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Die Erfindung betrifft ein Abdeckelement für ein Batteriegehäuse einer Batteriespeichereinrichtung, insbesondere Hochvolt-Batterie, die mehrere Batteriezellen aufweist, eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Abdeckelement eine Sandwichbauweise aufweist mit einer ersten Decklage, einer zweiten Decklage und einer zwischen den Decklagen angeordneten Zwischenlage, wobei in einem montierten Zustand des Abdeckelements an dem Batteriegehäuse die erste Decklage der Batteriespeichereinrichtung zugewandt ist und die zweite Decklage von der Batteriespeichereinrichtung abgewandt ist.
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Bei aktuell verfügbaren Batteriegehäusen für Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge existiert das Problem, dass im seltenen Falle des Versagens einer Batteriezelle eine gezielte Ausleitung von Heißgas bzw. heißem Fluid nicht möglich ist. Bislang ist man dieser Problematik insoweit begegnet, dass Batteriegehäuse mittels zusätzlicher Brandschutzplatten von dem Innenraum des Kraftfahrzeugs getrennt wurden, um den Eintritt von heißem Fluid in den Innenraum zu verhindern. Derartige Brandschutzplatten bieten zwar einen wirksamen und effektiven Schutz, weisen aber ein hohes Gewicht auf, was im Hinblick auf die zu bewegende Gesamtmasse des Kraftfahrzeugs nachteilig ist. Ferner sind die Herstellung und der Einbau von Brandschutzplatten mit entsprechenden hohen Kosten verbunden.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Abdeckelement anzugeben, durch das die obigen Nachteile vermeiden werden können, insbesondere der Einsatz von zusätzlichen Brandschutzplatten nicht mehr notwendig ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abdeckelement, ein Batteriegehäuse und eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird also ein Abdeckelement für ein Batteriegehäuse einer Batteriespeichereinrichtung, insbesondere Hochvolt-Batterie, die mehrere Batteriezellen auf-weist, eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Abdeckelement eine Sandwichbauweise aufweist mit einer ersten Decklage, einer zweiten Decklage und einer zwischen den Decklagen angeordneten Zwischenlage, wobei in einem montierten Zustand des Abdeckelements an dem Batteriegehäuse die erste Decklage der Batteriespeichereinrichtung zugewandt ist und die zweite Decklage von der Batteriespeicher-einrichtung abgewandt ist. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Decklage mehrere Berstabschnitte aufweist, die in Abhängigkeit von einem im Bereich eines betreffenden Berstabschnitts herrschenden Drucks relativ zu der ersten Decklage beweglich sind, so dass eine Berstöffnung gebildet ist.
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Mittels der Berstabschnitte ist die erste Decklage des Abdeckelements so ausgeführt, dass unter Druck aus einer betreffenden Batteriezellen entweichendes heißes Fluid in das Abdeckelement eingeleitet werden kann. Dabei dient der geöffnete Berstabschnitt zumindest während einer anfänglichen Phase des Austritts von heißem Fluid als Leitelement für die Fluidströmung.
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Bei dem Abdeckelement können die Berstabschnitte derart ausgebildet sein, dass durch eine betreffende Berstöffnung ein heißer Fluidstrom aus einer zu der Berstöffnung korrespondierenden Batteriezelle in die Zwischenlage einleitbar ist. Insbesondere können die Berstabschnitte in der ersten Decklage korrespondierend zu Entgasungsöffnungen in den Batteriezellen vorgesehen bzw. angeordnet sein, so dass aus den Entgasungsöffnungen gegebenenfalls austretendes heißen Fluid direkt Druck auf den Berstabschnitt ausübt, so dass die Berstöffnung in der ersten Decklage freigegeben wird für den Austritt des heißen Fluids in die Zwischenlage des Abdeckelements.
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Dabei kann die Zwischenlage derart ausgebildet sein, dass sie beim Einleiten von dem heißen Fluidstrom zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, so dass in der Zwischenlage ein Ableitkanal ausgebildet werden kann.
