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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Akkumulator eines Kraftfahrzeugs mit einem Käfig. Weiter betrifft die Erfindung einen Akkumulator mit einem solchen Gehäuse und sowie ein Kraftfahrzeug.
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Solche Gehäuse für einen Akkumulator sind an sich bekannt und werden in Kraftfahrzeugen verbaut, in denen Lithium-Ionen Akkumulatoren angeordnet sind. Dies sind zur Zeit Kraftfahrzeuge mit vollelektrischem oder Hybrid- Antrieb. Die Lithium-Ionen Akkumulatoren sind empfindlich gegen Beschädigungen und können dann leicht in Brand geraten, der praktisch nicht gelöscht werden kann. Deshalb sind die Akkumulatoren gegen mechanische Beschädigungen so zu schützen, dass ein Aufprall einer Säule mit einer Kraft von 12 t unbeschadet überbestanden wird. Hierfür sind die Akkumulatoren von einem entsprechenden Mantel umgeben. Dieser ist z.B. aus massivem Aluminium- Druckguss hergestellt, was aufwändig ist und viel Material mit entsprechendem Gewicht erfordert.
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Weiterhin sind die Akkumulatoren hitzeempfindlich und müssen vor zu starker Wärme geschützt werden. Diese Wärme kann z.B. Abwärme eines Verbrennungsmotors oder Wärme aus dem Betrieb des Akkumulators bei Lade- oder Entladungsvorgängen sein. Daher müssen die Akkumulatoren, die eine hohe Leistung aufweisen, in der Regel aktiv mittels z.B. eines Kühlwassserkreislaufs gekühlt werden, was ebenfalls entsprechenden Aufwand erfordert.
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Lithium-Ionen Akkumulatoren mit einer höheren Kapazität und/ oder Spannung, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, umfassen eine Vielzahl von Zellen, die zu einem Paket zusammengefasst sind. Hierfür ist ein Käfig angeordnet, in den die Zellen derart eingespannt sind, dass (reversible und irreversible) Änderungen ihrer Abmessungen z.B. beim Laden, Entladen und durch Alterung aufgenommen werden können.
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Die Zellen des Akkumulators sind elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet und mittels einer Zellverbinder- Leiterplatte sowie eines Leitungssatzes an ein Battery Managment System (BMS) angeschlossen.
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Bleiakkumulatoren werden momentan als Starterbatterie in Kraftfahrzeugen bevorzugt eingesetzt. Es ist absehbar, dass sie nicht mehr verwendet werden dürfen, so dass sie durch Lithium-Ionen- Akkumulatoren ersetzt werden. Da die Starterbatterieen eine relativ geringe Kapazität aufweisen und entsprechend wenig Abwärme erzeugen, ist hier lediglich ein Schutz vor der Abwärme des Verbrennungsmotors erforderlich. Bei den bekannten Gehäusen ist es wegen ihrer massiven Ausgestaltung verbunden mit guter Wärmeleitung erforderlich, eine aktive Kühlung oder eine thermische Isolierung vorzusehen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Gehäuse für einen Akkumulator eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, der die Erfordernisse erfüllt und hierbei preiswert herzustellen ist und keine externe Kühlung beziehungsweise keine thermische Isolierung benötigt.
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Die Aufgabe wird durch ein Gehäuse gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch einen Akkumulator mit einem solchen Gehäuse und durch ein Fahrzeug mit einem solchen Akkumulator gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Akkumulatoren bestimmt, die eine nur geringe Eigenwärme beim Laden und Entladen entwickeln und bei denen eine hohe Last nur zeitlich eng begrenzt auftritt. Beispielhaft ist ein solcher Akkumulator eine Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug.
