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Die Erfindung betrifft ein Berstplättchen für eine Fahrzeugbatterie, eine Bersteinrichtung für eine Fahrzeugbatterie, ein Verfahren zum Bereitstellen eines Berstplättchens sowie eine Fahrzeugbatterie mit einem Berstplättchen.
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Aus der
EP 3 482 431 B1 ist eine Batteriezelle mit einem Gehäuseteil bekannt, wobei in dem Gehäuseteil ein Loch vorgesehen ist, über das in einem Fehlerfall Druck in eine Umgebung entweichen kann. Dabei ist ein plättchenartiges Berstelement vorgesehen, welches das Loch vollständig überdeckt. Ein Randbereich des Berstelements ist umlaufend mit einem sich um das Loch herum erstreckenden Randbereich des Gehäuseteils verbunden, wodurch das Loch fluiddicht verschlossen ist. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks im Innenraum der Batteriezelle versagt eine Verbindung zwischen dem Berstelement und dem Gehäuseteil und das Berstelement löst sich teilweise oder vollständig von dem Gehäuseteil. Das Gehäuseteil besteht aus einem Kunststoffmaterial und das plättchenartige Berstelement besteht aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2013 216 076 A1 eine Batteriezelle mit einem die Batteriezelle umgebenden Zellgehäuse bekannt, wobei die Batteriezelle ein Sicherheitsventil zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck umfasst. Ein verformbarer Teil des Zellgehäuses umfasst ein in eine Zellgehäuseöffnung integriertes Zusatzelement, welches ein eine Ventilöffnung des Sicherheitsventils verschließendes Berstelement ist. Das Berstelement ist dabei als Berstscheibe ausgebildet. Die die Ventilöffnung verschließende Berstscheibe dient dabei als Sicherheitsventil der Batteriezelle zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche ein gezieltes Versagen einer Bersteinrichtung für eine Fahrzeugbatterie bei einem definierten vorgegebenen Grenzdruck ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Die Erfindung betrifft ein Berstplättchen für eine Fahrzeugbatterie, insbesondere einen Hochvoltspeicher, welches dazu eingerichtet ist, bei Erreichen eines vorgegebenen Überdrucks zu versagen. Das Berstplättchen weist wenigstens einen ersten Bereich mit einer ersten Wandstärke und wenigstens einen zweiten Bereich mit einer im Vergleich zur ersten Wandstärke höheren zweiten Wandstärke auf. Hierdurch tritt an einer Kontaktkante des wenigstens einen ersten Bereich mit dem wenigstens einen zweiten Bereich ein Wandstärkensprung auf, durch welchen eine Sollbruchstelle vorgegeben ist. Bei Erreichen des vorgegebenen Überdrucks reißt das Berstplättchen somit aufgrund an dem Wandstärkensprung auftretender mechanischer Spannungen, wodurch das Berstplättchen versagt und infolge des Versagens des Berstplättchens ein Druckausgleich ermöglicht wird. Infolge des Versagens des Berstplättchens tut sich eine Öffnung im Berstplättchen auf, über welche der Druckausgleich erfolgen kann. Der Wandstärkensprung ermöglicht ein gezieltes Vorgeben der Sollbruchstelle des Berstplättchens. Über den Wandstärkensprung kann die Sollbruchstelle besonders einfach und gleichzeitig besonders präzise in ihrer Position vorgegeben werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Berstplättchen aus Zinn bereitgestellt ist. Insbesondere kann das Berstplättchen in einem sogenannten Druckgussverfahren aus Zinn bereitgestellt werden. Das Bereitstellen des Bestplättchens aus Zinn ermöglicht zum Einen eine besonders niedrige Zugfestigkeit