgehäuse können auch aus unterschiedlichen solchen temperaturstabilen Werkstoffen gefertigt sein. Beispielsweise kann ein Modulgehäuseunterteil aus Aluminium und ein Gehäusedeckel aus Stahl gefertigt sein.
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Dass der erste und der zweite Innenraum zueinander abgedichtet ausgebildet sind, impliziert dabei nicht notwendigerweise, dass die jeweiligen Innenräume auch gegenüber einer übrigen Umgebung abgedichtet ausgebildet sein müssen. Mit anderen Worten kann der erste Innenraum beispielsweise gegenüber dem zweiten Innenraum abgedichtet ausgebildet sein, so dass zumindest kein direkter Gasaustausch vom ersten Innenraum in den zweiten Innenraum möglich ist, jedoch kann ein Gasaustausch zwischen dem ersten Innenraum und einer vom zweiten Innenraum verschiedenen Umgebung des ersten Innenraums möglich sein. Bevorzugt sind jedoch die betreffenden Innenräume auch gegenüber einer übrigen Umgebung abgedichtet ausgeführt. Die abgedichtete Ausführung gegenüber der übrigen Umgebung kann auf einen bestimmten Maximaldruck innerhalb des betreffenden Innenraums beschränkt sein. Bei Überschreiten dieses Maximaldrucks kann zum Beispiel eine Entgasungsöffnung des betreffenden Modulgehäuses einen Druckausgleich mit der übrigen Umgebung ermöglichen. Eine solche Entgasungsöffnung kann zum Beispiel durch ein Überdruckventil, eine Berstmembran oder ähnliches bereitgestellt sein. Dabei kann ein jeweiliges solches Modulgehäuse eine solche freigebbare Entgasungsöffnung aufweisen, die bei Überschreiten eines bestimmten Innendrucks innerhalb der betreffenden Innenräume einen Druckausgleich des betreffenden Innenraums mit einer von den übrigen Innenräumen verschiedenen Umgebung des betreffenden Innenraums ermöglicht.
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Dass der erste Innenraum gegenüber dem zweiten Innenraum abgedichtet ausgebildet ist, kann beispielsweise so zu verstehen sein, dass im Falle, dass Gas aus der mindestens einen ersten Batteriezelle austritt, nur ein vorbestimmter Anteil dieses Gases, der kleiner ist als ein vorbestimmter Grenzwert, in den zweiten Innenraum eindringen kann. Dieser Grenzwert kann zum Beispiel kleiner als 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise kleiner als 1 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmenge des aus der mindestens einen ersten Batteriezelle austretenden Gases definiert sein. Gleiches gilt auch für die Abdichtung des zweiten Innenraums gegenüber dem ersten und jedem weiteren optionalen Innenraum. Um dies zu bewerkstelligen, kommen verschiedene später näher erläuterte Hochtemperaturdichtungen oder auch einfach eine Schweißverbindung zwischen einem Modulgehäuseunterteil und einem Modulgehäusedeckel in Frage.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Modulgehäuse ein erstes Modulgehäuseunterteil und einen ersten Moduldeckel auf, der auf dem ersten Modulgehäuseunterteil aufgesetzt und gegenüber dem ersten Modulgehäuseunterteil abgedichtet ist, und wobei das zweite Modulgehäuse ein zweites Modulgehäuseunterteil und einen zweiten Moduldeckel aufweist, der auf dem zweiten Modulgehäuseunterteil aufgesetzt und gegenüber dem zweiten Modulgehäuseunterteil abgedichtet ist. Auf diese Weise lässt sich ein Abdichten des ersten Innenraums gegenüber dem zweiten Innenraum und umgekehrt auf besonders einfache und kosteneffiziente Weise bereitstellen. Die jeweiligen Modulgehäuse können also zweiteilig ausgeführt sein, so dass sich die Abdichtmaßnahmen auch nur auf diese beiden Bauteile beschränken. Zur Herstellung kann also einfach das erste Batteriemodul in das erste Modulgehäuseunterteil eingesetzt werden und dann der Modulgehäusedeckel auf das erste Modulgehäuseunterteil aufgesetzt und gegenüber diesem abgedichtet werden. Gleiches gilt für das zweite Modulgehäuse. In dieser Weise können beliebig viele Module an einander gestellt werden. Dadurch ist ein jeweiliger Innenraum nicht nur gegenüber den anderen Innenräumen der Batterieanordnung abgedichtet, sondern automatisch auch gegenüber einer übrigen Umgebung. Somit können auch effizient weitere Kraftfahrzeugkomponenten und vor allem auch der Passagierraum vor den aus einem Batteriemodul austretenden Gasen im Falle eines thermischen Durchgehens geschützt werden.