WO2022128250A1 - Erweiterungsmodul für ein fahrzeug, system mit einem erweiterungsmodul, sowie fahrzeug mit einer aufnahme für ein erweiterungsmodul - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Erweiterungsmodul (110, 410) für ein Fahrzeug (100) beschrieben, das ein elektrisches Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher (101) und eine Aufnahme (105) für das Erweiterungsmodul (110, 410) aufweist. Das Erweiterungsmodul (110, 410) umfasst eine Modul-Schnittstelle (111), die ausgebildet ist, mit einer baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) der Aufnahme (105) eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110, 410) und der Aufnahme (105) zu bilden. Des Weiteren umfasst das Erweiterungsmodul (110, 410) eine Funktionseinheit (112, 412), die ausgebildet ist, über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen eine Erweiterungsfunktion für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs (100) bereitzustellen.
Description
Erweiterungsmodul für ein Fahrzeug, System mit einem Erweiterungsmodul, sowie Fahrzeug mit einer Aufnahme für ein Erweiterungsmodul
Die Erfindung betrifft ein Erweiterungsmodul für ein elektrisches (Hochvolt, HV) Bordnetz eines (Kraft-) Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System mit einem Erweiterungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einer Aufnahme für ein Erweiterungsmodul.
Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst einen elektrischen Energiespeicher, der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu speichern. Der elektrische Energiespeicher kann über eine Lade-Schnittstelle, insbesondere über eine Ladedose, des Fahrzeugs an einer Fahrzeug-externen Ladestation aufgeladen werden.
Insbesondere in dicht besiedelten Gebieten kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von Ladestationen zum Laden von Fahrzeugen bereitzustellen. Des Weiteren ist die Reichweite eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs aufgrund der begrenzten Kapazität des elektrischen Energiespeichers meist relativ gering.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen flexiblen Ladevorgang für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs zu ermöglichen und/oder die in einem Fahrzeug verfügbare elektrische Energie in flexibler Weise zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge
der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird ein Erweiterungsmodul für ein (Kraft-) Fahrzeug beschrieben. Das Fahrzeug umfasst ein elektrisches Bordnetz (insbesondere ein HV-Bordnetz, z.B. mit einer Bordnetzspannung von 100V oder mehr) mit einem elektrischen Energiespeicher (z.B. mit einer Lithium-Ionen Batterie). Das Fahrzeug umfasst ferner eine Aufnahme für das Erweiterungsmodul. Die Aufnahme kann z.B. einen Schacht zur Aufnahme des Erweiterungsmoduls umfassen. Das Erweiterungsmodul kann z.B. quaderförmig sein, und die Aufnahme kann einen der Quaderform des Erweiterungsmoduls entsprechenden Hohlraum aufweisen. Die Aufnahme kann z.B. in einem Motorraum und/oder in einem Kofferraum des Fahrzeugs angeordnet sein.
Das Erweiterungsmodul umfasst eine Modul -Schnittstelle, die ausgebildet ist, mit einer baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (der Aufnahme des Fahrzeugs) eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (bzw. der Modul-Schnittstelle) und der Aufnahme (bzw. der Aufnahme-Schnittstelle) zu bilden. Mit anderen Worten, das Erweiterungsmodul weist eine Modul-Schnittstelle auf, die derart ausgebildet ist, dass die Modul -Schnittstelle mit einer anderen (baugleichen) Modul-Schnittstelle sowohl eine mechanische Verbindung als auch ein oder mehrere elektrische leitende Verbindungen (für die Energieübertragung und/oder für die Datenübertragung) bilden kann.
Die durch die Modul-Schnittstelle und die (baugleiche) Aufnahme-Schnittstelle gebildete mechanische Verbindung kann derart sein, dass die beiden Schnittstellen im Wesentlichen ohne Spiel, fest miteinander verbunden sind. Die mechanische Verbindung kann ferner derart sein, dass durch die Verbindung ein Gewicht von 10kg oder mehr, oder 20kg oder mehr getragen werden kann.
Das Erweiterungsmodul umfasst außerdem eine Funktionseinheit, die ausgebildet ist, über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen eine Erweiterungsfunktion für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs bereitzustellen. Das Erweiterungsmodul ermöglicht es somit, den Funktionsumfang des elektrischen Bordnetzes in effizienter und flexibler Weise zu erweitern, insbesondere um die Speicherkapazität des Fahrzeugs zu erhöhen und/oder um ein flexibles Laden des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Die Erweiterungsfunktion kann z.B. eine zusätzliche Speicherkapazität zur Erweiterung der Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs umfassen. Das Erweiterungsmodul kann somit dazu genutzt werden, die in einem Fahrzeug verfügbare elektrische Energie in effizienter und flexibler Weise zu erhöhen. Dabei kann es insbesondere ermöglicht werden, dass durch Austausch des Erweiterungsmoduls in der Aufnahme des Fahrzeugs zusätzliche elektrische Energie in dem Fahrzeug bereitgestellt wird.
Das Erweiterungsmodul kann zu diesem Zweck als Funktionseinheit ein Speichermodul umfassen, das eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern. Das Speichermodul kann z.B. eine Speicherkapazität von 5kWh oder mehr aufweisen. Das Speichermodul kann eine Lithium-Ionen Batterie umfassen.