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An Außenseiten des für ein Einspannen von Zellen ohnehin erforderlichen Käfigs ist eine Vielzahl von Abstandshaltern angeordnet. Diese sind regelmäßig beabstandet und weisen eine Höhe auf, die ein sehr geringes Spiel zwischen den Abstandshaltern und somit dem Käfig sowie dem Mantel erlaubt. Hierdurch wird bei geringem Materialaufwand eine Konstruktion erzielt, die im Zusammenspiel von dem Käfig mit dem Mantel eine hohe Stabilität des Gehäuses erreicht. Sowohl der Käfig als auch der Mantel können jeweils aus relativ dünnem Blech, beispielhaft einem Blech mit einer Blechstärke von 0,2 bis 1 Millimeter, gefertigt sein. Die Abstandshalter können in das Blech des Käfigs eingepresst sein. Vorteilhaft sind die Abstandshalter durch Tiefziehpressen von Blechen des Käfigs und/oder des Mantels ausgebildet sein.
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Die vorstehenden Merkmale erlauben eine besonders einfache sowie preiswerte Fertigung eines Gehäuses. Ein Mehraufwand zu dem herkömmlichen Käfig ist sehr gering.
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Weiterhin bewirken die Abstandshalter, dass zwischen dem Käfig und dem Mantel ein Luftpolster gebildet ist, das eine gute Wärmeisolierung bewirkt. Damit gelangt nur wenig Abwärme eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs an den Akkumulator, so dass eine aufwändige aktive Kühlung entfällt.
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Insgesamt kann also ein Gehäuse für einen Akkumulator einfach und preiswert hergestellt werden, das den Anforderungen an die mechanische Stabilität genügt und das keine weiteren Vorrichtungen für dessen sicheren Betrieb benötigt.
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In einer Ausgestaltung ist der Käfig in dem Mantel verrastet. Dies erleichtert die Montage; denn der Käfig mit den Zellen und mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen muss lediglich in den Mantel eingeschoben werden und ist dann durch die Verrastung ohne weiteres Zutun sicher befestigt. Die Verrastung erfolgt z.B. mittels innen in dem Mantel z.B. an Stirnseiten angeordneten Nuten und entsprechenden elastisch gelagerten Rastnasen an Außenseiten des Käfigs.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Mantel zweiteilig gefertigt. Hierdurch sind bei der Montage nur wenige Teile zu handhaben.
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Mit Vorteil ist ein unterer Bereich durch ein Blech gefertigt, wobei der untere Bereich zur Aufnahme des Käfigs ausgebildet ist. Mit Vorteil ist der Käfig mit einem weiteren Blech zumindest bereichsweise beaufschlagt, wobei das weitere Blech zwischen dem Käfig und dem Mantel angeordnet ist und das weitere Blech mit einem oder mehreren Abstandshalter ausgebildet ist. Die Abstandshalter sind vorzugsweise durch ein Tiefziehverfahren in das weitere Blech eingebracht. Die Abstandshalter sind vorteilhaft als Vorsprünge auf einer Seite ausgebildet, wobei die Vorsprünge mit Vorteil eine mechanische Verbindung des Käfigs und des Mantels ausbildetn.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Mantel durch einen tiefgezogenen Trog aus Blech und einen Deckel aus Kunststoff zum Verschließen des Trogs gebildet. Diese Teile sind einfach und preiswert zu fertigen und weisen ein relativ geringes Gewicht auf. Je nach der Art der Befestigung des Deckels auf dem Trog sind die korrespondierenden Ränder entsprechend geformt. Mit besonderem Vorteil weist ein solches Gehäuse ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Deckel auf dem Trog dichtend festklebbar. Dies erleichtert die Montage weiter. Ein oberer Rand des Trogs weist in diesem Fall z.B. direkt oder indirekt eine Rille zur Aufnahme des Klebers und des Deckelrands auf.
