DE102014216811A1 - Batteriemodulsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodulsystem umfassend ein Gehäuse (52) zur Aufnahme von mindestens zwei Batteriemodulen (10), wobei das Gehäuse (52) an einer Innenseite (54) Verbindungselemente (56) aufweist zur Aufnahme von Verbindungselementen (48) der Batteriemodule (10) um die Batteriemodule (10) im Gehäuse (52) zu fixieren, wobei die Batteriemodule (10) jeweils eine Endplatte (22, 36, 42) aufweisen auf dem die Verbindungselemente (48) der Batteriemodule (10) angeordnet sind. Dadurch kann ein vereinfachtes Batteriemodulsystem mit guten funktionellen Eigenschaften und weniger Bauteilen zur Verfügung gestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriemodulsystem.
  • Stand der Technik
  • Es sind verschiedene Batteriemodulsysteme bekannt, welche eine große Anzahl an unterschiedlichen Bauteilen umfassen. Weiterhin wird zur Befestigung eine Vielzahl an unterschiedlichen Befestigungs- und Rückhaltemitteln, einschließlich komplizierter Kabelbäume, komplexer Kühlsysteme und elektrischen Verbindungen zwischen den Batteriemodulen verwendet, wodurch das Gehäusedesign sehr komplex wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein vereinfachtes Batteriemodulsystem mit guten Eigenschaften und weniger Bauteilen zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodulsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Batteriemodulsystem umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme von mindestens zwei Batteriemodulen, wobei das Gehäuse an einer Innenseite Verbindungselemente aufweist zur Aufnahme von Verbindungselementen der Batteriemodule um die Batteriemodule im Gehäuse zu fixieren, wobei die Batteriemodule jeweils eine Endplatte aufweisen auf dem die Verbindungselemente der Batteriemodule angeordnet sind.
  • Insbesondere sind die Verbindungselemente des Gehäuses und die Verbindungselemente der Batteriemodule komplementäre Strukturen, wobei die Verbindungselemente des Gehäuses an der Innenseite des Gehäuses und die Verbindungselemente an den Batteriemodulen, vorzugsweise an den Endplatten angeordnet sind. Beispielsweise können die Verbindungselemente an der Innenseite des Gehäuses Löcher sein und die Verbindungselemente an den jeweiligen Endplatten der Batteriemodule können Stifte zum Einstecken in die Löcher des Gehäuses sein.
  • Dadurch kann auf einfache Weise ein Batteriemodulsystem aus mehreren Batteriemodulen zusammengebaut werden. Beispielsweise kann durch ein Stifte-Loch System eine zusätzliche Fixierung der Batteriemodule in dem Gehäuse des Batteriemodulsystems eingespart werden. Mit Hilfe der Verbindungselemente des Gehäuses und der Verbindungselemente der Batteriemodule können zusätzliche Arbeitsschritte zum Fixieren der Batteriemodule im Gehäuse des Batteriemodulsystems weggelassen werden, wodurch ein Zusammenbau des Batteriemoduls vereinfacht werden kann. Weiterhin kann dadurch das Batteriemodulsystem nach einem Betriebsleben einfacher recycelt werden. Weiterhin ist es möglich, sowohl das Gehäuse als auch viele Teile der Batteriemodule und des Batteriemodulsystems aus einem Kunststoff oder einem Polymer herzustellen, wodurch das Gewicht des Batteriemoduls verringert werden kann. Weiterhin können die Batteriemodule des Batteriesystems derart hergestellt werden, dass diese gleiche Bauteile verwenden. Dadurch kann das Batteriemodulsystem einfacher hergestellt werden, da überwiegend identische Bauteile verwendet werden. Weiterhin kann das Gehäuse derart ausgestaltet sein, dass es die Batteriemodule hermetisch umschließen kann, wobei lediglich Öffnungen für Anschlüsse in dem Gehäuse vorhanden sind, so dass die Batteriemodule ihre gespeicherte Energie nach außen abgeben können und falls nötig auch Kühlmittel in das Gehäuse geleitet werden kann.