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und zweite Modulgehäuse durch ein gemeinsames Batteriegehäuse bereitgestellt, welches ein Gehäuseunterteil und einen auf das Gehäuseunterteil aufgesetzten Gehäusedeckel umfasst, wobei das Gehäuseunterteil das erste und das zweite Modulgehäuseunterteil bereitstellt, wobei der erste Moduldeckel durch einen ersten Teil des Gehäusedeckels bereitgestellt ist, und der zweite Moduldeckel durch einen zweiten Teil des Gehäusedeckels bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich die Batterieanordnung auf besonders einfache und effiziente Weise umsetzen, da nicht für jedes Batteriemodul ein separates Modulgehäuse bereitgestellt werden muss. Die einzelnen Batteriemodule können nun vorteilhafterweise auch weiterhin in ein gemeinsames Gesamtbatteriegehäuse, welches vorliegend einfach als Batteriegehäuse bezeichnet wird, eingesetzt werden, wobei zum Beispiel durch dieses Batteriegehäuse voneinander separierte Kammern bereitgestellt werden können. Beispielsweise kann das Gehäuseunterteil mehrere durch Trennwände voneinander separierte Fächer aufweisen, in die die einzelnen Batteriemodule eingesetzt sind. Der auf das Gehäuseunterteil aufgesetzte und abgedichtete Deckel dichtet damit auch automatisch diese einzelnen Fächer gegeneinander bezüglich eines möglichen Gasaustauschs ab.
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Bei einer weiteren ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind ist ein Batteriegehäuse bereitgestellt, welches ein Gehäuseunterteil aufweist, das das erste und das zweite Modulgehäuseunterteil bereitstellt, wobei der erste und der zweite Moduldeckel zueinander separat ausgebildet sind und auf das Gehäuseunterteil aufgesetzt sind. Diese Bauweise ermöglicht durch eine gemeinsames Gehäuseunterteil und einzelne, separate Deckel weitere Vorteile: Die Deckelgeometrie der einzelnen Moduldeckel kann hier als Gleichteil ausgeführt werden, was die Kosten für die Deckel massiv senken würde. Ein anderer Aspekt ist die Zugänglichkeit zu einzelnen Modulen im Servicefall, ohne die gesamte Batterie öffnen zu müssen. Somit begrenzen sich alle Prüfungen nach dem Öffnen eines Deckels nur auf ein Batteriemodul.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Modulgehäuse, die durch ein Gesamtbatteriegehäuse realisiert sein können, bezüglich einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Diese Ebene kann zum Beispiel durch eine Fahrzeugquerachse und eine Fahrzeuglängsachse bezüglich einer bestimmungsgemäßen Anordnung der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug definiert sein. Bevorzugt sind also die einzelnen Batteriemodule und deren Modulgehäuse nebeneinander angeordnet und nicht übereinander gestapelt. Dies hat gleich mehrere Vorteile: Zum einen lässt sich dadurch eine besonders flache Batterieanordnung bereitstellen, die sich, vor allem wenn sie als Hochvolt-Batterie ausgebildet ist, besonders bauraumeffizient in ein Fahrzeug integrieren lässt, zum Beispiel in einem Unterbodenbereich eines solchen Kraftfahrzeugs. Zum anderen lässt sich auch die Realisierung der einzelnen Modulgehäuse durch ein Gesamtbatteriegehäuse mit einem Gehäuseunterteil und einem Gehäusedeckel auf besonders einfache Weise umsetzen. Zudem kann hierdurch auch eine besonders einfache Entkopplung der Gasaustrittsrichtung eines aus einer Batteriezelle austretenden Gases und der Anordnungsrichtung, in welche benachbarte