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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Batterien und insbesondere auf die Simulation von Defekten und/oder Kurzschlüssen in Batteriezellen.
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Batteriezellen werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z.B. in der Automobilindustrie (z.B. in Elektro- und Hybridfahrzeugen). Batterien können aufgrund von Faktoren wie Beschädigung von Batteriekomponenten, übermäßiger Hitze, Dendritenwachstum usw. verschiedene Ausfallarten aufweisen (z.B. weiche Kurzschlüsse). Das Testen auf solche Ausfallarten kann schwierig sein, und daher ist es wünschenswert, die Möglichkeit zu bieten, auf Ausfallarten zu testen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum Simulieren eines Batteriezustands eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten, wobei die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten einen Satz bzw. eine Gruppe von gegenüberliegenden Platten mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch ein elektrisch leitfähiges Material, das sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckt, wobei das elektrisch leitfähige Material in elektrischem Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte steht und zumindest einen Teil eines elektrischen Pfades von der ersten Platte zur zweiten Platte bildet, wobei das elektrisch leitfähige Material einen Widerstand aufweist, der so gewählt ist, dass er als Reaktion auf die Aktivierung der Vorrichtung den Batteriezustand simuliert.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale umfasst die Vorrichtung ferner einen Leiter, dessen erstes Ende in Kontakt mit der ersten Platte steht, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie aktiviert wird, indem ein zweites Ende des Leiters in elektrischen Kontakt mit der zweiten Platte gebracht wird, wobei der Abstand zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte so gewählt wird, dass der Batteriezustand simuliert wird, wenn der Leiter in elektrischem Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte steht.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist der Batteriezustand ein weicher Kurzschluss, der im Inneren einer Batterie auftritt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein poröses Material, der Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials ist höher als der Widerstand der ersten Platte und der Widerstand der zweiten Platte, und das elektrisch leitfähige Material bildet einen diffusen Strompfad zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale umfasst das elektrisch leitfähige Material einen oder mehrere Strompfade zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, wobei der eine oder die mehreren Strompfade einen Widerstand aufweisen, der geringer ist als der Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale bilden die erste Platte, die zweite Platte und das elektrisch leitfähige Material einen Raum darin, wobei sich der Raum von der ersten Platte zur zweiten Platte erstreckt und der Leiter in dem Raum angeordnet ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein nachgiebiges Material, und die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass sie durch Zusammendrücken des elektrisch leitfähigen Materials aktiviert wird, um das zweite Ende in elektrischen Kontakt mit der zweiten Platte zu bringen.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist die Vorrichtung so konfiguriert, dass sie aktiviert wird, indem das zweite Ende in elektrischen Kontakt mit der zweiten Platte gebracht wird.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale umfasst die Mehrzahl der leitfähigen Platten eine Mehrzahl von Sätzen bzw. Gruppen leitfähiger Platten, und das leitfähige Material ist zwischen gegenüberliegenden Platten in jedem Satz leitfähiger Platten angeordnet.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Simulieren eines Batteriezustands das Anschließen einer Batteriesimulationsvorrichtung an eine Stromquelle, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten umfasst, wobei die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten einen Satz bzw. eine Gruppe von gegenüberliegenden Platten mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch ein elektrisch leitfähiges Material, das sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckt, wobei das elektrisch leitfähige Material in elektrischem Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte steht und zumindest einen Teil eines elektrischen Pfades von der ersten Platte zur zweiten Platte bildet. Das Verfahren umfasst auch das Aktivieren der Vorrichtung, um den Batteriezustand zu simulieren, indem mindestens folgendes durchgeführt wird: Ändern des Abstands zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte und Bewegen eines Leiters, der zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, Messen eines elektrischen Signals von der Vorrichtung und Bestimmen einer Signatur, die dem Batteriezustand zugeordnet ist, basierend auf dem elektrischen Signal.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale werden der Abstand zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte und ein Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials so gewählt, dass der Batteriezustand simuliert wird, wenn der Leiter in elektrischem Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte steht.