des Berstplättchens, wodurch bei geringen Druckkräften von beispielsweise zirka 200 Millibar eine Versagensspannung induziert werden kann. Darüber hinaus kann im Zinndruckgussverfahren eine besonders geringe Wandstärke prozesssicher erreicht werden. Durch die geringe Wandstärke kann wiederum eine Geometrie dargestellt werden, welche gezielt bei einem gewünschten Auslegungsdruck, insbesondere bei Erreichen des vorgegebenen Überdrucks, versagt. Bei dem Berstplättchen kann beispielsweise ein flächiger erster Bereich sehr dünn dargestellt werden und wenigstens ein lokaler zweiter Bereich mit im Vergleich zum ersten Bereich erhöhter Wandstärke dargestellt werden. Bei dem wenigstens einen ersten Bereich handelt es sich somit um eine Berstfläche des Berstplättchens und bei dem wenigstens einen zweiten Bereich handelt es sich um einen sogenannten Anrissbereich des Berstplättchens. Durch den Wandstärkensprung ist die Sollbruchstelle klar definiert und kann sehr genau ausgelegt werden. Hierdurch kann ein besonders robustes und kostengünstiges Berstplättchen als Berstelement bereitgestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wandstärkensprung an einer Ecke des wenigstens einen zweiten Bereichs im spitzen Winkel zuläuft. Durch das Zulaufen des wenigstens einen zweiten Bereichs im spitzen Winkel können Spannungsspitzen in dem Berstplättchen gesteuert werden. Insbesondere beginnt bei einem Versagen des Berstplättchens ein Riss an der im spitzen Winkel zulaufenden Ecke des wenigstens einen zweiten Bereichs des Berstplättchens. Über den Scheitelpunkt des spitzen Winkels kann ein Anrisspunkt für das Versagen des Berstplättchens vorgegeben werden. Insbesondere entspricht der Anrisspunkt dem Scheitelpunkt des an der Ecke des wenigstens einen zweiten Bereichs im spitzen Winkel zulaufenden Wandstärkensprungs. Beim Versagen des Berstplättchens wirkt eine Druckkraft auf eine gesamte Membranfläche des Berstplättchens und induziert somit ein Zugkraft im Berstplättchen. In dem Berstplättchen konzentriert sich eine Zugkraft auf die Spitze der im spitzen Winkel zulaufenden Ecke des wenigstens einen zweiten Bereichs. Dieser spitze Winkel kann beispielsweise durch eine Einschnürung des zweiten Bereichs an der Ecke bereitgestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Bereich eine vieleckige Geometrie mit konkaven Kanten aufweist, an welchen der Wandstärkensprung auftritt. Durch die vieleckige Geometrie des wenigstens einen ersten Bereichs können mehrere Anrisspunkte als Sollbruchstellen an jeweiligen Spitzen der vieleckigen Geometrie vorgegeben werden. Hierdurch kann ein Berstverhalten des Berstplättchens besonders präzise vorgegeben werden.
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Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der wenigstens eine erste Bereich eine Wandstärke von 0,12 bis 0,5 Millimetern aufweist und der wenigstens eine zweite Bereich eine Wandstärke von mehr als 1 Millimeter aufweist. Hierdurch kann ein besonders zuverlässiges Anreißen des Berstplättchens an dem Wandstärkensprung bei Erreichen des vorgegebenen Überdrucks gewährleistet werden. Das Bereitstellen des ersten Bereichs mit der Wandstärke von 0,1 bis 0,5 Millimetern kann besonders einfach bei einem Bereitstellen des Berstplättchens aus Zinn, insbesondere im Zinndruckgussverfahren, erreicht werden. Aufgrund dieser geringen Wandstärke des ersten Bereichs wird ermöglicht, dass das Berstplättchen bereits bei einem besonders geringen vorgegebenen Überdruck versagt.