Batteriemodule angeordnet sind, bereitstellen. Die mindestens eine erste und zweite Batteriezelle weisen dabei vorzugsweise ebenfalls eine freigebbare Entgasungsöffnung auf, durch welche ein gezieltes Ausgasen einer Zelle im Falle eines thermischen Events ermöglicht wird. Diese befindet sich vorzugsweise an einer Oberseite der betreffenden Zelle bezüglich einer bestimmungsgemäßen Einbaulage der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug. Dadurch lässt es sich also vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass der Gasstrom einer ausgasenden Batteriezelle nach oben gerichtet ist und damit nicht direkt auf die benachbart angeordnete Modulkammer. Dichtungen zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseunterteil halten den Temperaturen damit deutlich länger stand, da sie nicht direkt dem heißen Gasstrom ausgesetzt sind. Dieser trifft zum Beispiel auf einen zentralen Bereich des Deckelteils des Gehäusedeckels, der den betreffenden Moduldeckel des betreffenden, thermisch durchgehenden Batteriemoduls bereitstellt.
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Um eine Abdichtung der betreffenden Innenräume voneinander bereitzustellen, gibt es nun verschiedene Möglichkeiten. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem ersten Moduldeckel und dem ersten Modulgehäuseunterteil eine Dichtung entlang einer geschlossenen Kontur angeordnet, insbesondere auf Stirnseiten von Seitenwänden, die als Teil des ersten Modulgehäuseunterteils den ersten Innenraum begrenzen. Gleiches gilt auch für das zweite Modulgehäuse und jedes optionale weitere Modulgehäuse. Die Stirnseiten der Seitenwände stellen dabei diejenigen Seiten dar, die dem Modulgehäusedeckel zugewandt sind. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Modulgehäuse durch ein gemeinsames Batteriegehäuse bereitgestellt sind. In diesem Fall kann es sich bei den Seitenwänden auch um Trennwände zwischen zwei Innenräumen, in welchen die jeweiligen Batteriemodule angeordnet sind, handeln. Damit kann also eine Seitenwand gleichzeitig Teil des ersten Modulgehäuses sowie auch Teil des zweiten Modulgehäuses sein. Die jeweiligen Innenräume gegeneinander abzudichten, ist dies nun auf einfache Weise dadurch möglich, indem einfach eine Dichtung auf den Stirnseiten vorzugsweise aller Seitenwände, die einen jeweiligen Innenraum umgeben und begrenzen, angeordnet ist, auf welche die entsprechenden Moduldeckel beziehungsweise der Gesamtgehäusedeckel aufgesetzt ist. Denkbar ist die Ausführung einer solchen Abdichtung auch als Schweißnaht. Ein Verschweißen von zum Beispiel Moduldeckel und Modulgehäuseunterteil hat dabei den Vorteil, dass sich hierdurch ein besonders hoher Grad an Dichtheit bereitstellen lässt. Eine zusätzliche Dichtung wird in diesem Fall nicht mehr benötigt, da nach dem Schweißen ein Stoffschluss zweier Komponenten vorliegt, was wiederum einen Kostenvorteil mit sich bringt. Das Verwenden einer von einer Schweißnaht beziehungsweise Verschweißung verschiedenen Dichtung zwischen Moduldeckel und Modulgehäuseunterteil hat jedoch den großen Vorteil, dass sich zu Wartungs- und Reparaturzwecken der Deckel wieder einfacher vom Gehäuseunterteil, sowohl auf Modulebene als auch auf Batteriegesamtebene, entfernen lässt. Daher ist diese Variante auch bevorzugt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Dichtung eine Silikat-Dichtung und/oder PTFE (Polytetrafluorethylen)-Dichtung und/oder eine Hochtemperatur-Dichtung dar. Derartige Dichtungen sind auch für sehr hohe Temperaturbereiche, insbesondere für über zum Beispiel 500°C ausgelegt und geeignet. Somit kann auch bei einem Ausgasen einer Batteriezelle eine ausreichend gute Abdichtung der Innenräume gegeneinander dauerhaft oder zumindest temporär gewährleistet werden. Derartige Dichtungen können zum Beispiel in viskoser Form als geschlossene Kontur auf den oben beschriebenen Stirnseiten appliziert werden und dann anschließende entsprechende Deckel aufgesetzt werden. Anschließend härten die Dichtungen aus und dichten somit die jeweiligen Innenräume gegeneinander ab.