Das Erweiterungsmodul kann ausgebildet sein, elektrische Energie über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen zwischen dem Speichermodul und dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs zu übertragen. Dabei kann insbesondere elektrische Energie von dem Speichermodul zu dem elektrischen
Bordnetz des Fahrzeugs übertragen werden. So kann die Speicherkapazität eines Fahrzeugs in effizienter und flexibler Weise erhöht werden, z.B. um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen und/oder um eine größere Unabhängigkeit von Ladestationen (insbesondere in einem urbanen Umfeld) zu schaffen.
Das Erweiterungsmodul kann einen Gleichspannungswandler umfassen, der ausgebildet ist, elektrische Energie zwischen einer Spannungsebene des Speichermoduls und einer Spannungsebene des elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs zu wandeln. Der Gleichspannungswandler kann z.B. zwischen dem Speichermodul und der Modul -Schnittstelle des Erweiterungsmoduls angeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Gleichspannungswandler (ggf. mit einer galvanischen Trennung) im Fahrzeug, z.B. zwischen der Aufnahme- Schnittstelle und dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs, angeordnet sein.
Durch die Bereitstellung eines Erweiterungsmoduls mit einem Speichermodul kann eine besonders flexible Erweiterung der Speicherkapazität des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Erweiterungsfunktion eine elektrisch leitende Verbindung des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs zu einer Wechselstrom-Quelle oder zu einer Wechselstrom-Senke umfassen (um als Erweiterungsfunktion ein Laden des elektrischen Energiespeichers zu ermöglichen und/oder um eine Bereitstellung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher an eine Fahrzeug-externe Wechselstrom-Senke zu ermöglichen).
Zu diesem Zweck kann das Erweiterungsmodul als Funktionseinheit eine Wechselstrom-Schnittstelle umfassen. Die Wechselstrom-Schnittstelle kann z.B. eine Haushalts-Steckdose oder einen Haushalts- Stecker umfassen.
Das Erweiterungsmodul kann ferner einen AC/DC-Wandler (Alternating Current / Direct Current) bzw. einen Wechselrichter umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen der Gleichspannung an der Modul-Schnittstelle und der Wechsel Spannung an der Wechselstrom-Schnittstelle zu wandeln. Der AC/DC-Wandler bzw. Wechselrichter kann insbesondere eingerichtet ist, an der Wechselstrom-Schnittstelle eine 110V oder 230V Wechsel Spannung aufzunehmen oder bereitzustellen.
Das Erweiterungsmodul kann somit ausgebildet sein, den elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer Wechselstrom- Quelle zu laden. So kann ein flexibler Ladevorgang des Fahrzeugs ermöglicht werden. Alternativ oder ergänzend kann das Erweiterungsmodul eingerichtet sein, eine Wechselstrom-Senke (z.B. einen elektrischen Verbraucher) mit elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs zu versorgen. So kann eine flexible Nutzung der elektrischen Energie aus dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Die Modul-Schnittstelle des Erweiterungsmoduls kann derart ausgebildet sein, dass durch die Modul-Schnittstellen zweier Erweiterungsmodule eine mechanische und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen den beiden Erweiterungsmodulen gebildet werden können. Die Modul- Schnittstelle kann somit derart symmetrisch ausgebildet sein, dass zwei Erweiterungsmodule über die jeweilige (identische und/oder baugleiche) Modul- Schnittstelle miteinander (mechanisch und elektrisch leitend) verbunden werden können. So kann eine besonders flexible Nutzung von Erweiterungsmodulen ermöglicht werden.
Die Modul-Schnittstelle kann eine (ebene) Fläche aufweisen, die ausgebildet ist, parallel zu der (ebenen) Fläche der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle platziert zu werden, um die mechanische Verbindung und die ein oder mehreren
elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (bzw. der Modul- Schnittstelle) und der Aufnahme (bzw. der Aufnahme-Schnittstelle) zu bilden.
An der Fläche der Modul -Schnittstelle können ein erstes mechanisches Schnittstellenelement und ein zweites mechanisches Schnittstellenelement angeordnet sein (die jeweils aus der Fläche herausstehen). Das erste mechanische Schnittstellenelement und/oder das zweite mechanische Schnittstellenelement können jeweils eine Schwalbenschwanzführung aufweisen bzw. bzw. bilden. Alternativ oder ergänzend können das erste mechanische Schnittstellenelement und/oder das zweite mechanische Schnittstellenelement jeweils eine Hinterschneidung aufweisen. Insbesondere können das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement ausgebildet sein, zusammen eine formschlüssige Nut-Feder- Verbindung zu bilden.
Alternativ oder ergänzend können das erste mechanische Schnittstellenelement und/oder das zweite mechanische Schnittstellenelement einen Einführbereich aufweisen, der es ermöglicht, das jeweils andere mechanische Schnittstellenelement auf das jeweilige mechanische Schnittstellenelement zu schieben. Durch die Bereitstellung eines, ggf. aufgeweiteten, Einführbereichs kann in besonders komfortabler Weise eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Schnittstellen hergestellt werden.