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Vorteilhaft ist der Käfig zur Aufnahme von elektrischen oder elektronischen Bauteilen ausgebildet. Solche elektrische oder elektronische Bauteile sind beispielhaft eine Batteriesteuerung oder ein Batteriemanagementsystem (BMS), ein Steckverbinder oder ein Sensor.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in einer Wandung des Mantels eine Berstscheibe angeordnet. Hierdurch wird unzulässig hoher Druck in dem Gehäuse verhindert. Bevorzugt ist hierebei die Berstscheibe in dem Deckel angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Käfig aus vier Blechen gebildet, die entsprechend einer äußeren Form des Akkumulators dimensioniert und miteinander verbunden sind. Ein Boden des Käfigs ist dann überwiegend offen; Breitseiten sind an ihren unteren Enden so nach innen gebogen, dass sie eine Auflage für Endbereiche der Zellen bilden. Dies erlaubt die Schaffung eines Baukastensystems für den Käfig zur Anpassung an unterschiedliche Größen des Akkumulators.
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Mit Vorteil umfasst der Käfig einer Mehrzahl von Blechen, wobei die Bleche die Seiten sowie optional den Boden des Käfigs ausbilden.
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Mit vorteil erfolgt eine Verbindung der Bleche derart, dass die Bleche einen oben offenen Quader ausbilden, wobei der Quader zur Aufnahme der Zellen ausgebildet ist. Mit Vorteil weisen die Bleche jeweils zumindest einen Vorsprung als Abstandshalter, so dass die weiteren Bleche nicht notwendig sind.
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Mit Vorteil können die Abstandshalter jeweils auf die Außenseite des Käfigs derart aufgebracht sein, dass der Käfig nach einbringen in den Mantel von den Innenwänden beabstandet ausgeführt ist.
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Der jeweilige Abstandshalter kann als Zylinder, als Pyramide - vorteilhaft als Pyramidenschnitt oder als Kegel oder Kegelstumpf sowie als Quader ausgebildet sein. Mit besonderem Vorteil dienen die Abstandhalter zu einer festen Verbindung des Käfigs mit dem Mantel, beispielhaft durch eine Klebeverbindung.
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Anhand der beigefügten schematischen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Käfigs mit darin eingespannten Zellen,
- 2 einen senkrechten Längsschnitt durch den Käfig der 1, der in einen Trog eingesetzt ist,
- 3 einen senkrechten Schnitt durch den Käfig und den Trog der 2 im Bereich einer Verrastung als Detail und
- 4 einen Schnitt eines geschlossenen Gehäuses einschließlich des Käfigs und des Akkumulators.
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Wie aus den 1 bis 4 ersichtlich ist, weist ein Gehäuse 1 für einen Akkumulator 2 eines Kraftfahrzeugs einen Käfig 3 und einen Mantel 4 auf. Der Akkumulator 2 besteht aus einer Vielzahl von hier vier Zellen 5, die elektrisch miteinander verbunden sind. Der Akkumulator 2 ist z.B. ein Lithium-Ionen Akkumulator 2.
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Der Käfig 3 ist aus z.B. drei, vier oder fünf Blechen gebildet, die zusammengesetzt einen hohlen, nach oben offenen Quader bilden; im Fall von vier Blechen ist der Quader auch nach unten im Wesentlichen offen. Die Bleche sind entsprechend mittels z.B. Schweißen, Nieten, Kleben, Clinchen (Durchsetzfügen) oder Schrauben miteinander verbunden. In seinen Abmessungen ist der Käfig 3 so auf den Akkumulator 2 abgestimmt, dass letzterer in dem Käfig 3 elastisch eingespannt ist und hierbei der Käfig 3 Dehnungen der Zellen 5 aufnehmen kann.
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An Außenseiten des Käfigs 3 ist eine Vielzahl von Abstandhaltern 6 angeordnet. Diese können, wie in den Figuren gezeigt, für Längsseiten 3a einerseits und für Breitseiten 3b sowie einen Boden 3c des Käfigs 3 andererseits unterschiedlich ausgebildet und/ oder angeordnet sein. Die Längsseiten 3a und die Breitseiten 3b sind auf die Abmessungen der Zellen 5 bezogen. Die Abstandhalter 6 weisen hier einen kreisförmigen Querschnitt sowie vorbestimmte Längen (dies ist die Erstreckung senkrecht zu einer Hauptfläche des Blechs) auf und sind in regelmäßigen Mustern auf den Längsseiten 3a beziehungsweise Breitseiten 3b verteilt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Abstandhalter der Breitseiten 3b sowohl in ihrer Länge als auch in ihrem Durchmesser kleiner als die der Längsseiten 3a. Die Abstandhalter 6 weisen für jede der Seiten separat gleichmäßige gegenseitige Abstände auf.