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste und/oder zweite Modulgehäuse mindestens eine Seitenwand auf, in welcher eine Durchgangsöffnung angeordnet ist, durch die mindestens ein Kabel und/oder eine elektrische Leitung durchgeführt ist, wobei das Kabel und/oder die elektrische Leitung in der Durchgangsöffnung gegenüber der Seitenwand abgedichtet ist. Bei dem Kabel kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Kabel handeln, welches zu Verschaltungszwecken genutzt wird. Die genannte Seitenwand kann dabei wiederum eine Trennwand oder Zwischenwand zwischen zwei Innenräumen darstellen oder aber auch eine Seitenwand, die einen Innenraum gegenüber einer von den übrigen Innenräumen verschiedenen Umgebung der Batterieanordnung beziehungsweise des betreffenden Modulgehäuses separiert. Durch die Abdichtung des Kabels bzw. der elektrischen Leitung gegenüber der Seitenwand kann auch hierdurch ein Gasaustausch im Falle eines thermischen Events verhindert oder zumindest zum Großteil unterbunden werden. Damit ist es auch vorteilhafterweise möglich, elektrische Kabel bzw. Leitungen von Innenraum zu Innenraum zu führen und gleichzeitig dennoch die Abdichtung der jeweiligen Innenräume gegeneinander zu gewährleisten. Dies vereinfacht die Verschaltung der einzelnen Batteriemodule miteinander. Denkbar ist es jedoch auch, dass die einzelnen elektrischen Kabel zur Verschaltung der Batteriemodule miteinander nicht von Innenraum zu Innenraum geführt werden, sondern von einem jeweiligen Innenraum der Batteriemodule in einen gemeinsamen Außenraum, wo diese dann geeignet verschaltet werden. Zur Verschaltung der einzelnen Batteriemodule miteinander können auch Hochtemperatur-Steckverbindungen verwendet werden. Dabei können auch entsprechende Kontaktstellen an den Zwischenwänden zwischen den jeweiligen Innenräumen vorgesehen sein. Die elektrischen Kabel eines Batteriemoduls können dann mit diesen Kontaktstellen kontaktiert werden. Die Kontaktstellen benachbarter Batteriemodule können je nach gewünschter Verschaltung durch die betreffende Seitenwand hindurch miteinander elektrisch leitend verbunden sein, zum Beispiel durch die oben genannte elektrische Leitung. Auch hier kann also eine zusätzliche Abdichtung gegenüber der Seitenwand erfolgen.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das mindestens eine Kabel und/oder die elektrische Leitung, z.B. die Kontaktstelle, gegenüber der Seitenwand mittels einer Silikon-Glimmer-Dichtung abgedichtet ist. Auch solche Dichtungen sind besonders temperaturbeständig und eignen sich daher besonders gut für den vorliegenden Anwendungsfall.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im ersten Modulgehäuse mehrere erste Batteriezellen angeordnet, die in Form eines Zellstapels in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, und die insbesondere als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind. Gleiches gilt auch für das zweite Modulgehäuse oder jedes weitere optionale Modulgehäuse. Auf diese Weise lässt sich die Batterieanordnung auf besonders effiziente und kompakte Weise umsetzen. Dadurch, dass pro Modulgehäuse mehrere Batteriezellen vorhanden sind, lässt sich der bauliche Aufwand gerade im Zusammenhang mit der Bereitstellung einer Hochvolt-Batterie enorm reduzieren. Da eine solche Hochvolt-Batterie üblicherweise ohnehin mehrere Batteriemodule aufweist, lässt sich dennoch eine effiziente räumliche Entkopplung im Falle eines thermischen Events und einer Propagation eines solchen Moduls bereitstellen. Selbst bei nur zwei Batteriemodulen lässt sich durch die beschriebene Separation die Gefahr und das Ausmaß des Schadens bereits halbieren.
