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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein elektrisches System und einen Energiespeicher.
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Hintergrund der Erfindung
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Sowohl bei stationären Anwendungen (z.B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) können vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen kann sein, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (beispielsweise führt bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie in der Regel zum Liegenbleiben des Fahrzeugs) oder anderen Problemen führen kann (bei Windkraftanlagen werden beispielsweise Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
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Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden typischerweise einzelne Batteriezellen in Serie geschaltet. Hierbei werden die einzelnen Batteriezellen durch leitende Verbindungen (z.B. Kabel oder Kupferschienen) miteinander in Reihe geschaltet. Zusätzlich kann eine Messelektronik die Aufgabe haben, die Spannungen der einzelnen Batteriezellen zu erfassen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei diesen elektrischen Systemen kann das Problem entstehen, dass bei großen elektrischen Strömen, die ein solches System durchfließen, große Magnetfelder entstehen, die eine in der Nähe angeordnete Messelektronik stören können. Im Allgemeinen kann Analoges für in Reihe geschaltete Stromquellen und Lasten gelten, in deren Nähe eine Elektronik angeordnet ist, die durch Magnetfelder gestört werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, elektrische Systeme mit hohen Strömen weniger störanfällig zu gestalten. Dies kann durch Reduzieren des Gesamtmagnetfeldes, das von den durch das elektrische System fließenden Strömen erzeugt wird, erfolgen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches System, das beispielsweise einen Energiespeicher in der Form einer Mehrzahl von Batterien und/oder Akkumulatoren bilden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrische System eine Mehrzahl von zweipoligen elektrischen Geräten (beispielsweise Batterien und/oder Akkumulatoren), die jeweils einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweisen. Die elektrischen Geräte sind über Verbindungen von einem ersten Pol mit einem zweiten Pol elektrisch in Reihe geschaltet. Derartige Verbindungen können beispielsweise Kabel und/oder Schienen umfassen. Die elektrischen Geräte sind in Lagen geometrisch in einer Gerätereihe angeordnet, wobei die ersten und zweiten Pole der elektrischen Geräte eine erste Polreihe und eine zweite Polreihe von Polen bilden, die entlang der Gerätereihe angeordnet sind.
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Ein erster (oder zweiter) Pol eines ersten elektrischen Geräts aus der ersten Polreihe ist dabei mit einem zweiten (oder ersten) Pol eines bezüglich der Gerätereihe übernächsten elektrischen Geräts aus der zweiten Polreihe elektrisch verbunden. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Polen jeweils mit einem übernächsten Pol aus der zweiten Polreihe elektrisch verbunden sein. Die Ströme in den jeweiligen elektrischen Verbindungen verlaufen somit zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gegenläufig, so dass die entstehenden Magnetfelder sich gegenseitig reduzieren. Das elektrische System umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungen mit (geometrisch) gegenläufigen Strömen.
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Durch eine möglichst antiparallele Anordnung der Leitungen können die aufgrund von Strömen entstehenden Magnetfelder weitestgehend eliminiert werden.