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Die Abstandhalter 6 sind hier durch Pressen mit entsprechenden Stempeln in die Bleche eingearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass die Abstandhalter 6 einfach und preiswert hergestellt werden können und dass sie kein zusätzliches Gewicht bewirken.
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Alternativ weisen die Abstandhalter 6 eine beliebige andere Form auf, sind aus einem leichten formstabilen Material gefertigt und sind auf die Außenseiten der Bleche z.B. aufgeklebt.
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Freie (also nach außen weisende) Enden aller Abstandhalter 6 liegen für jede der Seiten des Käfigs 3 separat in einer Ebene.
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Im Fall der drei Bleche sind die Breitseiten 3b und der Boden 3c des Käfigs 3 aus einem einzigen Blech U- förmig gebogen. Hierfür ist dieses Blech zweimal entsprechend um 90° gewinkelt; eine Basis des U bildet hierbei den Boden 3c und weist entsprechend nach unten weisende Abstandhalter 6 auf. Die Längsseiten 3a sind zwischen den Breitseiten 3b befestigt.
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Im Fall der vier Bleche ist der Boden 3c des Käfigs 3 im Wesentlichen offen. Die Breitseiten 3b sind in ihrem nach den Figuren unteren Bereich entgegen der Längserstreckung der Abstandhalter 6 um 90° gebogen, wobei mindestens eine Reihe der Abstandhalter 6 nach unten weist. Die Zellen 5 liegen mit ihren unteren Enden auf dem umgebogenen Bereich auf.
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Im Fall der fünf Bleche ist jede der Seiten aus einem separaten Blech gefertigt. Die Bleche sind zu dem nach oben offenen Quader miteinander verbunden.
Die Bildung des Käfigs 3 ist auch aus einem oder zwei Blechen möglich.
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Die Bleche der Längsseiten 3a sind in jedem Fall in jedem ihrer vier Seitenbereiche derart abgekantet, dass freie Enden der abgekanteten Seitenbereiche in der Ebene der freien Enden der zugeordneten Abstandhalter 6 liegen.
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An jeder der Breitseiten 3b des Käfigs 3 sind mit Abstand zwei Rastnasen 7 angeordnet, die aus dem zugehörigen Blech geformt sind. Für jede der Rastnasen 7 sind zwei (bezogen auf den oben offenen Käfig 3) senkrechte, durchgehende Schlitze eingelassen, die sich in einem oberen Bereich der Breitseite 3b, hier zwischen zwei senkrecht benachbarten der Abstandhalter 6, erstrecken.
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Jede der Rastnasen 7 ist zentrisch zwischen zwei horizontal benachbarten Abstandhaltern 6 angeordnet und ragt aus der Ebene heraus, die durch die freien Enden der Abstandhalter 6 verläuft. Zwischen den Schlitzen ist ein entsprechender Teil des Blechs im Längsschnitt wellenartig so in Richtung der Ebene der freien Enden der Abstandhalter 6 gebogen, dass einerseits die Rastnase 7 eine höhere Welle bildet und daher aus dieser Ebene herausragt und andererseits die anderen Wellen ein federndes Element für die Rastnase 7 bilden. Dies ist in der 3 besonders gut zu erkennen.
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Der Mantel 4 umschließt den Käfig 3 den Akkumulator 2 sowie die Bauteile 11 vollständig und ist aus einem Trog 8 und einem Deckel 9 gebildet.