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Mit anderen Worten wird das aus eine betreffenden Batteriezelle austretenden heiße Fluid zwischen den beiden Decklagen in die Zwischenlage eingeleitet, wobei die Zwischenlage zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, so dass das heiße Fluid gezielt zwischen den beiden Decklagen im Abdeckelement ausströmen und von der Batteriezelle weggeleitet werden kann.
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Bei dem Abdeckelement kann die erste Decklage oder/und die zweite Decklage ein Gewebe aufweisen, wobei vorzugsweise die Fasern des Gewebes Glas oder/und Aramid oder/und Kohle oder/und Basalt enthalten oder aus wenigstens einem dieser Materialen bestehen. Die erste Decklage oder/und die zweite Decklage können auch Tapelagen aufweisen. Durch den Einsatz von einem Gewebe, insbesondere aus den oben angegebenen Materialien oder Materialkombinationen, sind die Decklagen beständig gegen Hitze, so dass heißes Fluid zuverlässig zwischen den Decklagen geleitet werden kann, wobei die Zwischenlagen zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
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Bei dem Abdeckelement kann die Zwischenlage aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt sein. Die Zwischenlage kann dabei insbesondere auch Hohlräume aufweisen bzw. geschäumt ausgebildet sein, was das Einleiten von heißem Fluid vereinfacht und ein erwünschtes Aufschmelzen von dem Kunststoffmaterial ermöglicht.
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Das Abdeckelement kann im Bereich eines jeweiligen Berstabschnitts wenigstens ein Abstützelement aufweisen, das sich ausgehend von der ersten Decklage zu der Batteriespeichereinrichtung erstreckt. Mittels eines oder mehrerer solcher Abstützelemente kann der Berstabschnitt im montierten Zustand an der Batteriespeichereinrichtung bzw. an einer betreffenden Batteriezelle abgestützt sein, so dass der Berstabschnitt in einer gewünschten Sollposition zu der Batteriespeichereinrichtung angeordnet ist.
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Bei dem Abdeckelement können die Abstützelemente aus einem Material hergestellt sein, das eine größere Temperaturbeständigkeit aufweist als die Zwischenlage. Hierdurch ist es möglich, dass die Abstützelemente zumindest anfänglich das aus der Batteriezelle austretende heiße Fluid in Richtung des Berstabschnitts bzw. der Berstöffnung leiten können. Wenn die Abstützabschnitte mit dem betreffenden Berstabschnitt verbunden sind, können sie gemeinsam mit diesem relativ zur ersten Decklage bewegt werden.
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Bei dem Abdeckelement kann die Zwischenlage aus einem geschäumten thermoplastischen oder duroplastischen Material hergestellt sein, insbesondere ausgewählt aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyethylen (PE) oder Polyurethan (PU) und dergleichen.
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Dabei kann die Zwischenlage offenporig oder geschlossenporig geschäumt ausgeführt sein. Eine offenporig geschäumte Zwischenlage kann dabei die Ausdehnung bzw. das Ausströmen von Heißgas unterstützen.
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Alternativ kann bei dem Abdeckelement die Zwischenlage als wabenartige Struktur ausgebildet sein, wobei die wabenartige Struktur aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Material hergestellt ist, insbesondere ausgewählt aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder Polyethylen (PE).
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Dabei kann die wabenartige Struktur so ausgebildet sein, dass sich die Waben zwischen der ersten und der zweiten Decklage erstrecken bzw. im Wesentlichen orthogonal zu den beiden Decklagen ausgerichtet sind.
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Bei dem Abdeckelement kann die die erste Decklage oder/und die zweite Decklage aus thermoplastischem oder duroplastischem Material hergestellt sein, insbesondere ausgewählt aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) oder Polyphthalamid (PPA). Die Decklagen können auch aus thermoplastischen Matrixmaterialien hergestellt sein.