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Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Berstplättchen dazu eingerichtet ist, bei einem vorgegebenen Überdruck von zirka 200 Millibar zu versagen. Somit ermöglicht das Berstplättchen schon bei einem geringen Überdruck von zirka 200 Millibar, dass ein Druckausgleich über das versagte Berstplättchen erfolgen kann. Ein kritischer Zustand der Fahrzeugbatterie kann hierdurch besonders sicher vermieden werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Berstplättchen einen Befestigungsbereich, über welchen das Berstplättchen an einem Gehäuse der Fahrzeugbatterie befestigt werden kann. Insbesondere umgibt der Befestigungsbereich sowohl sämtliche erste Bereiche als auch sämtliche zweite Bereiche des Berstplättchens. In dem Befestigungsbereich kann das Berstplättchen wenigstens eine Gewindebohrung aufweisen, über welche das Berstplättchen mittels einer Schraubverbindung an dem Gehäuse der Fahrzeugbatterie befestigt werden kann. Der Befestigungsbereich kann beispielsweise in unmittelbarem Kontakt zu wenigstens einem der ersten Bereiche des Berstplättchens stehen, wobei ein unmittelbarer Kontakt des Befestigungsbereichs mit dem wenigstens einen zweiten Bereich des Berstplättchens nicht vorgesehen ist. Hierdurch kann eine Gefahr eines Versagens des Berstplättchens in einem Kontaktbereich des wenigstens einen ersten Bereichs mit dem Befestigungsbereich besonders gering gehalten werden. Der Befestigungsbereich ermöglicht somit ein besonders einfaches und sicheres Befestigen des Berstplättchens an dem Gehäuse, wobei darüber hinaus die Sollbruchstelle besonders präzise durch den Wandstärkensprung vorgegeben ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Bersteinrichtung für eine Fahrzeugbatterie, mit einem Berstplättchen, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Berstplättchen beschrieben worden ist. Weiterhin umfasst die Bersteinrichtung eine Dichteinrichtung, über welche das Berstplättchen gegen ein Gehäuse der Fahrzeugbatterie abgedichtet werden kann. Die Dichteinrichtung kann insbesondere einen Dichtring umfassen, welcher am Befestigungsbereich des Berstplättchens anliegt und dazu eingerichtet ist, den Befestigungsbereich des Berstplättchens gegen die Fahrzeugbatterie, insbesondere das Gehäuse der Fahrzeugbatterie, abzudichten. Die Bersteinrichtung ermöglicht, dass bei einem intakten Zustand des Berstplättchens ein Druckausgleich sowie ein Gas- oder Flüssigkeitsaustausch über die Bersteinrichtung unterbunden wird, wohingegen bei einem Versagen des Berstplättchens ein Druckausgleich insbesondere über einen Gasaustausch über das Berstplättchen ermöglicht wird. Somit ermöglicht die Bersteinrichtung, dass die Fahrzeugbatterie besonders gut abgedichtet ist, solange das Berstplättchen intakt ist und nicht versagt vorliegt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bereitstellen eines Berstplättchens, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Berstplättchen beschrieben worden ist. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass das Berstplättchen durch Zinndruckguss mit dem wenigstens einen ersten Bereich mit der ersten Wandstärke und dem wenigstens einen zweiten Bereich mit der im Vergleich zur ersten Wandstärke höheren zweiten Wandstärke bereitgestellt wird. Hierdurch tritt an einer Kontaktkante des wenigstens einen ersten Bereichs mit dem wenigstens einen zweiten Bereich der Wandstärkensprung auf, durch welchen die Sollbruchstelle vorgegeben ist. Bei dem Verfahren wird somit das Berstplättchen aus Zinn mit dem Wandstärkensprung druckgegossen. Das Druckgießen des Berstplättchens aus Zinn ermöglicht, dass besonders geringe Wandstärken des Berstplättchens, insbesondere des wenigstens einen ersten Bereichs des Berstplättchens, umgesetzt werden können.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fahrzeugbatterie mit einem Berstplättchen, wie es bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Berstplättchen beschrieben worden ist oder mit einer Bersteinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bersteinrichtung beschrieben worden ist. Bei der Fahrzeugbatterie handelt es sich insbesondere um eine Hochvoltspeichereinrichtung, bei welcher eine Vielzahl an Batteriezellen in einem Gehäuse aufgenommen sind. Mittels des Berstplättchens beziehungsweise mittels der Bersteinrichtung kann eine Öffnung des Gehäuses der Fahrzeugbatterie überdeckt, insbesondere verschlossen, werden. Die Fahrzeugbatterie ist insbesondere dazu eingerichtet, eine elektrische Energie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen. Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Berstplättchens sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bersteinrichtung, des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen des Berstplättchens sowie der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Draufsicht einer Bersteinrichtung für eine Fahrzeugbatterie mit einem Berstplättchen, welches dazu eingerichtet ist, bei Erreichen eines vorgegebenen Überdrucks an einer Sollbruchstelle zu versagen;
- 2 eine perspektivische Rückansicht der Bersteinrichtung gemäß 1, wobei eine Dichteinrichtung der Bersteinrichtung erkannt werden kann, über welche das Berstplättchen gegen ein Gehäuse der Fahrzeugbatterie abgedichtet werden kann; und
- 3 eine perspektivische Schnittansicht der Bersteinrichtung gemäß 1 und 2.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 ist in unterschiedlichen Ansichten eine Bersteinrichtung 10 für eine Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Bersteinrichtung 10 ermöglicht, dass in einem Fehlerfall, wie einem Überdruck in der Fahrzeugbatterie beispielsweise infolge eines zellinternen Kurzschlusses, sichergestellt ist, dass ein Gehäuse der Fahrzeugbatterie nicht unkontrolliert versagt oder platzt, sondern dass die Bersteinrichtung 10 gezielt versagt und ein Ablassen von innerem Überdruck ermöglicht wird, bevor ein kritischer Zustand im Gehäuse entsteht. In einem Normalbetrieb der Fahrzeugbatterie ist eine Dichtheit des Gehäuses hinsichtlich einer Umgebung der Fahrzeugbatterie sicherzustellen, insbesondere auch durch die Bersteinrichtung 10. Die Bersteinrichtung 10 ist somit dazu eingerichtet, als Überdruckventil zu dienen. Die Bersteinrichtung 10 ist in 1 in einer vorderen Draufsicht, in 2 in einer perspektivischen Rückansicht und in 3 in einer perspektivischen Schnittansicht dargestellt.
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Die Bersteinrichtung 10 umfasst ein Berstplättchen 12 sowie eine Dichteinrichtung 14. Die Dichteinrichtung 14 umfasst vorliegend ein Ringelement aus einem elastomeren Material. Mittels der Dichteinrichtung 14 kann das Berstplättchen 12 gegen ein Gehäuse der Fahrzeugbatterie abgedichtet werden. Jedes Berstplättchen 12 umfasst einen Befestigungsbereich 16, über welchen das Berstplättchen 12 an dem Gehäuse der Fahrzeugbatterie befestigt werden kann. In dem Befestigungsbereich 16 weist das Berstplättchen 12 mehrere Gewindebohrungen 18, vorliegend genau vier Gewindebohrungen 18, auf, über welche die Bersteinrichtung 10 mittels jeweiliger Schraubverbindungen an dem Gehäuse der Fahrzeugbatterie befestigt werden kann.
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Um zu ermöglichen, dass das Berstplättchen 12 bei Erreichen eines vorgegebenen Überdrucks versagt, weist das Berstplättchen 12 wenigstens einen ersten Bereich 20 und wenigstens einen zweiten Bereich 22 auf. Der wenigstens eine erste Bereich 20 weist eine erste Wandstärke auf und der wenigstens eine zweite Bereich 22 weist eine zweite Wandstärke auf, welche im Vergleich zu der ersten Wandstärke höher ist. Vorliegend weist der wenigstens eine erste Bereich 20 eine einheitliche Wandstärke in einem Bereich von 0,1 Millimeter bis 0,5 Millimetern auf. Der wenigstens eine zweite Bereich weist eine Wandstärke von mehr als 1 Millimeter auf. Aufgrund der unterschiedlichen Wandstärken des wenigstens einen Bereichs 20 zu dem wenigstens einen zweiten Bereich 22 tritt an einer Kontaktkante 24 zwischen einem jeweiligen ersten Bereich 20 und einem jeweiligen zweiten Bereich 22 ein Wandstärkensprung auf. Durch diesen Wandstärkensprung ist eine Sollbruchstelle des Berstplättchens 12 vorgegeben. Über eine jeweilige Wandstärkendifferenz des wenigstens einen ersten Bereichs 20 zu dem wenigstens einen zweiten Bereich 22 an der Kontaktkante 24 beziehungsweise über die Wandstärke des wenigstens einen ersten Bereichs 20 kann der Überdruck vorgegeben werden, bei Erreichen von welchem das Berstplättchen 12 zu versagen hat. Vorliegend ist das Berstplättchen 12 dazu eingerichtet, bei Erreichen von einem vorgegebenen Überdruck von zirka 200 Millibar zu versagen.