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Das elektrische System kann als Gerätepack bzw. Batteriepack ausgestaltet sein. Die Polreihen können auf einer Seite des elektrischen Systems angeordnet sein, so dass es beispielsweise möglich ist, die komplette Verdrahtung auf dieser Seite anzubringen. Dies kann einen sehr kompakten Aufbau ermöglichen. Es ergeben sich weitere Vorteile bei der Montage, da das elektrische System modular aufgebaut werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein erster Hauptpol für das elektrische System von einem bezüglich der Gerätereihe erstem elektrischen Gerät und ein zweiter Hauptpol von einem bezüglich der Gerätereihe zweitem elektrischen Gerät bereitgestellt. Diese Hauptpole können beispielsweise mit einer externen Last/Stromquelle verbunden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind eine bezüglich der Gerätereihe letztes elektrisches Gerät und ein bezüglich der Gerätereihe vorletztes elektrisches Gerät miteinander elektrisch verbunden. Die elektrischen Geräte können zwei Stapel bilden, wobei zwischen zwei elektrischen Geräten aus dem ersten Stapel jeweils ein elektrisches Gerät aus dem anderen Stapel angeordnet ist. Lediglich an einem Ende können die beiden Stapel elektrisch miteinander verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind außer dem letzten elektrischen Gerät und dem vorletzten elektrischen Gerät alle elektrischen Geräte lediglich mit einem übernächsten elektrischen Gerät elektrisch verbunden. Somit ist es möglich, dass die meisten elektrischen Verbindungen ein elektrisches Gerät überspringen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Geräte derart angeordnet, dass die erste Polreihe lediglich erste Pole umfasst und die zweite Polreihe lediglich zweite Pole umfasst. Die elektrischen Geräte (die gleichartig aufgebaut sein können) können jeweils in der gleichen Lage wie die anderen Geräte angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Geräte derart angeordnet, dass die erste Polreihe und die zweite Polreihe erste Pole und zweite Pole abwechselnd umfassen. Es ist alternativ auch möglich, dass zwei benachbarte Geräte jeweils antiparallel angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrische System ein Gleichstromsystem und die ersten Pole sind positive Pole und die zweiten Pole negative Pole. Auch ist es möglich, dass das elektrische System ein Wechselspannungssystem ist und zu einem Zeitpunkt die ersten Pole eine erste Spannung und die zweiten Pole eine zweite Spannung von entgegengesetzter Polarität zur ersten Spannung aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die elektrischen Geräte Stromquellen und/oder Stromlasten. Die Stromquellen können beispielsweise Batterien und/oder Akkumulatoren umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst jedes elektrische Gerät eine Mehrzahl von Zellen (beispielsweise Batteriezellen oder Akkumulatorzellen), die in Zellenreihen angeordnet sind, die in eine andere Richtung verlaufen als die Gerätereihe. Es ist zu verstehen, dass auch die Zellen analog den elektrischen Geräten verschaltet und miteinander verbunden sein können. Die Zellen können von unterschiedlichen Arten sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrische System wenigstens eine elektronische Einheit, die wenigstens einem elektrischen Gerät zugeordnet ist. Beispielsweise kann die elektronische Einheit in der Nähe oder bei den elektrischen Verbindungen angebracht werden, ohne dass sie vor zu großen Magnetfeldern geschützt werden muss.
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Weiter kann der Aufbau des elektrischen Systems bei einer Anordnung von elektrischen Geräten in Reihen- und Parallelschaltung und bei einer Anordnung von elektrischen Geräten in einer verteilten Reihen- und Parallelschaltung angewendet werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft einen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Batterien und/oder Akkumulatoren (beispielsweise Li-Ionen), die ein elektrisches System, so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist, bilden.
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Der Energiespeicher kann ein stationärer oder ein quasi-stationärer Energiespeicher sein. Auch kann ein derartiger Energiespeicher beispielsweise in einem Laptop zum Einsatz kommen. Weitere Anwendungen für den Energiespeicher sind Fahrzeuge, wie etwa Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, Schiffe, beispielsweise Sportboote oder Arbeitsschiffe.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1A zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht eines elektrischen Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1B zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht eines elektrischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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2A zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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2B zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3A zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3B zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein elektrisches Gerät für ein elektrisches System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein weiteres elektrisches Gerät für ein elektrisches System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1A zeigt ein elektrisches System 10, das eine Mehrzahl von (identisch oder gleichartig aufgebauten) elektrischen Geräten 12 umfasst, die jeweils ein quaderförmiges Volumen ausfüllen können. Beispielsweise umfasst ein elektrisches Gerät 12 ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 14. Die elektrischen Geräte 12 sind zu einem Stapel 16 zusammengefügt und in Lagen in einer Reihe 18 gestapelt.
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Wie in der 1A angedeutet, können die elektrischen Geräte 12 aufeinander in einer z-Richtung (beispielsweise einer vertikalen Richtung) angeordnet sein.