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale weist der Leiter ein erstes Ende auf, das mit der ersten Platte in Kontakt steht, und die Aktivierung der Vorrichtung umfasst das Inkontaktbringen eines zweiten Endes des Leiters mit der zweiten Platte.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein poröses Material mit einem Widerstand, der höher ist als der Widerstand der ersten Platte und der Widerstand der zweiten Platte, wobei das elektrisch leitfähige Material einen diffusen Strompfad zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte bildet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein poröses Material mit einem Widerstand, der höher ist als der Widerstand der ersten Platte und der Widerstand der zweiten Platte, wobei das elektrisch leitfähige Material einen oder mehrere Strompfade zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte enthält, wobei der eine oder die mehreren Strompfade einen Widerstand haben, der geringer ist als der Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale bilden die erste Platte, die zweite Platte und das elektrisch leitfähige Material einen Raum darin, wobei sich der Raum von der ersten Platte zur zweiten Platte erstreckt und der Leiter in dem Raum angeordnet ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein nachgiebiges Material, und die Aktivierung der Vorrichtung beinhaltet das Zusammendrücken des leitfähigen Materials, um das zweite Ende in elektrischen Kontakt mit der zweiten Platte zu bringen.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist die Vorrichtung so konfiguriert, dass sie aktiviert wird, indem das zweite Ende in elektrischen Kontakt mit der zweiten Platte gebracht wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Computerprogrammprodukt ein computerlesbares Speichermedium, wobei das computerlesbare Speichermedium Anweisungen enthält, die von einem Computerprozessor ausgeführt werden können, um den Computerprozessor zu veranlassen, ein Verfahren durchzuführen. Das Verfahren umfasst das Anschließen einer Batteriesimulationsvorrichtung an eine Stromquelle, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten umfasst, wobei die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Platten einen Satz von gegenüberliegenden Platten mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch ein elektrisch leitfähiges Material, das sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckt, wobei das Material in elektrischem Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte steht und zumindest einen Teil eines elektrischen Pfades von der ersten Platte zur zweiten Platte bildet. Das Verfahren umfasst auch das Aktivieren der Vorrichtung, um den Batteriezustand zu simulieren, indem mindestens folgendes durchgeführt wird: Ändern des Abstands zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte und Bewegen eines zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordneten Leiters. Das Verfahren umfasst ferner das Messen eines elektrischen Signals von einer Batteriesimulationsvorrichtung und das Bestimmen einer dem Batteriezustand zugeordneten Signatur auf der Grundlage des elektrischen Signals.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist das elektrisch leitfähige Material ein nachgiebiges Material, und das Aktivieren der Vorrichtung umfasst das Zusammendrücken des elektrisch leitfähigen Materials, um den Leiter in elektrischen Kontakt mit der ersten Platte und der zweiten Platte zu bringen.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale bilden die erste Platte, die zweite Platte und das elektrisch leitfähige Material einen Raum darin, wobei sich der Raum von der ersten Platte zur zweiten Platte erstreckt, der Leiter in dem Raum angeordnet ist und ein erstes Ende in Kontakt mit der ersten Platte aufweist und das Aktivieren der Vorrichtung das Inkontaktbringen eines zweiten Endes des Leiters mit der zweiten Platte umfasst.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Details sind nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung aufgeführt, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen gilt:
- 1 zeigt ein Beispiel für eine Batteriezelle;
- 2 zeigt ein Beispiel für einen weichen Kurzschluss in der Batterie;
- 3 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung in einem inaktiven Zustand, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung ein nachgiebiges elektrisch leitfähiges Material und einen Leiter enthält;
- 4 zeigt die Batteriesimulationsvorrichtung von 3 in einem aktiven Zustand;
- 5 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung in einem inaktiven Zustand, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung ein nachgiebiges elektrisch leitfähiges Material und einen Leiter enthält;
- 6 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung in einem inaktiven Zustand, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung ein elektrisch leitfähiges Material und einen Leiter sowie eine magnetische Aktivierungskomponente enthält;
- 7 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung in einem inaktiven Zustand, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung ein nachgiebiges elektrisch leitfähiges Material und einen Leiter enthält, wobei das elektrisch leitfähige Material einen oder mehrere Strompfade enthält;