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Bei dem Abdeckelement kann die Sandwichbauweise mit der ersten Decklage, der zweiten Decklage und der Zwischenlage mittels Spritzgussverfahren hergestellt sein.
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Ein solches Verfahren kann beispielsweise folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen der ersten Decklage und der zweiten Decklage an jeweiligen Werkzeughälften eines Spritzgusswerkzeugs;
Schließen des Spritzgusswerkzeugs und Einspritzen von Kunststoffmassen zwischen den beiden Decklagen, um die Zwischenlage zu bilden. Wenn die Zwischenlage mit Hohlräumen ausgebildet werden soll bzw. eine geschäumte Struktur aufweisen soll, können die Werkzeughälften nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials etwas voneinander weg bewegt werden, so dass sich das eingespritzte Kunststoffmaterial unter Ausbildung von Hohlräumen ausdehnen kann.
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Damit heißes Fluid zuverlässig innerhalb der Zwischenlage abgeleitet werden kann, ist es ergänzend möglich, im Laufe des Spritzgussverfahrens eine kompakte, insbesondere nicht geschäumte, Leitschicht aus dem Kunststoffmaterial herzustellen. Eine solche Leitschicht kann beispielsweise etwa in der Mitte zwischen den beiden Decklagen vorgesehen sein. Alternativ kann sie auch näher an der zweiten Decklage angeordnet sein. Das Vorsehen einer solchen Leitschicht unterstützt das Einleiten von heißem Fluid in einen bestimmten bzw. gewünschten Bereich der Zwischenlage, da sich das austretenden heiße Fluid einfacher in geschäumten Bereichen der Zwischenlage ausdehnt und das dortige geschäumte Kunststoffmaterial schneller aufschmilzt. Die kompakte Leitschicht dient somit als zusätzliche Schutzschicht, die nicht sofort vollständig aufgeschmolzen wird.
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Bei einem Batteriegehäuse mit einer darin aufgenommenen Batteriespeichereinrichtung, insbesondere Hochvolt-Batterie, die mehrere Batteriezellen aufweist, wobei das Batteriegehäuse ein Bodenelement und ein Deckelement aufweist, die mit Seitenwandelementen verbunden sind, kann das Bodenelement oder das Deckelelement als oben beschriebenes Abdeckelement ausgebildet sein.
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Bei einem Kraftfahrzeug mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb und einer Batteriespeichereinrichtung, insbesondere Hochvolt-Batterie, kann wobei die Batteriespeichereinrichtung in einem solchen Batteriegehäuse aufgenommen sein, wobei das Batteriegehäuse unterhalb eines Bodenblechs einer Karosserie des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte und schematische Schnittansicht eines Batteriegehäuses mit Batteriezellen und einem Abdeckelement;
- 2 eine vereinfachte und schematische, leicht vergrößerte Teildarstellung gemäß dem gestrichelten Rechteck II der 1, bei Austretendem heißen Fluid aus einer Batteriezelle;
- 3 eine vereinfachte und schematische Draufsicht auf einen Teil eines Abdeckelements mit Berstabschnitten;
- 4 eine vereinfachte und schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Abdeckelements.
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In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Schnittdarstellung eines Batteriegehäuses 10 gezeigt. Das Batteriegehäuse 10 weist ein Bodenelement 12, Seitenwandelemente 14 und ein Abdeckelement 16 auf. Das Abdeckelement 16 ist hier beispielhaft als Deckelement ausgebildet.
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Im Batteriegehäuse 10 sind vereinfacht mehrere darin aufgenommene Batteriezellen 18 dargestellt, die zusammen eine Batteriespeichereinrichtung 20, insbesondere eine Hochvolt-Batterie bilden. Jede Batteriezelle 18 weist eine Entgasungsöffnung 22 auf, die vereinfacht als dickere, schwarze Linie illustriert ist.