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Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterieanordnung als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet ist. Gerade Hochvolt-Batterien weisen, vor allem im voll geladenen Zustand, einen sehr hohen Energieinhalt auf, der gerade im Falle einer thermischen Propagation einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls ein sehr hohes Gefahrenpotential birgt. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann dieses Gefahrenpotential auf einen Bruchteil reduziert werden, und dies auf besonders einfache und effiziente Weise.
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Auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batterieanordnung, wobei ein erstes Modulgehäuse mit einem ersten Innenraum und ein zweites Modulgehäuse mit einem zweiten Innenraum bereitgestellt wird und mindestens eine erste Batteriezelle im ersten Innenraum und mindestens eine zweite Batteriezelle im zweiten Innenraum angeordnet wird. Weiterhin werden nach dem Anordnen der ersten und zweiten Batteriezelle der erste und zweite Innenraum zueinander abgedichtet.
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Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs einer thermischen Propagation in einer herkömmlichen Batterie gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung des Ablaufs einer thermischen Propagation in einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs einer thermischen Propagation an einer Batterie 10 gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel. Die Batterie 10 umfasst in diesem Beispiel ein Batteriegehäuse 12 mit darin angeordneten Batteriemodulen 14. In 1 ist diese Batterie 10 zum einen zu einem früheren ersten Zeitpunkt t0 dargestellt, und unterhalb zu einem späteren zweiten Zeitpunkt t1. Zum früheren ersten Zeitpunkt t0 beginnt ein erstes der Batteriemodule 14 thermisch zu propagieren. Im Zuge einer solchen thermischen Propagation steigt die Temperatur in den Zellen dieses Batteriemoduls 14 an und aus den Zellen tritt heißes Gas aus. Der Austritt dieses Gases 16 ist dabei durch den Pfeil 18 veranschaulicht. Das herkömmliche Batteriegehäuse 12 ist dabei so aufgebaut, dass sich die Zellmodule 14 in einem gemeinsamen Innenraum 20 befinden. Somit kann ein Luftaustausch im gesamten Batterieraum 20 stattfinden. Dies führt im Falle einer thermischen Propagation eines Batteriemoduls 14 dazu, dass auch die Temperaturen der übrigen Batteriemodule 14 bedingt durch den sich ausbreitenden Gasstrom schnell ansteigen. Die Ausbreitung dieses Gasstroms ist in 1 durch die Pfeile 22 veranschaulicht. Durch die in den übrigen Batteriemodulen 14 ansteigenden Temperaturen kommt es auch zu einem thermischen Durchgehen deren Batteriezellen und zu einer thermischen Propagation der übrigen Batteriemodule 14, wie dies in der Darstellung in 1 unten veranschaulicht ist. Auch der elektrisch leitfähige Niederschlag, der durch den austretenden Gasstrom 16 bedingt ist, kann sich ungehindert im Gesamtinnenraum 20 verteilen und minimiert dadurch Luft- und Kriechstrecken, was zusätzlich die Kurzschlussgefahr erhöht und zur vermehrten Bildung von Lichtbögen führt und letztendlich zum Brand der gesamten Batterie 10.