- 8 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung in einem inaktiven Zustand, wobei die Batteriesimulationsvorrichtung Abschnitte aus einem nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Material und einen zwischen den Abschnitten angeordneten Leiter umfasst;
- 9 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung mit einer Vielzahl von Gruppen leitfähiger Platten, wobei jede Gruppe leitfähiger Platten ein nachgiebiges, elektrisch leitfähiges Material dazwischen aufweist;
- 10 zeigt eine Ausführungsform einer Batteriesimulationsvorrichtung mit einer Vielzahl von Gruppen leitfähiger Platten, wobei jede Gruppe leitfähiger Platten ein nachgiebiges, elektrisch leitfähiges Material dazwischen aufweist;
- 11 ist ein Blockschaltbild, das ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriesimulationsvorrichtung und/oder zur Simulation eines Batteriezustands darstellt; und
- 12 zeigt ein Computersystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die vorstehende Beschreibung ist lediglich illustrativer Natur und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen werden Verfahren, Vorrichtungen und Systeme bereitgestellt, um eine Batteriezelle zu simulieren und einen Ausfall- bzw. Fehlermodus oder einen anderen Zustand der Batteriezelle zu simulieren. Eine Ausführungsform einer Simulationsvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie einen Fehlermodus oder einen anderen Zustand einer Batteriezelle simuliert und eine elektromagnetische Signatur erzeugt, die dem simulierten Zustand zugeordnet ist. Die elektromagnetische Signatur kann verwendet werden, um den Betrieb einer Batteriezelle zu überwachen, die Batteriezelle zerstörungsfrei zu testen, um Fehlermodi (z.B. weiche Kurzschlüsse oder „weiche Kurze“) zu erkennen und berührungslose Sensoren zu testen, die auf die Erkennung von weichen Kurzschlüssen oder anderen Fehlermodi ausgerichtet sind. Zu den Ausführungsformen gehören Verfahren zur Herstellung von Simulationsvorrichtungen und zum Simulieren von Fehlermodi und/oder anderen Bedingungen unter Verwendung von Simulationsvorrichtungen.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen bieten zahlreiche Vorteile und technische Effekte. Die Ausführungsformen stellen Mittel zum Simulieren von Batteriezuständen in einer zuverlässigen und wiederholbaren Weise und zum effektiven Bestimmen von elektrischen Signaturen bereit, die einem Kurzschluss oder einem anderen Batteriezustand zugeordnet sind. Die elektrischen Signaturen können mit einem reduzierten oder eliminierten Risiko von Gefahren bestimmt werden, die bei konventionellen Tests auftreten können (z.B. Tests von Ausschusszellen).
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1 zeigt ein Beispiel einer Pouch-Batteriezelle 10, die mit den hier beschriebenen Systemen und Verfahren simuliert werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Systeme und Verfahren nicht auf die Simulation des spezifischen Beispiels in 1 oder eines anderen spezifischen Batterietyps beschränkt sind. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind beispielsweise auch auf Batteriezellen mit starrem Gehäuse anwendbar.
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Die Batteriezelle 10 umfasst eine flexible Hülle oder einen Beutel 12, die/der so versiegelt ist, dass sie/er eine Vielzahl von gestapelten Einheitszellen (Zellstapel) umschließt. Der Beutel 12 kann aus einer aluminiumkaschierten Folie oder einem anderen geeigneten Beutelmaterial bestehen. Jede Einheitszelle umfasst eine negative Elektrode oder Anode 14 und eine positive Elektrode oder Kathode 16. Die Anoden und Kathoden sind aus ausgewählten elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt und können als dünne Platten oder Folien ausgeführt sein. Jede Einheitszelle enthält auch einen Separator 18 aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Polymer oder einer Keramik. Ein aktives Material 20, z.B. ein Lithiummaterial, ist in dem Beutel 12 zwischen den verschiedenen Schichten der Einheitszellen angeordnet.
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Wie in 1 dargestellt, erstreckt sich jede Anode 14 (auch als Anodenfolie bezeichnet) von den Einheitszellen weg, und die Anodenfolien 14 sind als Folienstapel 22 miteinander verbunden. Der Folienstapel 22 kann zusammengeschweißt und über eine Schweißnaht 26 oder ein anderes Metall-auf-Metall-Verbindungsverfahren an einer elektrisch leitfähigen Lasche 24 befestigt werden. Die Lasche 24 in diesem Beispiel ist eine negative Anschlusslasche. Die Kathodenfolien 16 können in ähnlicher Weise an eine positive Anschlusslasche (nicht dargestellt) geschweißt werden, die sich von dem Beutel 12 nach außen erstreckt.
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Während des Batteriebetriebs können verschiedene Batteriezustände oder Fehlermodi auftreten. Einer dieser Fehlermodi wird als „weicher Kurzschluss“ oder einfach als „weicher Kurzer“ bezeichnet, der zu einem thermischen Durchgehen führen kann. 2 zeigt einen Teil des Inneren der Batteriezelle 10 und Aspekte eines Zustands der Batteriezelle 10, der einen Kurzschluss verursachen kann.
