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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verwerten eines elektrochemischen Energiespeichers mit einem Gehäuse und wenigstens einer im Gehäuse positionierten Energiespeicherzelle. Die Erfindung betrifft ferner einen elektrochemischen Energiespeicher, der mit einem geeigneten Verfahren möglichst einfach verwertet werden kann.
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Elektrochemische Energiespeicher in Form von Fahrzeugbatterien und insbesondere Antriebsbatterien moderner Elektrofahrzeuge stellen auch nach Erreichen ihrer Betriebslaufzeit wertvolle Komponenten dar. Ist die Betriebslaufzeit des Energiespeichers aufgrund bestimmter Alterungserscheinungen und/oder Schäden am Energiespeicher erreicht, werden diese für andere Zwecke verwendet oder recycelt. Zum Recyceln werden Speicherzellen des Energiespeichers in der Regel aus einem Gehäuse des Energiespeichers ausgebaut und in einen Schredder gegeben. Durch das Schreddern entsteht ein Stoffgemisch aus verschiedenen wiederverwendbaren Rohstoffen. Für ein möglichst effektives Recycling werden die verschiedenen Materialien und Komponenten des Energiespeichers vor dem Schreddern so gut es geht voneinander getrennt. Form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen können relativ einfach voneinander getrennt werden. Zum Trennen von stoffschlüssigen Verbindungen wird der Energiespeicher in der Regel mit Kohlstoffdioxid, Eiswasser oder flüssigem Stickstoff stark abgekühlt. Anschließend können die verklebten, gelöteten und/oder verschweißten Bauteile durch mechanische Einwirkung voneinander getrennt werden. Dies wird insbesondere durch ein Aufbrechen der Verbindungsabschnitte erreicht.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2015 206 153 A1 wird beispielsweise ein Verfahren zur Verwertung von Lithium-Batterien beschrieben, gemäß welchem Batteriezellen zum Abkühlen in Eiswasser gegeben und anschließend im Eiswasser mechanisch zerkleinert werden. Das Verwenden von Eiswasser oder anderen Stoffgemischen zum Herunterkühlen des Energiespeichers auf die erforderliche niedrige Temperatur erfordert große Energiemengen. Darüber hinaus benötigen die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Kühlen der Batteriespeicher einen relativ großen Bauraum sowie eine komplexe Systemstruktur.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Recyclingprozess zum Verwerten elektrochemischer Energiespeicher zu verbessern.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie den elektrochemischen Energiespeicher gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verwerten eines elektrochemischen Energiespeichers, der ein Gehäuse und wenigstens eine im Gehäuse positionierte Energiespeicherzelle aufweist, vorgeschlagen. Im Rahmen des Verfahrens wird zunächst eine stoffschlüssige Verbindungsstelle zwischen zwei Fügepartnern zum Lösen oder Aufweichen einer stoffschlüssigen Materialverbindung zwischen den beiden Fügepartnern lokal erwärmt. Anschließend werden die beiden Fügepartner zum Entfernen der wenigstens einen Energiespeicherzelle aus dem Gehäuse voneinander getrennt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde sich zunächst von der klassischen Vorgehensweise beim Verwerten bzw. Recyceln von elektrochemischen Energiespeichern abgewandt. Das heißt, der Energiespeicher wird nicht gekühlt, sondern erwärmt. Insbesondere wird eine stoffschlüssige Verbindungsstelle lokal bzw. am Energiespeicher lokal begrenzt und entsprechend gezielt erwärmt. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend herausgefunden, dass ein solches lokales Erwärmen auch bei gattungsgemäßen Energiespeichern zum sicheren und zuverlässigen Trennen von Fügepartnern genutzt werden kann. Auf ein Abkühlen des gesamten Energiespeichers kann verzichtet werden. Deshalb kann das Verfahren besonders energiesparend durchgeführt werden. Dadurch kann eine ausreichende Veranlassung geschaffen werden, das Recyceln von gattungsgemäßen Energiespeichern noch aktiver und/oder umfangreicher zu betreiben. Dadurch können Rohstoffe eingespart und/oder bei der Herstellung von Energiespeichern besonders effizient verwendet werden.
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Das Gefüge der stoffschlüssigen Verbindungsstelle weist durch die Temperatureinwirkung beim Schweißen, durch die Hinzugabe eines Materials beim Löten oder durch die Hinzugabe eines Klebematerials beim Kleben einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das restliche Gehäuse bzw. der Bereich des Gehäuses neben und/oder an der Verbindungsstelle auf. Durch das erfindungsgemäße lokale Erwärmen kann die Struktur der Verbindungsstelle gezielt beeinflusst und damit der Wärmeausdehnungskoeffizienten dahingehend verändert werden, dass anschließend ein relativ einfaches Trennen der beiden Fügepartner voneinander möglich ist.