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 30 kann zum Beispiel als eine Hochvolt-Batterie ausgeführt sein. Dabei weist die Batterieanordnung 30 mehrere Batteriemodule 32 auf, zum Beispiel ein erstes Batteriemodul 32a, ein zweites Batteriemodul 32b, und ein drittes Batteriemodul 32c. Jedes dieser Batteriemodule 32 umfasst dabei mindestens eine Batteriezelle 34. Im vorliegenden Beispiel umfasst jedes der Batteriemodule 32 mehrere Batteriezellen 34, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 pro Modul 32 nur eine Batteriezelle 34 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Batteriezellen 34 sind vorzugsweise als prismatische Batteriezellen ausgebildet, und können in Form eines Zellstapels nebeneinander zum Beispiel in der hier dargestellten x-Richtung, angeordnet sein. Stattdessen können die einzelnen Batteriezellen 34 auch in y-Richtung nebeneinander angeordnet sein. Weiterhin sind die einzelnen Batteriemodule 32 hier exemplarisch ebenfalls in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können die Batteriemodule 32 auch in y-Richtung nebeneinander angeordnet sein. Die hier dargestellte z-Achse korrespondiert vorzugsweise zu einer Fahrzeughochachse bezüglich einer bestimmungsgemäßen Einbaulage der Batterieanordnung 30 in einem Kraftfahrzeug. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass Batteriemodule 32 bezüglich der z-Richtung übereinander angeordnet sind, was jedoch weniger bevorzugt ist.
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Die Batteriemodule 32 sind nun weiterhin in einem gemeinsamen Batteriegehäuse 36 angeordnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriegehäusen stellt dieses Batteriegehäuse 36 für ein jeweiliges Batteriemodul 32 nunmehr jedoch eine separate Kammer 38a, 38b, 38c bereit. Dadurch ist für jedes Batteriemodul 32 sozusagen ein eigenes Modulgehäuse 36a, 36b, 36c bereitgestellt. Wobei die genannten Kammern 38a, 38b, 38c dann entsprechend die jeweiligen Innenräume 38a, 38b, 38c der betreffenden Modulgehäuse 36a, 36b, 36c definieren. Diese jeweiligen Innenräume 38a, 38b, 38c sind nun vorteilhafterweise gegeneinander abgedichtet. Somit kann im Falle eines thermischen Events ein Aufschaukeln der Reaktion verhindert werden und die Fortpflanzung einer thermischen Propagation kann auf ein einzelnes Modul 32 beschränkt werden. Sobald dann beispielsweise alle Zellen 34 des betroffenen Moduls 32 propagiert sind, kommt die Reaktion zum Erliegen, da ein Übergreifen auf benachbarte Module 32 dann nicht mehr möglich ist. Um eine solche Abdichtung auf möglichst einfache und effiziente Weise zu realisieren, weist das Batteriegehäuse 36 vorzugsweise ein Gehäuseunterteil 40 und einen Deckel 42 auf. Das Gehäuseunterteil 40 stellt die jeweiligen Modulgehäuseunterteile 40a, 40b, 40c bereit, und der Gehäusedeckel 42 jeweilige Moduldeckel 42a, 42b, 42c. Das Gehäuseunterteil 40 weist entsprechend auch Seitenwände 44 auf, die die einzelnen Kammern 38a, 38b, 38c voneinander und von der Umgebung separieren. Manche der Seitenwände 44 sind dabei gleichzeitig Teil zweier Modulgehäuseunterteile 40a, 40b, 40c und fungieren sozusagen gleichzeitig als Trennwände zwischen den Kammern 38a, 38b, 38c. Zur Abdichtung der Innenräume 38a, 38b, 38c gegeneinander kann auf den Stirnseiten der jeweiligen Seitenwände 44 zwischen dem Deckel 42 und dem Gehäuseunterteil 40 eine Dichtung 46 angeordnet sein. Diese ist vorzugsweise als eine Silikat-Dichtung und/oder PTFE-Dichtung und/oder als eine Hochtemperatur-Dichtung ausgeführt. Eine solche Dichtung 46 dichtet also den Gehäusedeckel 42 gegenüber dem Gehäuseunterteil 40 im Bereich jeweiliger Seitenwände 44 ab und somit auch die jeweiligen Innenräume 38a, 38b, 38c voneinander.