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In diesem Beispiel ist die Batteriezelle 10 eine Lithiumionen-Batteriezelle, die Graphitanoden 14, poröse Separatoren 18 und Kathoden 16 auf Lithiumbasis umfasst. Wie gezeigt, können im Laufe des Batteriebetriebs Lithium-Dendriten 30 z.B. aufgrund von Verunreinigungen wachsen. Die Dendriten 30 sind dünne Vorsprünge, die sich durch den Separator 18 hindurch erstrecken können. Mit der Zeit können die Dendriten 30 einen Kurzschluss in der Batteriezelle 10 verursachen, der die Batteriezelle 10 funktionsunfähig machen und/oder zu einem thermischen Durchgehen führen kann. Die hier beschriebenen Simulationsvorrichtungen und -verfahren können zum Simulieren dieses Batteriezustands, anderer Arten interner Kurzschlüsse (z.B. aufgrund von Zellenschäden oder -rissen) oder anderer Zustände (z.B. harter Kurzschluss, Ablagerungen auf einer oder mehreren Elektroden usw.) verwendet werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Simulationsvorrichtung 40 zum Simulieren einer Batteriezelle und zum Simulieren von Fehlermodi in einer Batteriezelle, wie z.B. weichen Kurzschlüssen. Die Vorrichtung 40 umfasst eine Gruppe gegenüberliegender elektrisch leitfähiger Platten, darunter eine erste Platte 42 und eine zweite Platte 44. Die Platten 42 und 44 können aus jedem geeigneten leitfähigen Material hergestellt sein, z.B. Kupfer, Stahl, Aluminium und/oder anderen hochleitfähigen Materialien. Zwischen den Platten 42 und 44 befindet sich ein Material 46, das einen oder mehrere elektrische Pfade für den Stromfluss von einer Platte zur anderen bildet. Wie hier weiter ausgeführt, können die elektrischen Pfade diffuse oder lose Strompfade durch das Material 46 und/oder gebildete Strompfade umfassen, die durch Erhöhung der Leitfähigkeit in Bereichen des Materials 46 (z.B. durch Ablagerung von Schichten aus leitfähigerem Material oder Imprägnierung von Bereichen des Materialvolumens) gebildet werden.
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Bei dem Material 46 kann es sich um jedes geeignete leitfähige Material handeln, dessen Widerstand größer ist als der Widerstand der Platten 42 und 44. In einer Ausführungsform ist das Material 46 ein poröses Material, z.B. ein Schaumstoff, der aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, aber einen höheren Widerstand als die Platten 42 und 44 aufweist. Das poröse Material bildet einen diffusen elektrischen Pfad zwischen den Platten. Es kann jedes elektrisch leitfähige Material verwendet werden, das den höheren Widerstand aufweist, wie z.B. kohlenstoffimprägniertes Polymer, kohlenstoffimprägnierter Gummi, Keramik und andere.
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Die Platten 42 und 44 und das Material 46 begrenzen einen Raum 48, der sich durch die Vorrichtung 40 erstreckt. Ein Leiter 50 ist fest an oder in der Nähe der Platte 42 angeordnet und steht in elektrischem Kontakt mit der Platte 42. Der Leiter 50 kann aus Kupfer, Stahl, Aluminium, Federstahl oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Der Leiter 50 umfasst ein erstes Ende 51, das an der Platte 42 befestigt oder anderweitig in elektrischem Kontakt mit der Platte 42 angeordnet ist, und ein zweites Ende 52, das sich in den Raum 48 erstreckt. In einem inaktiven Zustand (wie in 3 dargestellt) wird das zweite Ende 52 in einer Position gehalten, die von den Platten und dem Material 46 entfernt ist, so dass kein Strom durch den Leiter 50 fließen kann.
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Um die Vorrichtung 40 in einen aktiven Zustand zu versetzen, kann das zweite Ende 52 in elektrischen Kontakt mit der Platte 44 gebracht werden (z.B. durch Zusammendrücken des Materials 46 oder Bewegen des zweiten Endes 52). „Elektrischer Kontakt“ zwischen zwei Komponenten bezieht sich auf einen Zustand, in dem ein elektrischer Strom zwischen den Komponenten fließen kann. Ein elektrischer Kontakt kann, muss aber nicht zu einem physischen Kontakt zwischen Komponenten führen.
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Verschiedene Eigenschaften der Vorrichtung 40 können so ausgewählt werden, dass ein Fehlermodus oder ein anderer Zustand simuliert wird. Zu den Eigenschaften können die Art des Materials 46, der Widerstand des Materials 46, ein Abstand D zwischen den Platten 42 und 44, das Material der Platten 42 und 44, das Leitermaterial und/oder die Konfiguration der elektrischen Pfade gehören.
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Die Platten 42 und 44 bestehen beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall, und der Leiter 50 ist aus einem Metall wie Kupfer gefertigt. Das Material 46 ist in diesem Beispiel ein leitfähiger Schaumstoff, z.B. ein mit Kohlenstoff gefüllter Polymer- oder Gummischaum. Der Schaumstoff hat einen Widerstand von etwa 10 Ohm, und der Abstand D beträgt etwa 3 mm. Es können auch andere Widerstandswerte gewählt werden, z.B. Werte zwischen etwa 0,10 Ohm und mindestens etwa 100 Ohm, und es können andere Abstände gewählt werden, z. B. Abstände im Bereich von etwa 1 mm bis mindestens etwa 25 mm. Der Widerstand des Materials 46 kann durch Änderung von Materialeigenschaften wie Porosität und Materialtyp eingestellt werden. Das Material 46 kann z.B. aus isolierendem Kunststoff (oder einem anderen Isolator) bestehen, wobei der prozentuale Gewichtsanteil des Kohlenstofffüllstoffs so gewählt wird, dass der Widerstand der Zelle eingestellt werden kann.
