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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das mehrere Batteriezellen, welche jeweils ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweisen, zwei Endplatten, zwischen welchen die Batteriezellen angeordnet sind, sowie ein negatives Kontaktelement und ein positives Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriepack, das mindestens zwei miteinander kontaktierte Batteriemodule umfasst.
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Stand der Technik
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Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
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In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybrid Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle ist in der
DE 10 2012 217 451 A1 offenbart. Die Batteriezelle weist ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus einem Metall gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Batteriezelle weist dabei ein positives Terminal und ein negatives Terminal zur elektrischen Kontaktierung auf.
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Mehrere Batteriezellen werden zu einem Batteriemodul mechanisch zusammengefasst. Dabei werden die Batteriezellen auch elektrisch miteinander verschaltet. Dazu werden die Terminals der Batteriezellen mittels Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden.
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Mehrere Batteriemodule werden zu einem Batteriepack zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dabei werden die Batteriemodule auch elektrisch miteinander verschaltet. Dazu wird je ein Terminal der jeweils am Rand gelegenen Batteriezellen eines Batteriemoduls mittels eines Kontaktelements mit einen Terminal einer Batteriezelle eines anderen Batteriemoduls elektrisch verbunden.
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Aus der Druckschrift
KR 10-0771223 ist ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei die Terminals der Batteriezellen mittels schraubbaren Zellverbindern verbunden sind. Die Batteriezellen sind mittels umlaufender Spannbänder mechanisch verbunden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 222 712 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, deren Terminals eine konturierte Vertiefung aufweisen. Zur Verbindung von Terminals sind Zellverbinder vorgesehen, welche formschlüssig in die Vertiefung eines Terminals eingreifen.
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Aus der Druckschrift
JP 2013-41774 A1 ist ein Batteriepack mit mehreren Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen, bekannt. Zur elektrischen Kontaktierung eines Batteriemoduls mit einem anderen Batteriemodul sind Kontaktelemente vorgesehen, welche als elastisch verformbare Steckkontakte ausgebildet sind.
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Auch aus der Druckschrift
US 2012/0156537 geht ein Batteriepack mit mehreren Batteriemodulen, welche jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen, hervor. Dabei sind die Batteriemodule elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, das mehrere Batteriezellen, welche jeweils ein negatives Terminal und ein positives Terminal aufweisen, zwei Endplatten, zwischen welchen die Batteriezellen angeordnet sind, sowie ein negatives Kontaktelement und ein positives Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des Batteriemoduls umfassen. Die Kontaktelemente sind dabei als Steckkontakte ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist jedes der Kontaktelemente mechanisch mit einem Fixierungselement verbunden, welches zur Fixierung der Batteriezellen mit den Endplatten dient. Das Batteriemodul umfasst dabei vorzugsweise mehrere Fixierungselemente zur mechanischen Fixierung, beziehungsweise Befestigung der Batteriezellen zwischen den Endplatten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das negative Kontaktelement und das positive Kontaktelement als zueinander komplementäre Steckkontakte ausgeführt. Zur mechanischen und elektrischen Verbindung zweier Batteriemodule in einem Batteriepack kann dann das negative Kontaktelement des einen Batteriemoduls mit dem positiven Kontaktelement des anderen Batteriemoduls durch Einstecken mechanisch und elektrisch verbunden werden.
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Vorzugsweise erstrecken die Kontaktelemente sich entlang der in einer Reihe angeordneten Batteriezellen in eine Längsrichtung. Auch die Fixierungselemente, die von einer Endplatte zu der anderen Endplatte reichen, erstrecken sich in Längsrichtung entlang der Batteriezellen.