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Optional können zusätzlich auch elektrische Leitungen 48 in Seitenwänden 44 über eine entsprechende Dichtung 50 gegenüber den Seitenwänden 44 abgedichtet sein. Solche elektrische Leitungen 48 oder im allgemeinen Kontaktierungsbereiche 48 können dazu dienen, die Batteriemodule 32 untereinander zu verschalten. Somit können auch solche Durchkontaktierungsbereiche 48 in den Seitenwänden 44 abgedichtet ausgeführt werden, so dass auch hierdurch die Wahrscheinlichkeit eines Gasdurchtritts minimiert ist, falls eines der Module 32 thermisch propagiert.
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Das durch die Batterieanordnung 30 bereitgestellte Hochvolt-Batteriesystem kann also mit einzelnen Kammern 38a, 38b, 38c für die einzelnen Batteriemodule 32a, 32b, 32c beziehungsweise Zellmodule aufgebaut sein. Das Gehäuse 36 ist vorzugsweise aus einem metallischen Werksstoff hergestellt. Durch die entsprechende Formgebung des Deckels 42, der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist, werden die Kammern 38a, 38b, 38c luftdicht oder zumindest nahezu luftdicht voneinander getrennt. Dabei ist eine entsprechende temperaturstabile Dichtung, zum Beispiel eine der oben genannten, sehr vorteilhaft. Kommt es nun zu einem thermischen Event einer Zelle 34, so kann die Ausbreitung auf nur ein Zellmodul 32 reduziert werden, wie dies in 3 veranschaulicht ist. 3 veranschaulicht dabei noch einmal die zu 2 beschriebene Batterieanordnung 30 zu einem ersten früheren Zeitpunkt t2 sowie zu einem späteren zweiten Zeitpunkt t3. Zu dem ersten früheren Zeitpunkt t2 findet eine thermische Propagation des ersten Batteriemoduls 32a statt. Damit einhergehend kommt es zu einem Ausströmen 18 von Gasen 16 aus dem ersten Batteriemodul 32a. Dieser Gasaustritt kann zu Beginn nur eine der Batteriezellen 34 des ersten Batteriemoduls 32a betreffen und kann sich über alle Batteriezellen 34 des ersten Batteriemoduls 32a hinweg ausbreiten. Im Zuge einer solchen thermischen Propagation kommt es auch zu einem enormen Temperaturanstieg innerhalb des ersten Batteriemoduls 32a und nach Gasaustritt auch innerhalb des ersten Innenraums 38a. Das austretende Gas kann jedoch nicht in die übrigen Kammern 38b, 38c eindringen. Ein Ausbreiten der thermischen Propagation auf die anderen Batteriemodule 32b, 32c kann somit verhindert werden. Zum späteren zweiten Zeitpunkt t3 ist also lediglich das erste Batteriemodul 32a propagiert, während die Temperaturen der übrigen Batteriemodule 32b, 32c im Vergleich zum ersten Zeitpunkt t2 im Wesentlichen gleich geblieben sind oder sich zumindest kaum oder nur geringfügig erhöht haben. Dadurch kann eine thermische Propagation dieser übrigen Batteriemodule 32b, 32c verhindert werden, und auch ein Ausbreiten des elektrisch leitenden Niederschlags in die übrigen Kammern 38b, 38c kann somit verhindert werden. Zudem kann sich auch ein Brand des Moduls 32a nicht auf die übrigen Kammern 38b, 38c ausbreiten.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kammerbatterie bereitgestellt werden kann, die es auf einfache und effiziente Weise ermöglicht, im Falle eines thermischen Events innerhalb eines Batteriemoduls eine thermische Propagation auf dieses betreffende Batteriezellen zu beschränken. Dadurch kann die Sicherheit gerade im Zusammenhang mit Hochvolt-Batterien deutlich gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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