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Der Trog 8 ist quaderförmig und nach oben offen. Er ist in seinen Abmessungen so dimensioniert, dass er mit keinem oder minimalem seitlichen Spiel den Käfig 3 mit dem Akkumulator 2 aufnehmen kann. Der Trog 8 ist hier einstückig aus einer Blechplatte gezogen. Sein oberer Bereich ist zur Aufnahme des Deckels 9 ausgebildet. Löcher zum Eindrehen von Schrauben sind eingestanzt oder gebohrt.
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In jeder Seitenwand des Trogs 8, die einer der Breitseiten 3b des Käfigs 3 zugeordnet ist, ist eine horizontale Nut 10 eingepresst, die mit den entsprechenden Rastnasen 7 korrespondiert. Das bedeutet, wenn der Käfig 3 (mit dem Akkumulator 2) in den Trog eingesetzt ist, greifen die Rastnasen 7 in die zugehörige Nut 10 und verhindern so eine unbeabsichtigte vertikale Verschiebung des Käfigs 3 in dem Trog 8. Trotzdem ist es möglich, mit entsprechenden Werkzeugen und Kraftaufwand den Käfig 3 aus dem Trog 8 zu entnehmen. Hierdurch ist das gesamte Gehäuse 1 wiederverwendbar.
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Dadurch dass die Nut 10 eingepresst ist, ist außen an dem Trog 8 ein Wulst gebildet, der die Handhabung des Gehäuses 1 und somit auch des gebrauchsfertigen Akkumulators 2 erleichtert.
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In eine der Seitenwände des Trogs 8 ist eine durchgehende Öffnung eingelassen, die mit einer Berstscheibe verschlossen ist. Bevorzugt ist die Berstscheibe in dem Deckel 9 angeordnet, weil dies einfacher zu fertigen ist.
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Der Deckel 9 ist aus Kunststoff z.B. im Spritzguss gefertigt und weist eine Höhlung zur Aufnahme von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen wie eine Zellverbinder-Leiterplatte, ein BMS und eine Bolzenklemmleiste auf. Der Deckel 9 kann eine integrierte Dichtung zum Abdichten des Gehäuses 1 aufweisen und ist mittels der Schrauben auf dem Trog 8 diesen verschließend befestigbar. Die Bauteile sind vereinfacht zusammengefasst als Kasten dargestellt. Bolzen der Bolzenklemmleiste sind durch den Deckel 9 nach außen geführt, so dass eine Bordelektrik des Kraftfahrzeugs angeschlossen werden kann.
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Zur Montage zum gebrauchsfertigen Akkumulator 2 werden die Zellen 5, die Bauteile sowie vorgefertigt der Käfig 3 und der Deckel 9 bereitgestellt.
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Die Zellen 5 werden in der erforderlichen Anzahl und Ausrichtung in dem Käfig 3 eingespannt. Der Käfig 3 mit dem Akkumulator 2 wird in den Trog 8 eingeschoben, wobei die Rastnasen 7 in der Nut 10 einrasten. Die Zellverbinder- Leiterplatte, das BMS und die Bolzenklemmleiste werden auf dem Akkumulator 2 montiert und elektrisch angeschlossen. Schließlich wird der Deckel 9 aufgesetzt und mittels Klebstoff dichtend befestigt.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung insbesondere ein Gehäuse 1 für einen Akkumulator 2 eines Kraftfahrzeugs mit einem Käfig 3, in dem Zellen 5 des Akkumulators 2 eingespannt sind, mit elektrischen und elektronischen Bauteilen 11, und mit einem Mantel 4, der den Käfig 3 mit dem Akkumulator 2 und die Bauteile umschließt. Das Gehäuse 1 soll so verbessert werden, dass es die Erfordernisse bezüglich der mechanischen und thermischen Sicherheit erfüllt, hierbei preiswert herzustellen ist und keine externe Kühlung benötigt. Dies wird dadurch erreicht, dass an Außenseiten des Käfigs 3 eine Vielzahl von Abstandhaltern 6 angeordnet ist.