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3 zeigt die Vorrichtung 40 in einem inaktiven Zustand, in dem der Leiter 50 von der Platte 44 getrennt ist. Die Vorrichtung 40 wird in einen aktiven Zustand versetzt, indem der Leiter 50 in elektrischen Kontakt mit den beiden Platten 42 und 44 gebracht wird. Im aktiven Zustand fließt beim Anlegen einer Spannung ein Strom durch den Leiter 50, der einen Dendriten simuliert, der durch eine Batteriezelle hindurch wächst und einen weichen Kurzschluss verursacht.
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4 zeigt die Vorrichtung 40 in einem aktiven Zustand. In dieser Ausführungsform wird die Vorrichtung 40 in den aktiven Zustand versetzt, indem das Material 46 zusammengedrückt wird, so dass die Platten 42 und 44 näher zusammengebracht werden, um den Abstand D (auf einen reduzierten Abstand D') zu verringern, so dass das zweite Ende 52 die Platte 44 berührt. Eine Prüfvorrichtung 60 kann über die jeweiligen Leitungen 62 und 64 an die Platten 42 bzw. 44 angeschlossen werden, um eine Spannung anzulegen und die Reaktion der Vorrichtung 40 zu messen, z.B. die Änderung von Strom oder Spannung im Vergleich zum inaktiven Zustand.
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Der Leiter 50 kann jede gewünschte Länge und/oder Konfiguration haben. Im Beispiel von 3 und 4 ist der Leiter ein Draht, der an der Platte 42 befestigt ist und sich zumindest teilweise durch den Raum 48 erstreckt. Es können auch andere Längen und/oder Konfigurationen verwendet werden.
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5 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 40 mit einer anderen Konfiguration des Leiters 50. In dieser Ausführungsform ist der Leiter 50 ein starres Metallstück, das sich in den Raum 48 erstreckt. An dem Material 46, das einen Separator (z.B. den Separator 18) simuliert, ist eine dünne Folie aus Isoliermaterial 70 befestigt. Der Leiter 50 hat am zweiten Ende 52 eine scharfe Spitze 72, so dass der Leiter 50 beim Zusammendrücken der Vorrichtung 40 das Isoliermaterial 70 durchstößt und die Platte 44 berührt, wodurch ein Dendritenwachstum durch den Separator simuliert wird.
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In einigen Ausführungsformen wird die Vorrichtung 40 durch Bewegung des Endes 52 des Leiters 50 aktiviert, entweder anstelle von Kompression oder in Kombination mit Kompression. Das Ende 52 kann mit jedem beliebigen Mechanismus bewegt werden.
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Wie in 6 gezeigt, umfasst eine Ausführungsform der Vorrichtung 40 eine Aktivierungskomponente 74, die am oder in der Nähe des Endes 52 angebracht ist. Die Aktivierungskomponente 74 umfasst zum Beispiel ein magnetisches Material oder einen Magneten. Um die Vorrichtung 40 in dieser Ausführungsform zu aktivieren, kann ein Magnet relativ zur Platte 44 positioniert werden, der die Aktivierungskomponente 74 anzieht, wodurch das Ende 52 in elektrischen Kontakt mit der Platte 44 gezogen wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass jeder andere geeignete Mechanismus verwendet werden kann, um den Leiter 50 und/oder das zweite Ende 52 zu bewegen, wie z.B. mechanische oder hydraulische Betätigungsvorrichtungen. Der Leiter 50 kann zum Beispiel eine Feder sein, die in einer zusammengedrückten Position gehalten wird, und ein mechanischer Auslöser kann betätigt werden, um die Feder zu lösen, so dass das zweite Ende 52 die Platte 44 berührt.
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Der Leiter 50 kann bewegt werden, um die Vorrichtung von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand zu überführen, oder um die Vorrichtung 40 von einem aktiven Zustand in einen inaktiven Zustand zu überführen. Beispielsweise kann der Leiter 50 bewegt werden, um den Leiter 50 in elektrischen Kontakt mit der Platte 44 zu bringen, wie in Verbindung mit 6 beschrieben. Alternativ kann der Leiter 50 standardmäßig mit beiden Platten in elektrischem Kontakt stehen und bewegt werden, um ein Ende des Leiters 50 von der Platte 42 und/oder 44 zu trennen, um die Vorrichtung 40 zu deaktivieren.