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Das Batteriegehäuse 10 kann unterhalb eines Bodenblechs 24 eine ansonsten nicht weiter gezeigten Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere teil- oder vollelektrisch angetrieben sein unter Nutzung von in den Batteriezellen 18 gespeicherter Energie. Das hier dargestellte Bodenblech 24 des Kraftfahrzeugs trennt die Batteriespeichereinrichtung 20 von einem oberhalb des Bodenblechs 24 befindlichen Innenraum des Kraftfahrzeugs.
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Das Abdeckelement 16 weist eine Sandwichbauweise auf mit einer ersten Decklage 26, einer zweiten Decklage 28 und einer zwischen den Decklagen angeordneten Zwischenlage 30. In dem hier dargestellten montierten Zustand des Abdeckelements 16 an dem Batteriegehäuse 10 ist die erste Decklage 26 der Batteriespeichereinrichtung 20 zugewandt ist und die zweite Decklage 28 ist von der Batteriespeichereinrichtung abgewandt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das hier als Deckelelement gezeigt Abdeckelement 16 alternativ auch als Bodenelement des Batteriegehäuses 10 eingesetzt werden könnte, sofern die Entgasungsöffnungen 22 der Batteriezellen jeweils unten angeordnet wären.
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Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass die erste Decklage 26 mehrere Berstabschnitte 32 aufweist. Im Bereich eines jeweiligen Berstabschnitts 32 kann wenigstens ein Abstützelement 34 vorgesehen sein, das sich ausgehend von der ersten Decklage 26 zu der Batteriespeichereinrichtung 20 bzw. einer jeweiligen Batteriezelle 18 erstreckt.
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Bezugnehmend auf die etwas vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der 1 (etwa entsprechend dem strichpunktierten Rechteck II der 1) werden Eigenschaften und Funktionen des Abdeckelements 16 genauer beschrieben.
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Bei dem Abdeckelement 16 sind die Berstabschnitte 32 so ausgeführt, dass sie in Abhängigkeit von einem herrschenden Druck relativ zu der ersten Decklage 26 beweglich sind, so dass eine Berstöffnung 36 gebildet werden kann. In 2 ist beispielhaft illustriert, dass die rechts dargestellte Batteriezelle 18 heißes Fluid 38 (illustriert durch Konturpfeile) durch die Entgasungsöffnung 22 entweichen lässt. Bei einer solchen Entgasung einer Batteriezelle 18 tritt während einer kurzen Zeitspanne von etwa 5 bis 20 Sekunden heißes Fluid aus, das eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufweisen kann.
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Durch das aus der Batteriezelle 18 entweichende heiße Fluid 36 wird der Druck lokal im Bereich des betreffenden Berstabschnitts 32 erhöht, so dass der Berstabschnitt 32 der ersten Decklage 26 in Richtung der Zwischenlage 30 gedrückt bzw. bewegt wird. Die Berstabschnitte 32 sind also derart ausgebildet, dass durch eine betreffende Berstöffnung 36 der heiße Fluidstrom 38 aus einer zu der Berstöffnung 36 korrespondierenden Batteriezelle 18 in die Zwischenlage 30 einleitbar ist.
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Wie aus der 2 weiter ersichtlich, ist die Zwischenlage 30 derart ausgebildet ist, dass sie beim Einleiten von dem heißen Fluidstrom 38 zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, was durch die wolkige weiße Fläche illustriert ist. Hierdurch wird in der Zwischenlage ein Ableitkanal 40 ausgebildet, durch den das heiße Fluid 38 gezielt bzw. geführt abgeleitet werden kann.
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Die erste Decklage 26 oder/und die zweite Decklage 28 können ein Gewebe aufweisen, wobei die Fasern des Gewebes beispielsweise Glas oder/und Aramid oder/und Kohle oder/und Basalt enthalten oder aus wenigstens einem dieser Materialen bestehen. Die Decklagen 26, 28 enthalten also insbesondere Materialen, die hohen Temperaturen während einer längeren Zeitdauer widerstehen können.