  • Somit kann ein vereinfachtes Batteriemodulsystem mit aus fertigungstechnischersicht und funktional optimierten Eigenschaften und weniger Bauteilen zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse an der Innenseite weiterhin mindestens einen Modulverbinder, insbesondere einen Metallstreifen zur elektrischen Verbindung der Batteriemodule, wobei der Modulverbinder horizontal, vertikal und/oder in einer beliebigen Richtung an der Innenseite des Gehäuses angeordnet ist um die Batteriemodule elektrisch zu verbinden. Durch den Modulverbinder können die Batteriemodule innerhalb des Gehäuses parallel oder in Serie geschaltet werden, so dass nur ein Kontakt an der Außenseite des Gehäuses nötig ist, um die gespeicherte Energie der Batteriemodule zu verwenden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Batteriemodule jeweils an der Endplatte mindestens einen Kontakt aufweisen zur Verbindung mit dem Modulverbinder. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass beim Einstecken der Batteriemodule in das Gehäuse, die Batteriemodule durch die Modulverbinder elektrisch kontaktiert werden können. Dadurch kann ein Arbeitsschritt zum Kontaktieren der einzelnen Batteriemodule untereinander eingespart werden.
  • Vorzugsweise sind die Batteriemodule vertikal aufeinander und/oder horizontal nebeneinander im Gehäuse angeordnet. Auf diese Weise kann die Anordnung der Batteriemodule im Gehäuse und die Form des Gehäuses dem Bauraum für das Batteriemodulsystem angepasst werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse an einer zweiten Seite und einer der zweiten Seite gegenüberliegenden dritten Seite Schienen auf zur Einführung und Aufnahme der Batteriemodule in das Gehäuse, wobei die zweite Seite und die dritte Seite jeweils rechtwinklig von der Seite mit den Verbindungselementen des Gehäuses abgewinkelt sind. Insbesondere können die Batteriemodule ebenfalls Schienen aufweisen, so dass die Schienen der Batteriemodule auf den Schienen des Gehäuses verschoben werden können. Auf diese Weise kann auf einfache Weise ein Einführen der Batteriemodule in das Gehäuse vereinfacht werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Batteriemodule an der Endplatte zur Verbindung mit dem Gehäuse eine Verbindung für ein Cell Supervising Center aufweisen. Der Begriff Cell Supervising Center beschreibt hierbei ein Überwachungssystem zur Überwachung der Batteriezellen eines Batteriemoduls. Jedes Batteriemodul kann mehrere Batteriezellen aufweisen. Mit Hilfe des Cell Supervising Centers kann jede einzelne Batteriezelle auf Fehler überprüft werden. Die Verbindung für ein Cell Supervising Centers kann beispielsweise über Kanäle in der Endplatte zur Leitungsführung der Cell Supervising Center-Verbindung in Form eines Verbindungskabels hergestellt werden. Auf diese Weise kann die Batteriezelle überwacht werden, so dass Fehlfunktionen des Batteriemodulsystems während des Betriebes vermieden werden können.
  • Vorzugsweise umfassen die Batteriemodule jeweils eine Kühlplatte. Mit Hilfe einer Kühlplatte kann jedes Batteriemodul gegen Überhitzung geschützt werden. Insbesondere kann die Kühlplatte derart angeordnet sein, dass die Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls auf der Kühlplatte angeordnet sind, um die im Betrieb entstehende Wärme an die Kühlplatte abzugeben. Weiterhin kann die Kühlplatte auch unterhalb eines Trägerrahmens des Batteriemoduls angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Kühlplatte kann die Kühlplatte aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, aus einem Kohlenstoff, wie Graphit, aus einem Polymer und/oder aus einem Verbundwerkstoff hergestellt werden. Insbesondere kann die Kühlplatte aus einem Kunststoff oder Polymer hergestellt sein, um das Gesamtgewicht des Batteriemodulsystems zu verringern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Batteriemodule jeweils mindestens einen Kühlmittelanschluss auf zur Versorgung der jeweiligen Kühlplatte mit Kühlflüssigkeit. Insbesondere können die Kühlmittelanschlüsse an einer anderen Seite angeordnet sein als die elektrischen Kontakte der jeweiligen Batteriemodule um bei einem Undichten Kühlmittelanschluss ein Kontakt der elektrischen Anschlüsse mit der Kühlflüssigkeit zu vermeiden. Weiterhin