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Vorteilhaft bildet das negative Kontaktelement eine Führung für das positive Kontaktelement. Ebenso vorteilhaft bildet das positive Kontaktelement eine Führung für das negative Kontaktelement. Somit sind zwei miteinander kontaktierte Kontaktelemente relativ zueinander in Längsrichtung translatorisch verschiebbar sind. Somit können bei der Montage zwei miteinander zu kontaktierende Batteriemodule relativ zueinander in Längsrichtung translatorisch verschoben und dadurch relativ zueinander positioniert, beziehungsweise ausgerichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind das negative Kontaktelement und das positive Kontaktelement in eine Richtung ineinander einsteckbar, welche sich rechtwinklig zu der Längsrichtung erstreckt. Somit können bei der Montage zwei miteinander zu kontaktierende Batteriemodule zunächst durch Stecken mechanisch und elektrisch miteinander verbunden und anschließend durch translatorische Verschiebung relativ zueinander in Längsrichtung ausgerichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Endplatten jeweils ein Anschlusselement auf, welches elektrisch mit einem Terminal einer Batteriezelle verbunden ist. Dabei ist das Anschlusselement der einen Endplatte mit dem negativen Terminal von einer Batteriezelle elektrisch verbunden, und das Anschlusselement der anderen Batteriezelle ist mit dem positiven Terminal von einer anderen Batteriezelle elektrisch verbunden.
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Vorteilhaft ist dabei das Anschlusselement der Endplatte elektrisch mit einem der Kontaktelemente verbunden. Insbesondere ist das positive Kontaktelement über das Anschlusselement der einen Endplatte mit dem positiven Terminal von einer Batteriezelle elektrisch verbunden, und das negative Kontaktelement ist über das Anschlusselement der anderen Endplatte mit dem negativen Terminal von einer anderen Batteriezelle elektrisch verbunden.
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Vorzugsweise sind die Fixierungselemente dabei mechanisch mit den Endplatten verbunden. Somit bildet das Batteriemodul einen verhältnismäßig stabilen Verbund aus den beiden Endplatten, den Batteriezellen und den Fixierungselementen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Batteriepack, welches mindestens zwei erfindungsgemäße, miteinander kontaktierte, Batteriemodule umfasst. Dabei ist das negative Kontaktelement des einen Batteriemoduls mit dem positiven Kontaktelement des anderen Batteriemoduls kontaktiert.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul sowie ein erfindungsgemäßes Batteriepack finden vorteilhaft Verwendung insbesondere in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie oder in einer Batterie in einer marinen Anwendung.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Batteriemoduls sind mehrere Batteriemodule verhältnismäßig einfach miteinander elektrisch und mechanisch zu einem Batteriepack verbindbar. Insbesondere sind verhältnismäßig aufwendige Verbindungstechniken wie beispielsweise Schweißen, Bonden oder Schrauben zur Verbindung von Batteriemodulen nicht erforderlich. Dadurch ist die Montage eines Batteriepacks in kürzerer Zeit und damit kostengünstiger als aus dem Stand der Technik bekannt, realisierbar. Ferner sind die zu einem Batteriepack verbundenen Batteriemodule auch, falls erforderlich, verhältnismäßig einfach voneinander lösbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische, schematische, teilgeschnittene Darstellung eines einzelnen Batteriemoduls,
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2 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Batteriepacks mit zwei kontaktierten Batteriemodulen und
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3 eine schematische Darstellung eines ersten und eines zweiten Fixierungselements mit zugehörigen Kontaktelementen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine perspektivische, schematische, teilgeschnittene Darstellung eines einzelnen Batteriemoduls 60. In der gezeigten Darstellung ist dabei eine Endplatte 58 des Batteriemoduls 60 derart geschnitten, dass ein innerhalb der Endplatte 58 vorgesehenes Anschlusselement 56, auf dessen Funktion später eingegangen wird, sichtbar ist.
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Das Batteriemodul 60 umfasst mehrere Batteriezellen 2, welche sich in einer Reihe in eine Längsrichtung x erstrecken. Am Anfang und am Ende der besagten Reihe ist jeweils eine Endplatte 58 vorgesehen. Die Batteriezellen 2 sind somit zwischen den Endplatten 58 angeordnet.