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Die Zwischenlage 30 ist aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt. Dieses duroplastische oder thermoplastische Kunststoffmaterial kann durch das heiße Fluid 38 aufgeschmolzen werden unter Ausbildung des bereits oben erwähnten Ableitkanals 40. Das heiße Fluid 38 kann somit zuverlässig zwischen den beiden Decklagen 26, 28 abgeführt werden.
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Die einem jeweiligen Berstabschnitt 32 zugeordneten Abstützelemente 34 können aus einem Material hergestellt sein, das eine größere Temperaturbeständigkeit aufweist als die Zwischenlage 30. Wie aus der 2 ersichtlich können die Abstützelement 34 zumindest während einer bestimmten Zeitdauer eine Art Leitfunktion für das austretende heiße Fluid 38 übernehmen.
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3 zeigt schematisch und vereinfacht eine Draufsicht von unten auf die erste Decklage 26, etwa entsprechend dem Pfeil III der 2. Aus der Darstellung sind die in der Decklage 26 angeordneten Berstabschnitte 32 ersichtlich. Die Berstabschnitte 32 können beispielsweise durch jeweilige Einschnitte 42 hergestellt werden, die in die Decklage 26 eingebracht werden. Im gezeigten Beispiel wird jeder Berstabschnitt 32 durch drei Einschnitte 42 gebildet, derart dass der jeweilige Berstabschnitt 32 einen Scharnierabschnitt 44 aufweist, der das druckabhängige Bewegen bzw. Aufklappen des Berstabschnitts 32 ermöglicht.
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Bei dem Abdeckelement 16 kann die Sandwichbauweise mit der ersten Decklage 26, der zweiten Decklage 28 und der Zwischenlage 30 beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt sein.
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Ein solches Verfahren kann beispielsweise folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen der ersten Decklage 26 und der zweiten Decklage 28 an jeweiligen Werkzeughälften eines Spritzgusswerkzeugs;
Schließen des Spritzgusswerkzeugs und Einspritzen von Kunststoffmasse zwischen den beiden Decklagen 26, 28, um die Zwischenlage 30 zu bilden. Wenn die Zwischenlage 30 mit Hohlräumen ausgebildet werden soll bzw. eine geschäumte Struktur aufweisen soll, können die Werkzeughälften nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials etwas voneinander weg bewegt werden, so dass sich das eingespritzte Kunststoffmaterial unter Ausbildung von Hohlräumen ausdehnen kann.
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Damit heißes Fluid 38 (2) zuverlässig innerhalb der Zwischenlage 30 abgeleitet werden kann, ist es ergänzend möglich, im Laufe des Spritzgussverfahrens eine kompakte, insbesondere nicht geschäumte, Leitschicht 46 aus dem Kunststoffmaterial herzustellen. Ein derartiger optionaler Aufbau des Abdeckelements 16 ist in 4 gezeigt. Eine solche Leitschicht 46 kann beispielsweise etwa in der Mitte zwischen den beiden Decklagen 26, 28 vorgesehen sein. Alternativ kann sie auch näher an der zweiten Decklage 28 angeordnet sein. Das Vorsehen einer solchen Leitschicht 46 unterstützt das Einleiten von heißem Fluid 38 in einen bestimmten bzw. gewünschten Bereich der Zwischenlage 30, da sich das austretenden heiße Fluid 38 einfacher in geschäumten Bereichen der Zwischenlage 30 ausdehnt und das dortige geschäumte Kunststoffmaterial schneller aufschmilzt. Die kompakte Leitschicht 46 dient somit als zusätzliche Schutzschicht, die nicht sofort vollständig aufgeschmolzen wird.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, wird bezüglich möglicher Materialien der Zwischenlage 30 und der beiden Decklagen 26, 28 auf die obige Beschreibungseinleitung verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009020185 A1 [0002]
- WO 2014195048 A1 [0002]
- WO 2021012912 A1 [0002]
- EP 3772120 B1 [0002]