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An einer Seite weisen die elektrischen Geräte 12 einen ersten (positiven) Pol 20 und einen zweiten (negativen) Pol 22 auf, die bezüglich einer x-Richtung (beispielsweise einer horizontalen Richtung) nebeneinander angeordnet sind. Die Pole 20, 22 aller Geräte 12 sind alle an einer Seite angeordnet, die in eine y-Richtung weist, und sind aufgrund der in einer Reihe 18 angeordneten elektrischen Geräte 12 in einer ersten Polreihe 24 und einer zweiten Polreihe 26 angeordnet.
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In der 1A sind die elektrischen Geräte 12 (und deren Pole 20, 22) parallel zueinander ausgerichtet. Daher umfasst die erste Polreihe 24 lediglich erste Pole 20 und die zweite Polreihe 26 lediglich zweite Pole 22.
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Der Stapel 16 bzw. die Reihe 18 von elektrischen Geräten umfasst ein erstes elektrisches Gerät 12a und ein zweites elektrisches Gerät 12b, die an einem (oberen) Ende der Reihe 18 angeordnet sind. Der erste Pol 20 des ersten elektrischen Geräts 12a stellt einen ersten Hauptpol 28 des elektrischen Systems 10 und der zweite Pol des zweiten elektrischen Geräts 12b stellt einen zweiten Hauptpol 30 des elektrischen Systems 10 bereit.
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Die (geometrische bzw. bauliche) Reihe 18 von elektrischen Geräten 12 ist elektrisch in Reihe geschaltet. Dazu sind die Pole 20, 22 bzw. Hauptpole 28, 30 über elektrische Leitungen 32 miteinander verbunden.
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Um Magnetfelder zu reduzieren oder zu eliminieren, die durch Ströme durch die Leitungen 32 verursacht werden, sind viele der Verbindungen so ausgeführt, dass sie ein elektrisches Gerät 12 überspringen und dabei zwischen den Polreihen 24, 26 wechseln. Eine Mehrzahl erster Pole 20 aus der ersten Polreihe 24 ist jeweils mit einem übernächsten zweiten Pol 22 aus der zweiten Polreihe 26 elektrisch verbunden.
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Lediglich ein vorletztes elektrisches Gerät 12c und ein (benachbartes) letztes elektrisches Gerät 12d am anderen (unteren) Ende der Reihe 18 sind elektrisch miteinander verbunden.
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Die elektrischen Geräte 12 können jeweils eine Elektronikeinheit 34 umfassen, die beispielsweise die Ströme in den Leitungen 32 erfasst und/oder die eine Steuerung für das elektrische Gerät 12 umfassen kann.
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Die 1B zeigt ein elektrisches System 10, das die gleichen Komponenten wie das System 10 aus der 1A aufweisen kann. Das in der 1B gezeigte System 10 unterscheidet sich von dem in der 1A gezeigten dadurch, dass die elektrischen Geräte 12 (und somit die jeweiligen Pole 20, 22) antiparallel angeordnet sind. Auch auf diese Weise können die elektrischen Geräte 12 in Reihe geschaltet werden, wobei viele Leitungen 32 ein Gerät 12 überspringen können, so dass entstehende Magnetfelder reduziert werden können.
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Die 2A und 3A zeigen elektrische Systeme 10, bei denen die elektrischen Geräte 12 Batterien sind, die in einem Schichtaufbau angeordnet sind. Die Pole 20, 22 befinden sich an einer Seite, die in Richtung der z-Richtung weist. Analog der 1A sind die elektrischen Geräte 12 parallel zueinander angeordnet, was dazu führt, dass sich Leitungen 32, die ein Gerät 12 überspringen, wechselseitig überkreuzen. Derartige sich überkreuzende Leitungen 32 führen im Wesentlichen gegenläufige Ströme.