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Zur Fixierung der Batteriezellen 2 miteinander, sowie mit den Endplatten 58, ist ein erstes Fixierungselement 31 vorgesehen. Das erste Fixierungselement 31 erstreckt sich dabei in Längsrichtung x von einer Endplatte 58 zu der anderen Endplatte 58 entlang der Reihe von Batteriezellen 2.
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Ebenso ist zur Fixierung der Endplatten 58 und der Batteriezellen 2 ein zweites Fixierungselement 32 vorgesehen, welches sich in Längsrichtung x von einer Endplatte 58 zu der anderen Endplatte 58 entlang der Reihe von Batteriezellen 2 erstreckt.
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Das erste Fixierungselement 31 und das zweite Fixierungselement 32 verlaufen beide in Längsrichtung x, also parallel zueinander. Das erste Fixierungselement 31 und das zweite Fixierungselement 32 sind dabei in eine Querrichtung y voneinander beabstandet angeordnet.
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Zur mechanischen Fixierung der Endplatten 58 und der Batteriezellen 2 ist ferner ein drittes Fixierungselement 33 vorgesehen. Auch das dritte Fixierungselement 33 verläuft in Längsrichtung x und somit parallel zu dem ersten Fixierungselement 31 und dem zweiten Fixierungselement 32. Das dritte Fixierungselement 33 ist von dem ersten Fixierungselement 31 in eine Vertikalrichtung z beabstandet angeordnet.
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Ferner ist ein viertes Fixierungselement 34 vorgesehen, welches ebenfalls in Längsrichtung x verläuft und somit parallel zu dem ersten Fixierungselement 31, dem zweiten Fixierungselement 32 und dem dritten Fixierungselement 33. Das vierte Fixierungselement 34 ist in Vertikalrichtung z von dem zweiten Fixierungselement 32 beabstandet angeordnet. Ebenso ist das vierte Fixierungselement 34 in Querrichtung y von dem dritten Fixierungselement 33 beabstandet angeordnet.
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Die Längsrichtung x, die Querrichtung y und die Vertikalrichtung z sind dabei jeweils rechtwinklig zueinander orientiert.
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Jede der Batteriezellen 2 weist ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12 auf. Die Batteriezellen 2 sind dabei derart angeordnet, dass jeweils das negative Terminal 11 von einer Batteriezelle 2 neben dem positiven Terminal 12 der benachbarten Batteriezelle 2 liegt. Jeweils ein negatives Terminal 11 einer Batteriezelle 2 ist mittels eines hier nicht dargestellten Zellverbinders mit dem positiven Terminal 12 der benachbarten Batteriezelle 2 verbunden. Auf diese Art entsteht eine Serienschaltung aller Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 60.
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In jeder Endplatte 58 ist ein Anschlusselement 56 angeordnet. In der gezeigten Darstellung ist das Anschlusselement 56 in der vorderen Endplatte 58, welche entsprechend geschnitten dargestellt ist, sichtbar. Das Anschlusselement 56 umfasst einen positiven Anschlussleiter 16, welcher sich von dem Anschlusselement 56 in Vertikalrichtung z nach oben bis zu einem Rand der Endplatte 58 erstreckt. Der positive Anschlussleiter 16 des Anschlusselements 56 ist mit dem positiven Terminal 12 der in der gezeigten Darstellung vorderen Batteriezelle 2 verbunden.
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In der in der gezeigten Darstellung hinteren Endplatte 58 ist ebenfalls ein Anschlusselement 56 vorgesehen, welches in der gezeigten Darstellung nicht sichtbar ist. Das Anschlusselement 56 in der hinteren Endplatte 58 ist mittels eines ebenfalls nicht sichtbaren negativen Anschlussleiters mit dem negativen Terminal 11 der in der gezeigten Darstellung hinteren Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
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Das erste Fixierungselement 31 ist mechanisch mit einem negativen Kontaktelement 41 verbunden. Ebenso ist das zweite Fixierungselement 32 mechanisch mit einem positiven Kontaktelement 42 verbunden. Die Kontaktelemente 41, 42 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, insbesondere einem Metall.