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Unter der Verbindungsstelle kann insbesondere eine Nahtstelle verstanden werden, an welcher die beiden Fügepartner stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt und/oder verschweißt, sind. Unter dem elektrochemischen Energiespeicher kann insbesondere eine Fahrzeugbatterie, Antriebsbatterie und/oder Hochvoltbatterie zum Bereitstellen der elektrischen Energie für einen Elektroantrieb eines Personen-Elektrofahrzeugs verstanden werden. Darunter, dass die wenigstens eine Energiespeicherzelle im Gehäuse positioniert ist kann verstanden werden, dass die wenigstens eine Energiespeicherzelle in einem durch das Gehäuse definierten Gehäusevolumen positioniert ist. Unter der wenigstens einen Energiespeicherzelle kann insbesondere ein Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel mit mehreren Energiespeicherzellen verstanden werden.
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Unter dem lokalen Erwärmen kann ein gezieltes Erwärmen und/oder ein gezieltes Erhitzen der Verbindungsstelle verstanden werden. Durch das Erwärmen kann die Verbindungsstelle dahingehend aufgeweicht und/oder destabilisiert werden, dass die beiden Fügepartner anschließend relativ einfach und genau bzw. an der gewünschten Stelle voneinander getrennt werden können. Das heißt, die Fügepartner können ohne oder mit nur geringfügigen Kollateralschäden an den Fügepartnern im Bereich der Verbindungsstelle voneinander getrennt werden. Durch das Erwärmen der Verbindungsstelle soll die Verbindungsstelle noch nicht aufgebrochen werden. Unter dem Erwärmen zum (anschließenden) Lösen und/oder Aufweichen der Verbindungsstelle ist demnach beispielsweise kein Aufschweißen zu verstehen, mittels welchem in anderen technischen Gebieten des Standes der Technik Fügepartner direkt voneinander getrennt werden. Vielmehr wird das lokale Erwärmen ausschließlich zum Aufweichen der stoffschlüssigen Materialverbindung zwischen den beiden Fügepartnern verwendet. Das anschließende Trennen der beiden Fügepartner wird vorzugsweise aktiv mechanisch durchgeführt. So kann zum Trennen der beiden Fügepartner bzw. der aufgewärmten und dadurch aufgeweichten Verbindungsstelle ein Werkzeug in Form einer Trennvorrichtung zum mechanischen Trennen der beiden Fügepartner verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird das Erwärmen mittels Induktion durchgeführt. Mittels Induktion kann die Verbindungsstelle, beispielsweise im Bereich einer sich dort befindlichen Schweißnaht, gezielt erwärmt und entsprechend für das anschließende Trennen vorbereitet werden. Das Verfahren kann damit besonders energiesparend durchgeführt werden. Andere Bereiche am und/oder im Energiespeicher werden nicht oder nur wenig erwärmt. Die Induktion kann mittels einer Induktionsvorrichtung durchgeführt werden, in welcher der Energiespeicher in einer vordefinierten Relativposition positioniert werden kann. Alternativ kann die Induktion auch mit einer mobilen Induktionsvorrichtung durchgeführt werden. Das Erwärmen kann insbesondere mittels hochfrequentem Wechselstrom, beispielsweise mit einem Wert über 10 kHz oder über 100 kHz, durchgeführt werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fügepartner ein Gehäusebecher des Gehäuses ist, ein weiterer Fügepartner ein Gehäusedeckel des Gehäuses ist und eine stoffschlüssige Verbindungsstelle zwischen dem Gehäusebecher und dem Gehäusedeckel zum Lösen oder Aufweichen einer stoffschlüssigen Materialverbindung zwischen dem Gehäusebecher und dem Gehäusedeckel lokal erwärmt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass das Verfahren mit den vorstehend genannten Vorteilen besonders effektiv an geeignet konfigurierten Verbindungsstellen zwischen Gehäusebecher und Gehäusedeckel durchgeführt werden kann. So lässt sich die wenigstens eine im Gehäuse positionierte Energiespeicherzelle schnell, einfach und insbesondere energieeffizient aus dem Gehäuse nehmen. Ferner kann dadurch eine unerwünschte Temperaturbehandlung der wenigstens einen Energiespeicherzelle verhindert werden. Unter dem Energiespeicher kann in diesem Fall insbesondere ein Energiespeicher mit einem prismatischen Gehäuse und/oder ein entsprechend prismatischer Energiespeicher verstanden werden. Unter der wenigstens einen Energiespeicherzelle kann ein Zellstapel und/oder ein Zellwickel verstanden werden. Gattungsgemäße Gehäuse aus Aluminium oder Edelstahl können auf die erfindungsgemäße Weise mit wenigen Prozessschritten und somit entsprechend schnell und energieeffizient verwertet bzw. recycelt werden. Das erfindungsgemäße gezielte Trennen von Gehäusedeckel und Gehäusebecher ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine abgetrennte Aluminiumlegierung wieder aufbereitet werden kann. Substanzen aus einem Zellwickel lassen sich beispielsweise in einer höheren Anteiligkeit aufbereiten. Zum Verwerten des Energiespeichers kann der Gehäusedeckel zunächst auf die vorstehend beschriebene Weise vom Gehäusebecher getrennt werden. Die Gehäusebecher können anschließend gesammelt und optional gereinigt werden. Anschließend können die Gehäusebecher wiederverwendet werden.