Das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement können ferner ausgebildet sein, eine mechanisch spielfreie Verbindung zu bilden. Insbesondere können das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement derart ausgebildet sein, dass ausgehend von dem jeweiligen Einführbereich das Spiel der mechanischen Verbindung bei weiterem Einschieben (ggf. kontinuierlich) reduziert wird, bis im Endzustand bzw. in der Endstellung eine mechanisch spielfreie Verbindung gebildet wird.
Es kann somit in komfortabler Weise eine feste mechanische Verbindung zwischen der Modul-Schnittstelle und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle gebildet werden.
Das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement können derart ausgebildet sein, dass zur Bildung der mechanischen Verbindung zwischen der Modul-Schnittstelle und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle das erste mechanische Schnittstellenelement mit dem zweiten mechanischen Schnittstellenelement der baugleichen Aufnahme- Schnittstelle eine mechanische Verbindung bildet. Des Weiteren können das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement derart ausgebildet sein, dass das zweite mechanische Schnittstellenelement mit dem ersten mechanischen Schnittstellenelement der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle eine mechanische Verbindung bildet. Durch das paarweise Bilden von mechanischen Verbindungen kann eine besonders stabile Verbindung zwischen der Modul-Schnittstelle und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle gebildet werden.
Das erste mechanische Schnittstellenelement und das zweite mechanische Schnittstellenelement können derart ausgebildet sein, dass die mechanische Verbindung und die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul und der Aufnahme durch Verschieben der parallel angeordneten Flächen der Modul -Schnittstelle und der baugleichen Aufnahme- Schnittstelle zueinander gebildet werden können. Insbesondere können die Schnittstellenelemente der Modul -Schnittstelle und der Aufnahme-Schnittstelle bei parallel angeordneten Flächen aufeinander zu bewegt werden, um die mechanische und die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zu bilden. So wird eine besonders komfortable Nutzung eines Erweiterungsmoduls ermöglicht.
An der Fläche der Modul -Schnittstelle kann ein elektrisches Schnittstellenelement mit ein oder mehreren elektrischen Kontakten (für entsprechende ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen) angeordnet sein. Das elektrische Schnittstellenelement kann ausgebildet sein, mit dem elektrischen Schnittstellenelement der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul und der Aufnahme zu bilden (insbesondere durch Zusammenschieben der beiden elektrischen Schnittstellenelemente). So können die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen in komfortabler und effizienter Weise gebildet werden.
Das Erweiterungsmodul kann einen Verriegelungsmechanismus aufweisen, der ausgebildet ist, die mechanische Verbindung zwischen der Modul-Schnittstelle und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle zu verriegeln. So kann eine besonders zuverlässige Verbindung bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System (z.B. ein Fahrzeug oder ein Energiemodul) beschrieben, das zumindest ein in diesem Dokument beschriebenes Erweiterungsmodul umfasst, wobei das Erweiterungsmodul eine Modul-Schnittstelle aufweist. Das System umfasst ferner ein weiteres Modul (z.B. ein weiteres Erweiterungsmodul) mit einer weiteren Schnittstelle, die baugleich zu der Modul-Schnittstelle des Erweiterungsmoduls ist. Die Modul-Schnittstelle und die weitere Schnittstelle sind ausgebildet, eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul und dem weiteren Modul zu bilden. Das weitere Modul kann z.B. einen Gleichspannungswandler und/oder einen Wechselrichter umfassen. Das Erweiterungsmodul kann ein Speichermodul umfassen. Das System kann somit als mobile Speichereinheit zur Bereitstellung von elektrischer Energie (mit einer Gleichspannung oder mit einer Wechsel Spannung) ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad)
beschrieben. Das Fahrzeug umfasst ein elektrisches Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher (der z.B. eingerichtet ist, elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu speichern). Ferner kann das Fahrzeug das in diesem Dokument beschriebene Erweiterungsmodul und/oder System umfassen.
Insbesondere kann das Fahrzeug eine (ggf. quaderförmige) Aufnahme (z.B. einen Schacht bzw. einen Slot) für ein Erweiterungsmodul aufweisen. Dabei kann das Erweiterungsmodul wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet sein. Die Aufnahme umfasst eine Aufnahme-Schnittstelle, die ausgebildet ist, mit einer baugleichen Modul-Schnittstelle des Erweiterungsmoduls eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul und der Aufnahme zu bilden.