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Die magnetische Aktivierungskomponente 74 kann zum Beispiel magnetisch anziehend auf die zweite Platte 44 wirken. In einem aktiven Zustand hält die Aktivierungskomponente 74 den elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Ende 52 und der Platte 44 aufrecht. Die Vorrichtung 40 kann in einem inaktiven Zustand gehalten werden, indem ein weiterer Magnet (nicht dargestellt) oder eine andere geeignete Komponente angebracht wird, um die Aktivierungskomponente 74 abzustoßen und das zweite Ende 52 zu veranlassen, sich von der Platte 44 zu trennen. Die Abstoßungskomponente kann zur Aktivierung der Vorrichtung 40 entfernt werden, so dass das Aktivierungselement 74 nicht mehr abgestoßen wird und sich zur Platte 44 bewegt.
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Zusätzlich zur Bereitstellung eines diffusen elektrischen Pfads durch das Material 46 oder anstelle eines diffusen Pfads kann das Material 46 so konfiguriert sein, dass es einen oder mehrere gerichtete Strompfade bereitstellt. Wie in 7 dargestellt, erstrecken sich beispielsweise ein oder mehrere Bereiche 76 innerhalb des Materials 46 von der Platte 42 bis zur Platte 44. Jeder Bereich 76 hat einen geringeren Widerstand als der Widerstand des umgebenden Materials 46. Die Bereiche 76 können mit jedem geeigneten Verfahren oder Prozess eingefügt werden. Das Material 46 kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem anderen isolierenden porösen Material bestehen, und die Bereiche 76 können Teile des Materials 46 sein, die mit Kohlenstoff- oder Metallpartikeln imprägniert sind, oder Schichten, die während der additiven Fertigung des Materials 46 aufgebracht werden.
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8 zeigt eine Ausführungsform der Simulationsvorrichtung 40. In dieser Ausführungsform umfasst das Material 46 mehrere Schichten oder Abschnitte. Teile des Leiters 50 sind zwischen den Abschnitten angeordnet, und der Leiter 50 erstreckt sich in den Raum 48, so dass die Enden 51 und 52 nicht in Kontakt mit den Platten 42 und 44 sind. Das Material 46 kann zusammengedrückt werden, um den Abstand zwischen den Platten 42 zu verringern, so dass die Enden 51 und 52 in elektrischen Kontakt mit den Platten 42 und 44 gebracht werden.
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Die Vorrichtung 40 umfasst in einigen Ausführungsformen mehrere Gruppen von Platten, von denen jede das Material 46 enthält. Eine bestimmte Gruppe von Platten kann einen oder mehrere Räume 48 oder auch keine Räume aufweisen.
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In den 9 und 10 sind Ausführungsformen einer Simulationsvorrichtung 80 dargestellt, die mehrere Gruppen von Platten und zwischen jeder Gruppe von Platten ein leitfähiges Material 90 enthält, das einen geringeren Widerstand als jede Gruppe von Platten aufweist und einen diffusen oder gerichteten Strompfad bereitstellt. Das Material 90 kann ähnlich wie das Material 46 in 3-8 sein. Die Vorrichtung 80 ist in den 9 und 10 in einem aktiven Zustand dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Eigenschaften des Materials 90 bei allen Gruppen von Platten gleich sein können oder nach Belieben variiert werden können (z.B. durch Änderung der Dicke, des Materialtyps, des Widerstands, usw.). Die Simulationsvorrichtung 80 kann einen einzigen Raum 92 und einen zugehörigen Leiter 94 in dem Raum haben (9), um einen Kurzschluss an einer bestimmten Stelle zu simulieren, oder sie kann mehr als einen Raum 92, 98, 102 und einen zugehörigen Leiter 94, 96, 100 haben (10), um mehrere Kurzschlüsse an verschiedenen Stellen zu simulieren. Die mehreren Gruppen von Platten könnten beispielsweise mehrere Einheitszellen simulieren, wie sie in 1 dargestellt sind.
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Die Vorrichtung 80 umfasst eine erste Plattenanordnung 82 mit drei Platten 82a, 82b und 82c, die jeweils mit einer ersten Lasche 84 verbunden sind. Eine zweite Plattenanordnung 86 umfasst zwei Platten 86a und 86b, die mit einer zweiten Lasche 88 verbunden sind. Die erste Plattenanordnung 82 ist aus Kupfer hergestellt und ist konfiguriert, negativ geladen zu werden, und die zweite Plattenanordnung 86 ist aus Aluminium und ist konfiguriert, positiv geladen zu werden.