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Im Gegensatz zu der 1A (die eine Reihe von vier elektrischen Geräten zeigt), umfasst das System 10 der 2A eine (gerade) Anzahl von sechs elektrischen Geräten 12 und das System 10 der 3A eine (ungerade) Anzahl von sieben elektrischen Geräten 12.
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Die 2B und 3B zeigen elektrische Systeme 10 analog den 1B und 3B, die in der Weise der 1B verschaltet sind. Die antiparallele Anordnung von benachbarten elektrischen Geräten 12 und eine Verschaltung, die ein elektrisches Gerät 12 überspringt und dabei die Polreihe 24, 26 wechselt, führt dazu, dass Leitungen 32, die ein Gerät 12 überspringen, im Wesentlichen parallel zueinander (bzw. zumindest in eine ähnliche Richtung) verlaufen. Benachbarte Leitungen 32 führen dabei im Wesentlichen gegenläufige Ströme.
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Die 4 und 5 zeigen zwei Beispiele, wie ein elektrisches Gerät 12 aus einem der Systeme 10 aus den 1A bis 3B ausgeführt sein kann. Auch die Verschaltung der elektrischen Geräte 12 ist dahingehend optimiert, dass Magnetfelder möglichst stark reduziert werden.
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Das elektrische Gerät 12 der 4 umfasst dabei Batterien 40 (oder Batteriezellen 40), die zu einer Reihe 42 (hier mit 10 Batterien) zusammengefügt sind, die sich beispielsweise in der y-Richtung erstreckt. Im Allgemeinen können die Elemente 40 aber auch zweipolige elektrische Geräte bzw. Zellen (wie etwa Stromquellen und Stromlasten) sein.
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Die Batterien 40 sind dabei so angeordnet, dass die ersten Pole 44 und die zweiten Pole 46 der Batterien 40 zwei Polreihen 46, 48 bilden, die jeweils eine Folge von zwei ersten Polen 44 und zwei zweiten Polen 46 umfasst. Die Batterien sind in Reihe geschaltet, wobei ein erster Pol 44 aus einer der Polreihen 46, 48 mit einem übernächsten zweiten Pol 46 aus der gleichen Polreihe 46, 48 verbunden ist (beispielsweise mit einer Leitung 32, die ein Kabel oder eine Schiene (bzw. Kupferschiene) sein kann).
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Die ersten beiden Batterien 40 stellen dabei zwei Hauptpole 50, 53 bereit, die einen ersten Pol 20 und einen zweiten Pol 22 des elektrischen Geräts 12 bilden. Lediglich die beiden letzten Batterien 40 weisen eine elektrische Verbindung auf, die nicht eine Batterie 40 überspringt.
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Bei der in der 4 gezeigten Anordnung von Batterien 40 (genauso wie bei den elektrischen Systemen 10 der 1A bis 3B) wird der Strom von der ersten Batterie 40 (elektrischem Gerät 12a) zunächst bis zur letzten Batterie 40 (zum letzten elektrischen Gerät 12d) geleitet und anschließend in entsprechender Weise über die jeweils andere Batterien 40 (elektrischen Geräte 12) zurückgeleitet.
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Die 4 zeigt jedoch eine paarweise gleiche Anordnung benachbarter Batterien 40, also zweimal erster Pol 44 in der ersten Polreihe 48, dann zweimal erster Pol 44 in der zweiten Polreihe 50, usw. Auch durch diese Art der Stromführung kann bei geschickter Anordnung der Leitungen 32 eine weitgehende Eliminierung störender Magnetfelder erreicht werden.
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Die 5 zeigt ein elektrisches Gerät 12 mit einer Mehrzahl von Batterien 40, bei der drei Reihen 42 nebeneinander in einer x-Richtung angeordnet sind. Die Reihen 42 (die jeweils elf Batterien 40 umfassen) sind jeweils analog der 4 verschaltet und miteinander in Reihe geschaltet. Die Hauptpole 50, 52, die die Pole 20, 22 eines elektrischen Geräts bilden, werden von der ersten Batterie 40 der ersten Reihe und der letzten Reihe bereitgestellt.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