Die Aufnahme kann derart ausgebildet sein, dass durch eine Funktionseinheit des in der Aufnahme angeordneten Erweiterungsmoduls über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen eine Erweiterungsfunktion (z.B. eine zusätzliche Speicherkapazität, eine Ladefunktion zum Laden des elektrischen Energiespeichers, und/oder eine Bereitstellungsfunktion zur Bereitstellung von elektrischer Energie) für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs bereitstellbar ist bzw. bereitgestellt wird.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figuren la und 1b jeweils ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Erweiterungsmodul ;
Figur 1c unterschiedliche Nutzungen eines Erweiterungsmoduls;
Figuren 2a und 2b unterschiedliche Ansichten einer Modul-Schnittstelle eines Erweiterungsmodul s;
Figur 3 zwei symmetrische Modul-Schnittstellen für zwei entsprechende Erweiterungsmodule; und
Figur 4 ein beispielhaftes Energiemodul mit einem Speicher-Erweiterungsmodul und einem Wandler-Erweiterungsmodul.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit dem flexiblen Laden und/oder der flexiblen Erweiterung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. la ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einem elektrischen Energiespeicher 101, insbesondere mit einem Hochvolt (HV)- Speicher, der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine 104 des Fahrzeugs 100 zu speichern. Das Fahrzeug 100 kann eine Ladeschnittstelle 103, insbesondere eine Ladedose, aufweisen, über die der Energiespeicher 101 von einer Fahrzeug-externen Ladestation geladen werden kann.
Das Fahrzeug 100 kann eine Aufnahme 105 für ein Erweiterungsmodul 110 umfassen, wobei das Erweiterungsmodul 110 ausgebildet sein kann, elektrische Energie zu speichern. Insbesondere kann das Erweiterungsmodul 110 einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, der als Zusatzspeicher in dem Fahrzeug 100 verwendet werden kann, um die für den Antrieb des Fahrzeugs 100 verfügbare Energiemenge zu erhöhen. Das Erweiterungsmodul 110 kann dabei derart ausgebildet sein, dass das Erweiterungsmodul 110 durch einen Nutzer des Fahrzeugs 100 aus der Aufnahme 105 entnommen bzw. in die Aufnahme 105 eingeführt werden kann. Zu diesem Zweck kann an einer Modul-Schnittstelle des Erweiterungsmoduls 110 eine Niedervolt (NV)-Gleichspannung bereitgestellt
werden (z.B. mit einer Nennspannung von 60V oder weniger, insbesondere mit 48 V oder weniger).
Fig. 1b zeigt ein beispielhaftes Erweiterungsmodul 110, das einen elektrischen Energiespeicher 112 umfasst (der in diesem Dokument auch als Speichermodul bezeichnet wird). Des Weiteren weist das Erweiterungsmodul 110 eine Modul- Schnittstelle 111 auf, die ausgebildet ist, mit einer komplementären (baugleichen) Schnittstelle 121 eine mechanische und/oder eine elektrische und/oder eine Datenverbindung zu bilden. Wie weiter unten dargelegt, kann die Schnittstellen 111, 121 eines verbundenen Schnittstellen-Paars baugleich und/oder symmetrisch aufgebaut sein, um eine flexible Nutzung von Erweiterungsmodulen 110 zu ermöglichen.
In dem in Fig. 1b dargestellten Beispiel ist das Erweiterungsmodul 110 über einen Wandler 122, insbesondere über einen Gleichspannungswandler, mit dem elektrischen Energiespeicher 101 und/oder mit dem Energie-Bordnetz des Fahrzeugs 100 verbunden, z.B. um elektrische Energie aus dem Erweiterungsmodul 110 in dem Energie-Bordnetz des Fahrzeugs 100 bereitzustellen und/oder um das Speichermodul 112 des Erweiterungsmoduls 110 mit elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 101 des Fahrzeugs 100 zu laden.
Durch die Bereitstellung eines herausnehmbaren Erweiterungsmoduls 110 in einem Fahrzeug 100 können in flexibler Weise Ladevorgänge ermöglicht werden. Ferner kann die in einem Fahrzeug 100 verfügbare elektrische Energiemenge in flexibler Weise erhöht werden.
Wie in Fig. 1c veranschaulicht, kann ein Erweiterungsmodul 110 als Energiequelle für ein Fahrzeug 100 verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Erweiterungsmodul 110 als Energiesenke bzw. als elektrischer Verbraucher verwendet werden, die bzw. der mit elektrischer Energie aus dem
elektrischen Energiespeicher 101 des Fahrzeugs 100 versorgt und/oder betrieben wird.
Figuren 2a und 2b zeigen eine beispielhafte Modul-Schnittstelle 111 für ein Erweiterungsmodul 110 und/oder für die Aufnahme 105 eines Fahrzeugs 100. Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf die (ebene) Fläche der Modul-Schnittstelle 111, die parallel zu der (ebene) Fläche der komplementären (baugleichen) Schnittstelle 121 angeordnet wird, um eine Verbindung zwischen den beiden Schnittstellen 111, 121 zu bilden. Fig. 2b zeigt eine Seitenansicht seitlich auf die (ebene) Fläche der Schnittstelle 111, 121.
Die Schnittstelle 111, 121 umfasst eine erstes Schnittstellenteil 210 mit einem ersten mechanischen Schnittstellenelement 211 und einem elektrischen Schnittstellenelement 212. Des Weiteren umfasst die Schnittstelle 111, 121 ein zweites Schnittstellenteil 220 mit einem zweiten mechanischen Schnittstellenelement 221.