können die Kühlmittelanschlüsse und die elektrischen Kontakte jeweils an der gleichen Seite angeordnet sein, so dass das Gehäuse des Batteriemodulsystems nur eine Seite mit Öffnungen für die elektrische Kontakte und Kühlmittelanschlüsse der Batteriemodule aufweisen kann. Weiterhin können die Kühlmittelanschlüsse alle mit dem gleichen Kühlmittelkreislauf verbunden werden, so dass der Kühlmittelkreislauf, durch den Wegfall des Kühlmittelverteilers vereinfacht werden kann. Es kann dann nicht mehr nötig sein für jedes Batteriemodul im Batteriemodulsystem einen eigenen Kühlkreislauf zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist bevorzugt, dass die Batteriemodule über Befestigungsmittel, insbesondere über Schrauben, miteinander verbunden sind. Insbesondere können die Batteriemodule über Befestigungsklammern durch die Befestigungsmittel verbunden sein. Die Befestigungsklammern können aus einem Metall oder aus einem Polymer hergestellt sein. Auf diese Weise können die Batteriemodule vor einem Einsetzen in das Gehäuse des Batteriemodulsystems miteinander verbunden werden und dann als ein gesamtes Batteriemodulpack in das Gehäuse eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise sind ein Battery Control Unit und ein Battery Disconnect Unit zur Steuerung des Batteriemodulsystems in einem einzelnen Bauteil integriert, wobei das Bauteil die gleichen Abmessungen wie ein Batteriemodul aufweist. Der Begriff Battery Control Unit beschreibt eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung und Regelung einer nachladbaren Batterie-, also eines Akkumulatorsystems dient. Die Notwendigkeit einer Battery Control Unit ergibt sich bei der Zusammenschaltung mehrerer Akkuzellen zu einer Batterie. Das Battery Control Unit soll dabei die unvermeidbaren fertigungsbedingten Streuungen verschiedener Parameter der Akkuzellen, etwa Kapazität und Leckströme, erkennen, überwachen und ausregeln. Teilweise werden auch Betriebsdaten angezeigt oder für Servicezwecke gespeichert. Der Begriff Battery Disconnect Unit beschreibt eine elektrische Schaltung, welche Sicherheitseinstellungen umfasst zum Trennen und Abschalten des Batteriemodulsystems. Durch eine Integration der Battery Control Unit und der Battery Disconnect Unit im Batteriemodulsystem kann die Sicherheit des Batteriemodulsystems verbessert werden. Weiterhin kann durch ein Bauteil in der gleichen Größe wie ein Batteriemodul des Batteriemodulsystems, welche die Battery Control Unit und das Battery Disconnect Unit aufweist, ermöglicht werden, dass das Bauteil in ein bestehendes Batteriemodulsystem integriert werden kann. Ferner ist eine Anpassung des Gehäuses des Batteriemodulsystems an eine Bauform eines Bauteils mit dem Battery Control Unit und dem Battery Disconnect Unit nicht nötig.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
  • 1 einen Aufbau eines Batteriemoduls;
  • 2 einen Aufbau eines Bauteils mit einem Battery Control Unit und einem Battery Disconnect Unit;
  • 3 einen Aufbau eines Batteriemoduls von der Seite;
  • 4 eine Ansicht einer Endplatte eines Batteriemoduls;
  • 5 eine weitere Ausführungsform einer Endplatte eines Batteriemoduls;
  • 6 eine weitere Ausführungsform einer Endplatte eines Batteriemoduls;
  • 7 eine Ansicht von zwei vertikal aufeinander angeordneten Batteriemodulen;
  • 8 eine Teilansicht eines Gehäuses;
  • 9 eine Teilansicht eines Gehäuses in dem mehrere Batteriemodule angeordnet sind;
  • 10 eine Seitenansicht eines Modulverbinders;
  • 11 eine weitere Ausführungsform eines Modulverbinders;
  • 12 eine Detailzeichnung eines Kühlmittelanschlusses für eine Kühlplatte; und
  • 13 eine weitere Ausführungsform einer Detailzeichnung eines Kühlmittelanschlusses für eine Kühlplatte.
  • 1 zeigt eine Explosionsansicht eines Batteriemoduls 10. Das Batteriemodul 10 umfasst mehrere Batteriezellen 12, welche zwischen oberen Befestigungsklammern 14 und einer Kühlplatte 16 angeordnet sind. Die Kühlplatte 16 ist an der von den Batteriezellen 12 abgewandten Seite an unteren Befestigungsklammern 18 angeordnet. Die unteren Befestigungsklammern 18 weisen Verbindungselemente 20 in Form von Zapfen zur Verbindung mit anderen Batteriemodulen 10 auf. Weiterhin weist das Batteriemodul 10 eine Endplatte 22 auf.