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Zwischen jeder Gruppe von Platten befindet sich ein leitfähiger Schaumstoff oder ein anderes Material 90. In den 9 und 10 sind vier Gruppen von Platten dargestellt. Eine erste Gruppe von Platten umfasst die Platten 82a und 86a, eine zweite Gruppe von Platten die Platten 86a und 82b, eine dritte Gruppe von Platten die Platten 82b und 86b und eine vierte Gruppe von Platten die Platten 86b und 82c. Das leitfähige Material 90 kann ein nachgiebiger Schaumstoff oder ein anderes Material sein und kann dem leitfähigen Material 46 von 3-8 ähnlich sein.
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9 zeigt eine Ausführungsform mit einem Raum 92 und einem darin angeordneten Leiter 94, der einen Kurzschluss zwischen den Platten 82a und 86a simuliert. 10 zeigt, wie mehrere Kurzschlüsse (oder andere Zustände) an verschiedenen Stellen simuliert werden können, und umfasst einen Raum 98 und einen Leiter 96 zwischen den Platten 82b und 86b sowie einen Raum 102 und einen Leiter 100.
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11 illustriert eine Ausführungsform eines Verfahrens 120 zur Herstellung einer Simulationsvorrichtung, zum Simulieren einer Batteriezelle und/oder zur Erfassung von Batteriezuständen oder Fehlermodi. Aspekte des Verfahrens 120 können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren 120 von jeder geeigneten Verarbeitungsvorrichtung oder -system oder einer Kombination von Verarbeitungsvorrichtungen durchgeführt werden kann.
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Das Verfahren 120 umfasst eine Reihe von Schritten oder Stufen, die durch die Blöcke 121-125 dargestellt werden. Das Verfahren 120 ist nicht auf die Anzahl oder die Reihenfolge der darin enthaltenen Schritte beschränkt, da einige der durch die Blöcke 121-125 dargestellten Schritte in einer anderen als der unten beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können oder weniger als alle Schritte durchgeführt werden können.
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Zur Veranschaulichung werden Aspekte des Verfahrens in Verbindung mit der in 1 und 2 dargestellten Vorrichtung 40 erörtert. Das Verfahren 120 ist nicht darauf beschränkt und kann mit jeder Art von Simulationsvorrichtung, Batteriezelle usw. verwendet werden.
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In Block 121 wird die Simulationsvorrichtung 40 hergestellt oder montiert. Das Material 46 wird zum Beispiel mit einem additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck hergestellt. Der Widerstand des Materials wird z.B. durch die Auswahl eines Materials mit dem gewünschten Widerstand oder durch die Verwendung eines leitfähigen Materials wie Metall oder Kohlenstoff als Additiv gesteuert. Das Material könnte zum Beispiel aus einem leitenden Metall über Metall-3D-Druck oder Verarbeitung eines Kunststoffs durch eine chemische Reaktion gedruckt werden, um eine Kupfer- oder andere metallische Struktur aus dem 3D-gedruckten Material zu schaffen. Der Leiter 50 wird befestigt (z.B. durch Schweißen oder Kleben), und die Platten 42 und 44 werden in Kontakt mit den gegenüberliegenden Seiten des Materials 46 positioniert und befestigt.
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Das Material 46 könnte so beschaffen sein, dass ein leitfähiges Additiv wie Kohlenstoff die Leitfähigkeit des Materials unter Druck erhöht. Dies könnte mit Hilfe von Pfadplanung und Gitteroptimierung geschehen.
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Das gedruckte Material kann nachbearbeitet werden, um die elektrischen Eigenschaften der Simulationsvorrichtung 40 zu optimieren. Die Nachbearbeitung umfasst z.B. die Abscheidung durch Sputtern oder Elektroabscheidung, um leitende Pfade oder Bereiche zu schaffen (z.B. die in 7 gezeigten Bereiche 76).
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In Block 122 wird die Simulationsvorrichtung 40 an eine Stromquelle, z.B. eine Spannungsversorgung, angeschlossen. In Block 123 wird die Vorrichtung 40 aktiviert, indem das zweite Ende 52 des Leiters 50 elektrisch mit der Platte 44 verbunden wird. Dies kann durch Verformung des Materials 46, Bewegung des Leiters 50 oder auf andere Weise geschehen. Die Aktivierung der Vorrichtung verursacht einen Kurzschluss durch den Leiter 50, der einen weichen Kurzschluss simuliert.
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In Block 124 wird die Reaktion der aktivierten Vorrichtung 40 gemessen. In Block 125 wird die Reaktion (z.B. Spannungsmessung, Spannungsänderung) mit dem Fehlermodus korreliert oder anderweitig in Verbindung gebracht. Die anschließende Prüfung und/oder Überwachung der eigentlichen Batteriezellen kann dann z.B. mit einer berührungslosen Prüfvorrichtung durchgeführt werden. Die Prüfvorrichtung gibt Signale von der Batterie aus, die analysiert werden können, um Fehlerzustände zu erkennen.