Das zweite mechanische Schnittstellenelement 221 ist in den in den Figuren 2a und 2b dargestellten Beispiel unterhalb einer Symmetrieebene 200 angeordnet, und das erste mechanische Schnittstellenelement 211 ist oberhalb der Symmetrieebene 200 angeordnet. Das erste mechanische Schnittstellenelement 211 und das zweite mechanische Schnittstellenelement 221 sind dabei derart ausgebildet, dass beide mechanischen Schnittstellenelemente 211, 221 zusammen eine mechanische Verbindung bilden können. Insbesondere können beiden mechanischen Schnittstellenelemente 211, 221 eine komplementäre Nut/Feder- Führung mit Hinterschnitt 222 bilden, so dass z.B. das zweite mechanische Schnittstellenelement 221 auf das erste mechanische Schnittstellenelement 211 aufgeschoben werden kann (oder umgekehrt).
Das elektrische Schnittstellenelement 212 kann derart ausgebildet sein, dass zwei baugleiche elektrische Schnittstellenelemente 212, die von unterschiedlichen
Seiten der Symmetrieebene 200 (z.B. von Unten und von Oben) aufeinander zubewegt werden, ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen und/oder Datenverbindungen bilden.
Die Modul-Schnittstelle 111 kann somit derart ausgebildet sein, dass durch eine erste Schnittstelle 111, die von der oberen Seite der Symmetrieebene 200 auf die Symmetrieebene 200 zubewegt wird, und durch eine baugleiche zweite Schnittstelle 121, die von der unteren Seite der Symmetrieebene 200 auf die Symmetrieebene 200 zubewegt wird, eine mechanische Verbindung gebildet wird (zwischen dem ersten mechanischen Schnittstellenelement 211 der ersten Schnittstelle 111 und dem zweiten mechanischen Schnittstellenelement 221 der zweiten Schnittstelle 121, und/oder zwischen dem zweiten mechanischen Schnittstellenelement 221 der ersten Schnittstelle 111 und dem ersten mechanischen Schnittstellenelement 211 der zweiten Schnittstelle 121) und zumindest eine elektrisch leitende Verbindung gebildet ist (zwischen dem elektrischen Schnittstellenelement 212 der ersten Schnittstelle 111 und dem elektrischen Schnittstellenelement 212 der zweiten Schnittstelle 121). Dies ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt.
Die beiden mechanischen Schnittstellenelemente 211, 221 können jeweils eine Einführschrägung 213, 223 (z.B. in Form einer Schwalbenschwanzführung) aufweisen, durch die eine Selbstzentrierung der beiden mechanischen Schnittstellenelemente 211, 221 zueinander bewirkt wird.
Das elektrische Schnittstellenelement 212 kann ein oder mehrere voreilende Kommunikationskontakte für eine Datenverbindung aufweisen, durch die bewirkt werden kann, dass bereits vor der Herstellung einer (rein) elektrischen Verbindung und/oder einer mechanischen Verbindung zumindest eine Datenverbindung gebildet wird. So kann eine zuverlässige Verbindung von unterschiedlichen Erweiterungsmodulen 110 und/oder von einem Erweiterungsmodul 110 mit einer Fahrzeug- Aufnahme 105 gebildet werden.
Zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer ersten Schnittstelle 111 und einer zweiten Schnittstelle 121 können die Flächen den beiden baugleichen Schnittstellen 111, 121 parallel zueinander angeordnet werden, so dass
• die Schnittstellenelemente 211, 212, 221 der beiden Schnittstellen 111, 121 einander zugewandt sind; und
• die Schnittstellenelemente 211, 212, 221 der beiden Schnittstellen 111, 121 um 180° gedreht zueinander angeordnet sind.
Die erste Schnittstelle 111 und die zweite Schnittstelle 121 können dann durch Verschieben der parallel zueinander angeordneten Flächen aufeinander zubewegt werden, um zu bewirken, dass
• das erste mechanische Schnittstellenelement 211 der ersten Schnittstelle 111 mit dem zweiten mechanischen Schnittstellenelement 221 der zweiten Schnittstelle 121 eine mechanische Verbindung bildet;
• das zweite mechanische Schnittstellenelement 221 der ersten Schnittstelle 111 mit dem ersten mechanischen Schnittstellenelement 211 der zweiten Schnittstelle 121 eine mechanische Verbindung bildet; und
• das elektrische Schnittstellenelement 212 der ersten Schnittstelle 111 mit dem elektrischen Schnittstellenelement 222 der zweiten Schnittstelle 121 ein oder mehrere elektrische und/oder Datenverbindungen bildet.
Die Bereitstellung einer derart symmetrisch aufgebauten Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine flexible Bereitstellung und Verwendung von Erweiterungsmodulen 110. Es kann insbesondere ein Speicher- Erweiterungsmodul 110 bereitgestellt werden, das ein Speichermodul 112 zur Speicherung von elektrischer Energie und eine Modul-Schnittstelle 111 umfasst. Das Speicher-Erweiterungsmodul 110 kann dann z.B. in eine Aufnahme 105 eines Fahrzeugs 100 gesteckt werden (wobei eine Verbindung zwischen der Modul- Schnittstelle 111 des Speicher-Erweiterungsmoduls 110 und der (baugleichen)
Aufnahme-Schnittstelle 121 der Aufnahme 105 gebildet wird), um z.B. die Speicherkapazität des Fahrzeugs 100 zu erhöhen.