  • 2 zeigt ein Bauteil 24 in dem ein Battery Control Unit und ein Battery Disconnect Unit zur Steuerung eines Batteriemodulsystems integriert sind. Das Bauteil weist untere Befestigungsklammern 18 mit Verbindungselementen 20 in Form von Zapfen auf. Weiterhin weist das Bauteil 24 Anschlüsse für Hochspannung 26 und Niederspannung 28 auf.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 10. Das Batteriemodul 10 umfasst mehrere Batteriezellen 12, welche an der Seite der oberen Befestigungsklammern 14 elektrische Anschlüsse 30 aufweisen. Die elektrischen Anschlüsse 30 können untereinander und mit der Endplatte 22 mit Verbindungen in Form von Drähten 32 verbunden sein.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf die Endplatte 22 des Batteriemoduls 10. Es ist erkennbar, dass in der Endplatte 22 vier Verbindungselemente 48 in Form von Stiften angeordnet sind. Weiterhin weist die Endplatte 22 einen elektrischen Kontakt 34 auf, welcher über die in 3 gezeigte Verbindung in Form von Drähten 32 mit den elektrischen Anschlüssen 30 der Batteriezellen 12 verbunden werden kann.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht einer Endplatte 36. Die Endplatte 36 weist einen elektrischen Kontakt in Form einer Metallklammer 38 auf. An der Metallklammer 38 sind Verbindungen 32 in Form von Drähten angebracht, um mit nicht gezeigten Anschlüssen der Batteriezellen verbunden zu werden. Weiterhin weist die Endplatte 36 Kanäle 40 für eine Verbindung in Form von nicht gezeigten Kabeln an einen nicht gezeigten Cell Supervising Center auf.
  • 6 zeigt einen Ausschnitt für eine weitere Ausführungsform einer Endplatte 42. Die Endplatte 42 weist eine Aussparung 44 zur Aufnahme eines Modulverbinders 46 auf. Der Modulverbinder 46 wird mit einer Öffnung in dem elektrischen Kontakt 34 verbunden. Das Verbinden wird mit Hilfe der gestrichelten Linie A dargestellt. Weiterhin weist die Endplatte 42 die Verbindung 32 in Form von Drähten auf, um mit nicht gezeigten Batteriezellen 12 verbunden zu werden.
  • 7 zeigt eine Ansicht von zwei vertikal aufeinander gestapelten Batteriemodulen 10. Die Batteriemodule 10 weisen jeweils eine Endplatte 22 auf, auf der jeweils vier Verbindungselemente 48 in Form von Stiften zum Verbinden mit einem nicht gezeigten Gehäuse angeordnet sind. Weiterhin sind an den jeweiligen Kühlplatten 16 Kühlmittelanschlüsse 50 vorgesehen, um ein Kühlmittel in die Kühlplatten 16 hinein und heraus zu fördern.
  • 8 zeigt einen Ausschnitt einer Teilansicht eines Gehäuses 52. Die Teilansicht des Gehäuses stellt lediglich drei Seiten dar. Zur besseren Übersicht wurden die anderen drei Seiten des Gehäuses 52 weggelassen. An der Innenseite 54 des Gehäuses 52 sind mehrere Verbindungselemente 56 in Form von Löchern angeordnet um nicht dargestellte Verbindungselemente in Form von Stiften von den nicht dargestellten Batteriemodulen aufzunehmen. Weiterhin ist an der Innenseite 54 ein Modulverbinder 58 in Form einer Klammer angeordnet um nicht dargestellte Batteriemodule durch Kontakt an den nicht dargestellten elektrischen Kontakten an den nicht dargestellten Endplatten der nicht dargestellten Batteriemodule zu verbinden. An der Seite des Gehäuses 52 mit der Innenseite 54 sind jeweils rechtwinklig eine zweite Seite 60 und eine der zweiten Seite 60 gegenüberliegende dritte Seite 62 angeordnet. Die zweite Seite 60 und die dritte Seite 62 weisen jeweils Schienen 64 auf, um die nicht dargestellten Batteriemodule in das Gehäuse 52 einzuführen und aufzunehmen. Beispielsweise können die Befestigungsklammern 14 und 18 des in 1 dargestellten Batteriemoduls in die Schienen 64 eingeschoben werden.
  • 9 zeigt einen weiteren Ausschnitt des Gehäuses 52 in einer anderen Ansicht. In der Ansicht wurde die Seite mit der Innenseite 54 weggelassen. Weiterhin wurde nicht die Seite dargestellt welche die Batteriemodule 10 von oben und von unten abdeckt. Die nicht dargestellte Seite des Gehäuses 52, welche die Batteriemodule 10 von oben abdecken soll weist Öffnungen für die nicht gezeigten Hochspannungsanschlüsse 26 und Niederspannungsanschlüsse 28 auf, wenn ein Bauteil 24 für ein Battery Control Unit und ein Battery Disconnect Unit zur Steuerung eines Batteriemodulsystems in dem Gehäuse 52 eingebaut ist. Zur Sicherung der Batteriemodule 10 werden die Schrauben 66 durch die Befestigungsklammern 14 und den in 9 verdeckten Befestigungsklammern 18 geführt.