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Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren können auf verschiedene Batterietypen angewendet werden. Bei den bewerteten Batteriezellen kann es sich in einer Ausführungsform um Zellen handeln, die in Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen verwendet werden; die Systeme und Verfahren sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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12 illustriert Aspekte einer Ausführungsform eines Computersystems 140, das verschiedene Aspekte von hier beschriebenen Ausführungsformen ausführen kann. Das Computersystem 140 umfasst mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung 142, die im Allgemeinen einen oder mehrere Prozessoren zur Durchführung von Aspekten der hier beschriebenen Bilderfassungs- und -analyseverfahren enthält. Aspekte des Computersystems 140 können in die Prüfvorrichtung 60 integriert oder mit ihr oder einer anderen Vorrichtung zur Messung der Ausgaben einer Simulationsvorrichtung verbunden werden.
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Zu den Komponenten des Computersystems 140 gehören die Verarbeitungsvorrichtung 142 (wie ein oder mehrere Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten), ein Speicher 144 und ein Bus 146, der verschiedene Systemkomponenten einschließlich des Systemspeichers 144 mit der Verarbeitungsvorrichtung 142 verbindet. Der Systemspeicher 144 kann eine Vielzahl von mit dem Computersystem lesbaren Medien enthalten. Bei diesen Medien kann es sich um beliebige verfügbare Medien handeln, auf die die Verarbeitungsvorrichtung 142 zugreifen kann, und zwar sowohl um flüchtige als auch um nichtflüchtige Medien sowie um entfernbare und nicht entfernbare Medien.
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Der Systemspeicher 144 umfasst beispielsweise einen nichtflüchtigen Speicher 148, wie eine Festplatte, und kann auch einen flüchtigen Speicher 150, wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder einen Cache-Speicher umfassen. Das Computersystem 140 kann auch andere entfernbare/nicht entfernbare, flüchtige/nichtflüchtige Speichermedien des Computersystems enthalten.
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Der Systemspeicher 144 kann mindestens ein Programmprodukt mit einem Satz (z.B. mindestens einem) von Programmmodulen enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie Funktionen der hier beschriebenen Ausführungsformen ausführen. Zum Beispiel speichert der Systemspeicher 144 verschiedene Programmmodule, die im Allgemeinen die Funktionen und/oder Verfahren der hier beschriebenen Ausführungsformen ausführen. Ein oder mehrere Module 152 können zur Durchführung von Funktionen im Zusammenhang mit der Erfassung von Messungen der Simulationsvorrichtung enthalten sein. Ein Analysemodul 154 kann zur Verarbeitung von Messungen und/oder zur Bestimmung von Signaturen in Verbindung mit verschiedenen Fehlermodi enthalten sein. Das System 140 ist nicht darauf beschränkt, da auch andere Module einbezogen werden können. Wie hier verwendet, kann der Ausdruck „Modul“ Verarbeitungsschaltungen enthalten, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, dediziert oder als Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten umfassen können, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Die Verarbeitungsvorrichtung 142 kann auch mit einer oder mehreren externen Vorrichtungen 156 wie einer Tastatur, einer Zeigevorrichtung und/oder anderen Vorrichtungen (z.B. Netzwerkkarte, Modem usw.) kommunizieren, die es der Verarbeitungsvorrichtung 142 ermöglichen, mit einer oder mehreren anderen Computervorrichtungen zu kommunizieren. Die Kommunikation mit verschiedenen Vorrichtungen kann über Eingangs-/Ausgangs (I/O)-Schnittstellen 164 bzw. 165 erfolgen.
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Die Verarbeitungsvorrichtung 142 kann über einen Netzwerkadapter 168 auch mit einem oder mehreren Netzwerken 166 wie einem lokalen Netzwerk (LAN), einem allgemeinen Weitverkehrsnetzwerk (WAN), einem Busnetzwerk und/oder einem öffentlichen Netzwerk (z.B. dem Internet) kommunizieren. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Hardware- und/oder Softwarekomponenten in Verbindung mit dem Computersystem 40 verwendet werden können, auch wenn sie nicht dargestellt sind. Beispiele hierfür sind unter anderem: Mikrocode, Gerätetreiber, redundante Verarbeitungseinheiten, externe Festplatten-Arrays, RAID-Systeme, Datenarchivierungssysteme usw.
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Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, verstehen Fachleute, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und deren Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Anwendungsbereich abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die in ihren Anwendungsbereich fallen.