Des Weiteren kann ein Wandler-Erweiterungsmodul 410 bereitgestellt werden, wie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt. Das Wandler-Erweiterungsmodul 410 kann einen Wandler 412, z.B. einen Gleichspannungswandler oder einen AC/DC- Wandler bzw. Wechselrichter, umfassen. Allgemein formuliert kann das Wandler- Erweiterungsmodul 410 Leistungselektronik umfassen. Ferner kann das Wandler- Erweiterungsmodul 410 eine Wandler-Schnittstelle 411 (insbesondere eine Wechselstrom-Schnittstelle), z.B. eine Haushalts- Steckdose bzw. einen Haushalts- Stecker, aufweisen. Das Wandler-Erweiterungsmodul 410 kann eingerichtet sein, elektrische Energie (z.B. basierend auf einer Wechsel Spannung) an der Wandler- Schnittstelle 411 aufzunehmen, mittels des Wandlers 412 in eine Gleichspannungs-Energie zu wandeln (die eine Gleichspannung mit einer definierten Höhe aufweist), und über die Modul-Schnittstelle 121 bereitzustellen.
Das Wandler-Erweiterungsmodul 410 kann z.B. mit einem Speicher- Erweiterungsmodul 110 (über die Module-Schnittstellen 111, 121) verbunden werden, um ein Energiemodul 400 zu bilden, das ein Speichermodul 112 aufweist, das über eine Haushalt- Steckdose geladen werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann das Wandler-Erweiterungsmodul 410 in die Aufnahme 105 des Fahrzeug 100 gesteckt werden, um es zu ermöglichen, den elektrischen Energiespeicher 101 des Fahrzeugs 100 über eine Haushalts- Steckdose zu laden.
Mit der in diesem Dokument beschriebenen (von einem Fahrzeugnutzer bedienbaren) universellen Energieschnittstelle 111, 121 zu einem Fahrzeug- Hochvoltsystem kann in flexibler Weise ein Energieverbraucher und/oder eine Energiequelle mit dem Fahrzeug 100 verbunden werden. Beispielsweise kann über ein Speicher-Erweiterungsmodul 110 ein elektrischer Zusatz -Energiespeicher
112 für das Fahrzeug 100 bereitgestellt werden. Durch die Bereitstellung eines Zusatzspeichers 112 kann die Abhängigkeit des Fahrzeugs 100 von der Ladeinfrastruktur reduziert werden.
Die in diesem Dokument beschriebene Modul-Schnittstelle 111, 121 weist ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aus:
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine bidirektionale Energi eüb ertragung;
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine Anbindung eines Erweiterungsmoduls 110, 410 (z.B. als Quelle oder Senke);
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine sichere Nutzung für einen Endnutzer (z.B. auf einen NV-Spannungsniveau);
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 weist eine volle Kompatibilität und gleiche Ausführung auf;
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine gleichzeitige mechanische und elektrische Verbindung; und/oder
• die Modul-Schnittstelle 111, 121 ermöglicht eine fahrzeugseitige elektrische Verbindung zum elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs 100 über einen Energi ewandl er 122.
Die Modul-Schnittstelle 111, 121 kann ebenfalls zur Signalübertragung dienen. Der Energiewandler 122 kann z.B. als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler ausgeführt sein. Der Energiewandler 122 kann ausgebildet sein, die Spannung und/oder den Strom flexibel einzustellen. Die Richtung des Leistungsflusses kann dabei einstellbar sein. Der einstellbare Bereich kann durch das verbundene Erweiterungsmodul 110, 410 oder durch das Fahrzeugsystem begrenzt oder vorgegeben sein.
Ein beispielhaftes Quellen-Erweiterungsmodul 110 kann z.B. als ein mobiler Energiespeicher ausgebildet sein. Ein Senken-Erweiterungsmodul 410 kann z.B.
als ein Wechselrichter 412 zur Anbindung von AC -Endgeräten ausgebildet sein (Stichwort „vehicle to device“).
Ein Erweiterungsmodul 110, 410 kann in einer Art und Weise ausgeführt sein, dass es als Quelle oder Senke funktioniert. Ein Wechselrichter- Erweiterungsmodul 410 kann verbunden mit einem Fahrzeug 100 als externes AC -Ladegerät genutzt werden. Die Erweiterungsmodule 110, 410 können jeweils tragbar ausgeführt sein. Über einen Verriegelungsmechanismus zwischen zwei Erweiterungsmodulen 110, 410 oder zwischen einem Erweiterungsmodul 110, 410 und der Aufnahme 105 kann in zuverlässiger Weise die elektrische Trennung unter Last verhindert werden. Der Verriegelungsmechanismus kann weitere Funktionen wie z.B. die eines Tragegriffs erfüllen.
Die elektrische Koppelung des Leistungspfads zum Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs 100 kann durch einen leistungselektronischen Wandler 122 ermöglicht werden. Dies kann z.B. ein Gleichspannungswandler sein. Der Wandler 122 kann derart ausgeführt sein, dass eine galvanische Trennebene zum Hochvoltbordnetz bereitgestellt wird. Die Modul -Schnittstelle 111, 121 kann für eine Niedervolt (NV) Spannung ausgelegt sein (z.B. für eine 48V Nennspannung).