  • 10 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung eines Modulverbinders 46, das mit einem elektrischen Kontakt 34 eines Batteriemoduls 10 in Verbindung gebracht wird. Die Verbindung wird mit Hilfe von Füßen 68 ermöglicht, welche in die elektrischen Kontakte 34 der jeweiligen Batteriemodule 10 gebracht werden. In 10 ist nur ein Ausschnitt eines Batteriemoduls 10 dargestellt.
  • 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Modulverbinders 70. Der Modulverbinder 70 weist eine C-Form auf um nebeneinanderliegende Module zu verbinden.
  • 12 zeigt eine Seitenansicht für einen Kühlmittelanschluss über eine Kühlmittelleitung 78 für eine Kühlplatte 16. Es ist erkennbar, dass der Kühlmittelanschluss 50 aus der Gehäuseseite mit der Innenseite 54 herausragt. Um eine Dichtheit zu gewährleisten, ist eine Dichtung 72 zwischen der Gehäuseseite mit der Innenseite 54 und dem Anschluss 50 für das Kühlmittel angeordnet. Weiterhin weist der Kühlmittelanschluss 50 eine Öffnung 74 mit einer Dichtung 76 auf. In die Öffnung 74 wird eine Kühlmittelleitung 78 eingeführt um Kühlmittel über den Kühlmittelanschluss 50 in die Kühlplatte 16 hineinzuführen oder auszuführen.
  • 13 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine Kühlmittelverteilung für eine Kühlplatte 16. In dieser Ausführungsform weist der Kühlmittelanschluss 80 keine eigene Dichtung auf.

Claims (10)

  1. Batteriemodulsystem umfassend ein Gehäuse (52) zur Aufnahme von mindestens zwei Batteriemodulen (10), wobei das Gehäuse (52) an einer Innenseite (54) Verbindungselemente (56) aufweist zur Aufnahme von Verbindungselementen (48) der Batteriemodule (10) um die Batteriemodule (10) im Gehäuse (52) zu fixieren, wobei die Batteriemodule (10) jeweils eine Endplatte (22, 36, 42) aufweisen auf dem die Verbindungselemente (48) der Batteriemodule (10) angeordnet sind.
  2. Batteriemodulsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (52) an der Innenseite (54) weiterhin mindestens ein Modulverbinder (46, 58, 70), insbesondere einen Metallstreifen, umfasst zur elektrischen Verbindung der Batteriemodule (10), wobei der Modulverbinder (46, 58, 70) horizontal, vertikal und/oder in einer beliebigen Richtung an der Innenseite (54) des Gehäuses (52) angeordnet ist um die Batteriemodule (10) elektrisch zu verbinden.
  3. Batteriemodulsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) jeweils an der Endplatte (22, 36, 42) mindestens einen Kontakt (38) aufweist zur Verbindung mit dem Modulverbinder (46, 58, 70).
  4. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) vertikal aufeinander und/oder horizontal nebeneinander im Gehäuse (52) angeordnet sind.
  5. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (52) an einer zweiten Seite (60) und einer der zweiten Seite (60) gegenüberliegenden dritten Seite (62) Schienen (64) aufweist zur Einführung und Aufnahme der Batteriemodule (10) in das Gehäuse (52), wobei die zweite Seite (60) und die dritte Seite (62) jeweils rechtwinklig von der Innenseite (54) mit den Verbindungselementen (56) des Gehäuses (52) abgewinkelt sind.
  6. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) an der Endplatte (22, 36, 42) zur Verbindung mit dem Gehäuse (52) eine Verbindung für ein Cell Supervising Center aufweisen.
  7. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) jeweils eine Kühlplatte (16) umfassen.
  8. Batteriemodulsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) jeweils mindestens einen Kühlmittelanschluss (50, 80) aufweisen zur Versorgung der jeweiligen Kühlplatte (16) mit Kühlflüssigkeit.
  9. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) über Befestigungsmittel, insbesondere über Schrauben, miteinander verbunden sind.
  10. Batteriemodulsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batterie Control Unit und ein Battery Disconnect Unit zur Steuerung des Batteriemodulsystems in einem einzelnen Bauteil (24) integriert sind, wobei das Bauteil (24) die gleichen Abmessungen wie ein Batteriemodul (10) aufweist.
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