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Das positive Kontaktelement 42 ist mittels eines positiven Kontaktstiftes 46 mit dem Anschlusselement 56 in der vorderen Endplatte 58 verbunden. Ebenso ist das negative Kontaktelement 41 mittels eines in dieser Darstellung nicht sichtbaren negativen Kontaktstiftes 45 mit dem Anschlusselement 56 in der hinteren Endplatte 58 elektrisch verbunden.
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2 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Batteriepacks 50, welches zwei miteinander kontaktierte Batteriemodule 60 umfasst. Die beiden Batteriemodule 60 sind dabei in Querrichtung y nebeneinander angeordnet und elektrisch sowie mechanisch miteinander verbunden.
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Die beiden dargestellten Batteriemodule 60 sind derart miteinander verbunden, dass das erste Fixierungselement 31 von einem Batteriemodul 60 in das zweite Fixierungselement 32 des anderen Batteriemoduls 60 eingreift. Ferner ist durch diese Art der Verbindung das negative Kontaktelement 41 von einem Batteriemodul 60 mit dem positiven Kontaktelement 42 des anderen Batteriemoduls 60 verbunden. Das negative Kontaktelement 41 und das positive Kontaktelement 42 sind dabei als zueinander komplementäre Steckkontakte ausgeführt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Fixierungselements 31 mit einem zugehörigen negativen Kontaktelement 41 und eines zweiten Fixierungselements 32 mit einem zugehörigen positiven Kontaktelement 42. In der gezeigten Darstellung sind die besagten Fixierungselemente 31, 32 in Vertikalrichtung z voneinander beabstandet und somit sind die Kontaktelemente 41, 42 noch nicht miteinander verbunden.
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An dem ersten Fixierungselement 31 ist, wie bereits erwähnt, das negative Kontaktelement 41 befestigt. Ferner ist an dem ersten Fixierungselement 31 der bereits erwähnte negative Kontaktstift 45 befestigt, welcher zur Verbindung des ersten Fixierungselements 31 mit dem Anschlusselement 56 in der hinteren Endplatte 58 dient.
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An den zweiten Fixierungselementen 32 ist das bereits erwähnte positive Kontaktelement 42 befestigt. Ebenso ist an dem zweiten Fixierungselement 32 der positive Kontaktstift 46 befestigt, welcher zur Verbindung des zweiten Fixierungselements 32 mit dem Anschlusselement 56 in der vorderen Endplatte 58 dient.
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Das negative Kontaktelement 41 und das positive Kontaktelement 42 sind dabei, wie bereits erwähnt, als zueinander komplementäre Steckkontakte ausgeführt. Dabei sind das negative Kontaktelement 41 und das positive Kontaktelement 42 in eine Richtung senkrecht zu der Längsrichtung x, insbesondere in Vertikalrichtung z, ineinander einsteckbar.
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Das negative Kontaktelement 41 ist derart gestaltet, dass es eine Führung für das positive Kontaktelement 42 in Längsrichtung x darstellt. Ebenso ist das positive Kontaktelement 42 derart ausgestaltet, dass es eine Führung für das negative Kontaktelement 41 in Längsrichtung x darstellt. Die miteinander verbundenen Kontaktelemente 41, 42 sind somit in Längsrichtung x relativ zueinander translatorisch verschiebbar.
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Besagter Aufbau der Kontaktelemente 41, 42 gestattet, bei der Montage des Batteriepacks 50 zwei miteinander zu kontaktierende Batteriemodule 60 zunächst durch Stecken der Kontaktelemente 41, 42 ineinander mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden. Anschließend können die miteinander zu kontaktierenden Batteriemodule 60 durch eine translatorische Verschiebung der Kontaktelemente 41, 42 relativ zueinander in Längsrichtung x ausgerichtet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012217451 A1 [0004]
- KR 10-0771223 [0007]
- DE 102012222712 A1 [0008]
- JP 2013-41774 A1 [0009]
- US 2012/0156537 [0010]