Die mechanische Koppelstelle 211, 221 zwischen zwei baugleichen Schnittstellen 111, 121 kann als formschlüssige Nut-Feder-Verbindung mit umlaufender Hinterschneidung 222 ausgeführt sein. Die Modul-Schnittstelle 111, 121 mit geometrisch definierter End-Position und Lage kann z.B. ein Erweiterungsmodul 110, 410 in einer Aufnahme 105 eines Fahrzeugs 100 fixieren. Die konstruierte Konizität der mechanischen Koppelstelle 211, 221 gewährleistet eine Spielfreiheit im gesteckten Zustand eines Schnittstellen-Paars. Eine konstruktiv festgelegte (Spiegel-) Symmetrie ermöglicht eine volle Kompatibilität der Module 110, 410, 105 zueinander.
Um die Robustheit gegen Umwelteinflüsse und Fehlbedienung zu erhöhen, ist die Koppelstelle 211, 221 bevorzugt flächig ausgeführt. Die Verbindungpartner (d.h. die komplementären mechanischen Schnittstellenelemente 211, 221) können ausgebildet sein, sich durch ein konstruktiv vorgegebenes Einführspiel selbst zu finden. Dabei kann eine Relativbewegung in x-y-Richtung (d.h. innerhalb der jeweiligen Fläche) verhindert werden. Diese mechanische Verbindung dient einerseits der geometrisch definierten Positionierung und andererseits der Aufnahme im Betrieb entstehender Kräfte und Momente. Somit werden Translation und Rotation eines verbundenen Schnittstellen-Paars wirkungsvoll verhindert.
Über einen Verriegelungsmechanismus zwischen zwei Modulen 110, 410, 105 kann die elektrische Trennung unter Last verhindert werden. Der Verriegelungsmechanismus kann als weitere Funktion z.B. die Funktion eines Tragegriffs erfüllen. Der Transport eines Erweiterungsmoduls 110, 410 kann durch ein Rollgestell erleichtert werden. Das Rollgestellt kann dabei über eine Schnittstelle 111, 121 an das Erweiterungsmodul 110, 410 angebunden werden.
Abhängig von dem jeweils verwendeten Erweiterungsmodul 110, 410, 105 sind z.B. die nachfolgenden Nutzungsszenarien möglich:
• ein mobiler Energiespeicher 112 zur Erweiterung der Speicherkapazität eines Fahrzeugs 100;
• ein infrastrukturunabhängiges Laden über ein Speicher- Erweiterungsmodul 110 und/oder über ein Wandler-Erweiterungsmodul 410;
• ein elektrischer Energiespeicher 112 für eine dezentrale Energieversorgung;
• eine Pannenhilfe für ein entladenes Elektro-Fahrzeug 100;
• eine mobile AC -Energieversorgung aus dem elektrischen Energiespeicher 101 eines Fahrzeugs 100; und/oder
• ein AC-Laden des elektrischen Energiespeichers 101 eines Fahrzeugs 100.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein flexibles Laden und/oder eine flexible Erweiterung eines elektrischen Energiespeichers 101 eines Fahrzeugs 100 ermöglicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Claims
Ansprüche
1) Erweiterungsmodul (110, 410) für ein Fahrzeug (100), das ein elektrisches Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher (101) und eine Aufnahme (105) für das Erweiterungsmodul (110, 410) aufweist; wobei das Erweiterungsmodul (110, 410) umfasst,
- eine Modul-Schnittstelle (111), die ausgebildet ist, mit einer baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) der Aufnahme (105) eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110, 410) und der Aufnahme (105) zu bilden; und
- eine Funktionseinheit (112, 412), die ausgebildet ist, über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen eine Erweiterungsfunktion für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs
(100) bereitzustellen.
2) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß Anspruch 1, wobei
- die Erweiterungsfunktion eine zusätzliche Speicherkapazität zur Erweiterung der Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers
(101) des Fahrzeugs (100) umfasst; und/oder
- das Erweiterungsmodul (110, 410) als Funktionseinheit (112, 412) ein Speichermodul (112) umfasst, das eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern; und
- das Erweiterungsmodul (110, 410) ausgebildet ist, elektrische Energie über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen zwischen dem Speichermodul (112) und dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs (100) zu übertragen.
3) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Erweiterungsfunktion eine elektrisch leitende Verbindung des elektrischen Energiespeichers (101) des Fahrzeugs (100) zu einer Wechselstrom-Quelle oder zu einer Wechselstrom-Senke umfasst; und/oder
- das Erweiterungsmodul (110, 410) als Funktionseinheit (112, 412) eine Wechselstrom-Schnittstelle (411) umfasst; und
- das Erweiterungsmodul (110, 410) einen AC/DC-Wandler (412) umfasst, der eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen einer Gleichspannung an der Modul-Schnittstelle (111) und einer Wechsel Spannung an der Wechselstrom-Schnittstelle (411) zu wandeln.
4) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß Anspruch 3, wobei
- die Wechselstrom-Schnittstelle (411) eine Haushalts- Steckdose oder einen Haushalts-Stecker umfasst; und/oder
- der AC/DC-Wandler (412) eingerichtet ist, an der Wechselstrom- Schnittstelle (411) eine 110V oder 230V Wechsel Spannung aufzunehmen oder bereitzustellen.
5) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das Erweiterungsmodul (110, 410) ausgebildet ist,
- den elektrischen Energiespeicher (101) des Fahrzeugs (100) mit elektrischer Energie aus einer Wechselstrom-Quelle zu laden; und/oder
- eine Wechselstrom-Senke mit elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher (101) des Fahrzeugs (100) zu versorgen.
6) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modul -Schnittstelle (111) eine Fläche aufweist, die ausgebildet ist, parallel zu einer Fläche der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (105) platziert zu werden, um die mechanische Verbindung und die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110,
410) und der Aufnahme (105) zu bilden.
7) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß Anspruch 6, wobei
- an der Fläche der Modul -Schnittstelle (111) ein erstes mechanisches Schnittstellenelement (211) und ein zweites mechanisches Schnittstellenelement (221) angeordnet sind;
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) derart ausgebildet sind, dass zur Bildung der mechanischen Verbindung zwischen der Modul- Schnittstelle (111) und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121)
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) mit dem zweiten mechanischen Schnittstellenelement (221) der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) eine mechanische Verbindung bildet; und
- das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) mit dem ersten mechanischen Schnittstellenelement (211) der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) eine mechanische Verbindung bildet.
8) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß Anspruch 7, wobei
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) jeweils eine Schwalbenschwanzführung (223) aufweisen oder als Schwalbenschwanzführung ausgebildet sind; und/oder
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und/oder das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) jeweils eine Hinterschneidung (222) aufweisen; und/oder
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) ausgebildet sind, zusammen eine formschlüssige Nut-Feder- Verbindung zu bilden; und/oder
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und/oder das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) einen Einführbereich aufweisen, der es ermöglicht, das jeweils andere mechanische Schnittstellenelement (221, 211) auf das jeweilige mechanische Schnittstellenelement (211, 221) zu schieben; und/oder
- das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) ausgebildet sind, eine mechanisch spielfreie Verbindung zu bilden.
9) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das erste mechanische Schnittstellenelement (211) und das zweite mechanische Schnittstellenelement (221) derart ausgebildet sind, dass die mechanische Verbindung und die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110, 410) und der Aufnahme (105) durch Verschieben der parallel angeordneten Flächen der Modul-Schnittstelle (111) und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) zueinander gebildet werden können.
10) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei
- an der Fläche der Modul -Schnittstelle (111) ein elektrisches Schnittstellenelement (212) mit ein oder mehreren elektrischen Kontakten angeordnet ist; und
- das elektrische Schnittstellenelement (212) ausgebildet ist, mit dem elektrischen Schnittstellenelement (212) der baugleichen Aufnahme- Schnittstelle (121) die ein oder mehreren elektrischen Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110, 410) und der Aufnahme (105) zu bilden.
11) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modul -Schnittstelle (111) derart ausgebildet ist, dass durch die Modul-Schnittstellen (111) zweier Erweiterungsmodule (110, 410) eine
mechanische und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen den beiden Erweiterungsmodulen (111, 410) gebildet werden können.
12) Erweiterungsmodul (110, 410) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erweiterungsmodul (110, 410) einen Verriegelungsmechanismus aufweist, der ausgebildet ist, die mechanische Verbindung zwischen der Modul-Schnittstelle (111) und der baugleichen Aufnahme-Schnittstelle (121) zu verriegeln.
13) System (100, 400), das umfasst,
- ein Erweiterungsmodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei das Erweiterungsmodul (110) eine Modul- Schnittstelle (111) aufweist; und
- ein weiteres Modul (105, 410) mit einer weiteren Schnittstelle (121), die baugleich zu der Modul-Schnittstelle (111) des Erweiterungsmoduls (110) ist; wobei die Modul-Schnittstelle (111) und die weitere Schnittstelle (121) ausgebildet sind, eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110) und dem weiteren Modul (105, 410) zu bilden.
14) Fahrzeug (100) das umfasst,
- ein elektrisches Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher (ioi);
- eine Aufnahme (105) für ein Erweiterungsmodul (110, 410); wobei die Aufnahme (105) eine Aufnahme-Schnittstelle (121) umfasst, die ausgebildet ist, mit einer baugleichen Modul -Schnittstelle (111) des Erweiterungsmoduls (110, 410) eine mechanische Verbindung und ein oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Erweiterungsmodul (110, 410) und der Aufnahme (105) zu bilden; wobei die Aufnahme (105) derart ausgebildet ist, dass durch eine
Funktionseinheit (112, 412) eines in der Aufnahme (105) angeordneten Erweiterungsmoduls (110, 410) über die ein oder mehreren elektrisch leitenden Verbindungen eine Erweiterungsfunktion für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs (100) bereitstellbar ist.
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