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Ferner ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Fügepartner ein Gehäusedeckel des Gehäuses ist, ein weiterer Fügepartner die wenigstens eine Energiespeicherzelle, beispielsweise in Form eines Zellstapels oder eines Zellwickels, ist und eine stoffschlüssige Verbindungsstelle zwischen dem Gehäusedeckel und der Energiespeicherzelle zum Lösen oder Aufweichen einer stoffschlüssigen Materialverbindung zwischen dem Gehäusedeckel und der wenigstens einen Energiespeicherzelle lokal erwärmt wird. Das heißt, die stoffschlüssige Materialverbindung zwischen der wenigstens einen Energiespeicherzelle und dem Gehäusedeckel kann ebenfalls auf die vorstehend im Detail beschriebene Weise erwärmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auf diese Weise auch eine stoffschlüssige Verbindungsstelle zwischen der wenigstens einen Energiespeicherzelle und dem Gehäuse und/oder dem Gehäusebecher erwärmt werden, um die beiden Fügepartner anschließend auf die vorstehend beschriebene Weise voneinander zu trennen. Das heißt, das erfindungsgemäße Erwärmen und Trennen lässt sich mit Bezug auf Verbindungsstellen zwischen der wenigstens einen Energiespeicherzelle, dem Gehäusedeckel und/oder dem Gehäusebecher anwenden. Auch mehrere stoffschlüssig miteinander verbundene Energiespeicherzellen können auf die erfindungsgemäße Weise erwärmt und voneinander getrennt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können die beiden Fügepartner zum Trennen auseinandergezogen, auseinandergerissen und/oder auseinandergebrochen werden. Das heißt, die beiden Fügepartner werden aktiv und bevorzugt mechanisch voneinander getrennt. Auf diese Weise können die beiden Fügepartner besonders sauber und kontrolliert voneinander getrennt werden.
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Weist das Gehäuse einen Gehäusebecher und einen Gehäusedeckel auf, können bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Entfernen der wenigstens einen Energiespeicherzelle aus dem Gehäuse, der Gehäusebecher, der Gehäusedeckel und die wenigstens eine Energiespeicherzelle getrennt voneinander verwertet und/oder recycelt werden. Das heißt, wurden Gehäusedeckel und Energiespeicherzelle(n) voneinander getrennt, können Gehäusedeckel und Energiespeicherzellen jeweils getrennt voneinander separat gesammelt und recycelt werden. Die von Gehäusebechern getrennten Gehäusedeckel können zusammen gesammelt und recycelt werden. Auf diese Weise kann der Energiespeicher besonders nachhaltig verwertet werden.