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Um den wenigstens einen ersten Bereich 20 des Berstplättchens 12 mit der beschriebenen besonders geringen Wanddicke bereitstellen zu können, ist es vorliegend vorgesehen, dass das Berstplättchen 12 aus Zinn bereitgestellt ist, insbesondere in einem Zinndruckgussverfahren. Bei einem Verfahren zum Bereitstellen des Berstplättchens 12 wird somit das Berstplättchen 12 durch Zinndruckguss mit dem wenigstens einen ersten Bereich 20 und dem wenigstens einen zweiten Bereich 22 bereitgestellt. Um die Sollbruchstelle des Berstplättchens 12 besonders präzise vorgeben zu können, ist es vorliegend vorgesehen, dass der Wandstärkensprung an einer Ecke 26 des wenigstens einen zweiten Bereichs 22 im spitzen Winkel zuläuft. Vorliegend weist der zweite Bereich 22 eine vieleckige, insbesondere eine viereckige, Geometrie mit konkaven Kanten auf, an welchen der Wandstärkensprung auftritt beziehungsweise verläuft. Vorliegend ist der zweite Bereich 22 drachenförmig ausgestaltet. Hierdurch läuft der Wandstärkensprung in der Ecke 26 in einen besonders spitzen Winkel zu. Durch die jeweiligen spitzen Winkel der viereckigen Geometrie des zweiten Bereichs 22 können mechanische Spannungen an den jeweiligen Ecken des zweiten Bereichs 22 konzentriert werden, welche infolgedessen als Anrisspunkte beim Versagen des Berstplättchens 12 dienen. Alternative Geometrien zu der drachenförmigen Geometrie des zweiten Bereichs 22 sind ebenfalls möglich.
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Die Bersteinrichtung 10 erfüllt eine Berstfunktion eines Überdruckventils. Es kann somit eine Membranfunktion von der Bersteinrichtung 10 getrennt am Gehäuse der Fahrzeugbatterie dargestellt werden. Im Rahmen dieser Membranfunktion wird bei geringen Druckunterschieden ein Luftaustausch zwischen einer Umgebung des Gehäuses der Fahrzeugbatterie und einem Inneren des Gehäuses der Fahrzeugbatterie ermöglicht. Diese Membranfunktion kann insbesondere durch eine Membran bereitgestellt werden, welche beabstandet zu der Bersteinrichtung 10 an dem Gehäuse der Fahrzeugbatterie angeordnet sein kann. Durch ein Abtrennen der Membranfunktion von der Berstfunktion der Bersteinrichtung 10 kann die Membran besonders klein ausgeführt werden.
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Das Berstplättchen 12 ist vorliegend einteilig bereitgestellt, wodurch in dem Berstbereich des Berstplättchens 12 keine weiteren Komponenten und Montageschritte nötig sind.
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Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Zinndruckgussberstmembran, vorliegend das Berstplättchen 12, für einen Hochvoltspeicher, vorliegend die Fahrzeugbatterie, bereitgestellt und genutzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bersteinrichtung
- 12
- Berstplättchen
- 14
- Dichteinrichtung
- 16
- Befestigungsbereich
- 18
- Gewindebohrung
- 20
- erster Bereich
- 22
- zweiter Bereich
- 24
- Kontaktkante
- 26
- Ecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3482431 B1 [0002]
- DE 102013216076 A1 [0003]