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Außerdem ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Verbindungsstelle auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Verbindungsstelle erwärmt wird. Damit kann insbesondere ein unkontrolliertes Auseinanderfallen der beiden Fügepartner verhindert werden. Mit anderen Worten, die beiden Fügepartner können, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise mechanisch und/oder mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs, kontrolliert voneinander getrennt werden, nachdem die Verbindungsstelle auf eine bestimmte Temperatur aufgewärmt und/oder vorgeheizt wurde. Unter der Verbindungsstelle kann beispielsweise eine Schweißnaht verstanden werden, sodass diese im Rahmen des Verfahrens auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Schweißnaht erwärmt wird, bevor die beiden Fügepartner voneinander getrennt werden. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner möglich, dass die Verbindungsstelle und/oder die beiden Fügepartner an der Verbindungsstelle auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Verbindungsstelle, unterhalb der Schmelztemperatur des einen Fügepartners an der Verbindungsstelle, oder unterhalb der Schmelztemperatur des anderen Fügepartners an der Verbindungsstelle, erwärmt wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher, aufweisend ein Gehäuse, das einen Gehäusebecher und einen Gehäusedeckel umfasst, und wenigstens eine im Gehäuse positionierte Energiespeicherzelle, wobei der Gehäusedeckel an einer Verbindungsstelle derart stoffschlüssig mit dem Gehäusebecher verbunden ist und/oder der Gehäusedeckel an einer Verbindungsstelle derart stoffschlüssig mit der wenigstens einen Energiespeicherzelle verbunden ist, dass der Gehäusedeckel mit einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren vom Gehäusebecher und/oder von der wenigstens einen Energiespeicherzelle getrennt werden kann. Damit bringt der erfindungsgemäße Energiespeicher die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden ist. Zum möglichst effizienten Durchführen des Verfahrens kann der Gehäusedeckel in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher ohne kraft- und/oder formschlüssige Verbindungselemente wie Schrauben oder Bolzen am Gehäusebecher, also bevorzugt ausschließlich stoffschlüssig, befestigt sein.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen elektrochemischen Energiewandler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem auseinandergebauten Zustand,
- 2 einen elektrochemischen Energiewandler gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem zusammengebauten Zustand, und
- 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen elektrochemischer Energiespeicher 10 in Form einer Antriebsbatterie für ein Fahrzeug in einem auseinandergebauten Zustand. Der Energiespeicher 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das einen Gehäusebecher 14 und einen Gehäusedeckel 15 umfasst. Der Energiespeicher 10 weist ferner eine im Gehäuse 11 bzw. in einem Gehäusevolumen des Gehäuses 11 positionierte Energiespeicherzelle 12 auf.
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2 zeigt den Energiespeicher 10 in einem zusammengebauten Zustand, in welchem der Gehäusedeckel 15 mit dem Gehäusebecher 14 verschweißt ist. Zwischen dem Gehäusedeckel 15 und dem Gehäusebecher 14 ist demnach eine stoffschlüssige Verbindungsstelle 13 gebildet. Der Gehäusedeckel 15 und der Gehäusebecher 14 können entsprechend als Fügepartner betrachtet werden. Anschlusskontakte 16 der Energiespeicherzelle 12 ragen durch den Gehäusedeckel 15 in die Umgebung des Energiespeichers 10, um den Energiespeicher 10 bzw. die Energiespeicherzelle 12 elektrisch anschließen zu können. Bei dem in 2 gezeigten Energiespeicher 10 ist außerdem der Gehäusedeckel 15 mit der Energiespeicherzelle 12 verschweißt (nicht dargestellt).
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Mit Bezug auf 3 wird anschließend ein Verfahren zum Verwerten des elektrochemischen Energiespeichers 10 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird die stoffschlüssige Verbindungsstelle 13 zwischen dem Gehäusedeckel 15 und dem Gehäusebecher 14 gezielt mittels Induktion erwärmt, um die Materialverbindung zwischen den beiden Fügepartnern aufzuweichen. Die Verbindungsstelle 13 wird hierbei auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Verbindungsstelle 13 bzw. der Schweißnaht erwärmt, jedoch stark genug, um die Verbindungsstelle 13 auf ein gewünschtes Maß aufzuweichen. In einem zweiten Schritt S2 werden der Gehäusedeckel 15 und der Gehäusebecher 14 mechanisch voneinander getrennt. Die beiden Fügepartner können hierbei mittels Werkzeug auseinandergezogen, auseinandergerissen und/oder auseinandergebrochen werden. In einem dritten Schritt S3 wird die Energiespeicherzelle 12 aus dem Gehäuse 11 entfernt. Anschließend wird die stoffschlüssige Verbindungsstelle 13 zwischen dem Gehäusedeckel 15 und der Energiespeicherzelle 12 in einem vierten Schritt S4 mittels Induktion erwärmt, um die Materialverbindung zwischen diesen beiden Fügepartnern aufzuweichen. Die Verbindungsstelle wird hierbei erneut auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur dieser Verbindungsstelle bzw. der Schweißnaht erwärmt. In einem fünften Schritt S5 werden der Gehäusedeckel 15 und die Energiespeicherzelle 12 mechanisch voneinander getrennt. In einem sechsten Schritt S6 werden der Gehäusebecher 14, der Gehäusedeckel 15 und die Energiespeicherzelle 12 getrennt voneinander recycelt.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiespeicher
- 11
- Gehäuse
- 12
- Energiespeicherzelle (Fügepartner)
- 13
- Verbindungsstelle
- 14
- Gehäusebecher (Fügepartner)
- 15
- Gehäusedeckel (Fügepartner)
- 16
- Anschlusskontakt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206153 A1 [0003]
