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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Zweispannungsbordnetzes in einem Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug oder
Brennstoffzellenfahrzeug oder Elektrofahrzeug, mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende
Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug
oder ein Elektrofahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 2.
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Aus
der
DE 10 2007
038 587 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichstromspannungswandlers
in einem Zweispannungsbordnetz eines Fahrzeugs bekannt. Das Zweispannungsbordnetz umfasst
dabei ein Niedervoltbordnetz zur Versorgung wenigstens eines Niedervoltverbrauchers
mit elektrischer Energie sowie ein Hochvoltbordnetz zur Versorgung
wenigstens eines Hochvoltverbrauchers mit elektrischer Energie.
Zwischen den beiden Bordnetzen ist ein Gleichstromspannungswandler
geschaltet. Dabei kann der Gleichstromspannungswandler unidirektional
aufgebaut sein, so dass der Leistungsfluss nur vom Hochvoltbordnetz
in das Niedervoltbordnetz erfolgt, oder bidirektional ausgestaltet
sein. Beim bekannten Verfahren erfolgt die Ansteuerung des Gleichstromspannungswandlers
in Abhängigkeit eines Fahrzustands des Fahrzeugs und/oder
einer Spannung eines der Bordnetze. Insbesondere kann beim bekannten
Verfahren vorgesehen sein, den Gleichstromspannungswandler immer
dann einzuschalten, wenn das Niedervoltbordnetz eine zu niedrige
Spannung hat, wodurch die elektrische Versorgung der Niedervoltverbraucher
sichergestellt wird. Dies kann bei einem Hybridfahrzeug auch bei
ausgeschalteter Brennkraftmaschine erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art bzw.
für ein Fahrzeug der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch
einen reduzierten Energieverbrauch auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Gleichstromspannungswandler
erst dann auszuschalten, wenn ein elektrischer Strom im Niedervoltbordnetz
unter eine vorbestimmte Ruhestromschwelle absinkt. Diese Ruhestromschwelle
ist dabei so niedrig bemessen, dass zumindest einer der Niedervoltverbraucher
ausgeschaltet sein muss, damit der Strom im Niedervoltbordnetz unter
die Ruhestromschwelle absinken kann. Mit anderen Worten, das Niedervoltbordnetz
ist hinsichtlich seines Niedervoltenergiespeichers, insbesondere
eine Niedervoltbatterie, so ausgelegt, dass es nicht alle üblichen Niedervoltverbraucher
(gleichzeitig) betreiben kann. Der Betrieb aller Niedervoltverbraucher
ist nur bei eingeschaltetem Gleichstromspannungswandler und somit
durch Unterstützung durch das Hochvoltbordnetz bzw. dessen
Hochvoltenergiespeichers, insbesondere eine Hochvoltbatterie, möglich.
Durch diese Bauweise kann der Niedervoltenergiespeicher signifikant
kleiner dimensioniert werden als dies bislang der Fall ist. In der
Folge kann der Niedervoltenergiespeicher auch deutlich leichter
realisiert werden. Eine derartige Gewichtseinsparung führt
im Fahrbetrieb automatisch zu einem reduzierten Energieverbrauch. Durch
die permanente Unterstützung des Niedervoltbordnetzes durch
das Hochvoltbordnetz, solange der Strom im Niedervoltbordnetz oberhalb
der Ruhestromschwelle liegt, führt somit zu einer Energieeinsparung
im Gesamtsystem des Fahrzeugs.
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Beispielsweise
lassen sich die an das Niedervoltbordnetz angeschlossenen Niedervoltverbraucher
in zwei Gruppen unterteilen, nämlich in Komfortverbraucher
und Ruheverbraucher. Komfortverbraucher sind beispielsweise Licht,
Radio, Navigationseinrichtung, Sitzverstelleinrichtungen. Ruheverbraucher
sind beispielsweise eine Bordnetzsteuereinrichtung, eine Alarmanlage
und eine Entriegelungseinrichtung. Die Ruhestromschwelle lässt
sich dann beispielsweise so auslegen, dass der Strom im Niedervoltbordnetz
die Ruhestromschwelle nicht übersteigt, wenn alle Ruheverbraucher
eingeschaltet sind. Sobald jedoch einer der Komfortverbraucher hinzugeschaltet
wird, übersteigt der Strom im Niedervoltbordnetz die Ruhestromschwelle.
Durch diese Bauweise wird der Energiebedarf des Niedervoltbordnetzes
während eines Ruhebetriebs, während dem ausschließlich
Ruheverbraucher eingeschaltet sein können, erheblich reduziert.
Dementsprechend lässt sich der Niedervoltenergiespeicher
deutlich kleiner dimensionieren.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann ferner vorgesehen
sein, den Gleichstromspannungswandler auch dann einzuschalten, wenn
der Strom im Niedervoltbordnetz unterhalb der Ruhestromschwelle
liegt, nämlich dann, wenn ein Ladezustand der Niedervoltbatterie
unter einen vorbestimmten Ladeschwellwert absinkt. Für lange
Ruhephasen kann dadurch der Niedervoltenergiespeicher aus dem Hochvoltenergiespeicher
bedarfsabhängig nachgeladen werden. Auf diese Weise kann
die Standzeit des Fahrzeugs auch bei kleindimensionierten Niedervoltenergiespeichern
auf die gewünschte Länge vergrößert
werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 bis 4 jeweils
eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs
während unterschiedlicher Betriebsphasen,
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5 ein
Diagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs während einer
langen Ruhephase.
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In
den 1 bis 4 ist ein Fahrzeug 1 stark
vereinfacht dargestellt. Beim Fahrzeug 1 handelt es sich
bevorzugt um ein Hybridfahrzeug, also um ein Fahrzeug 1 mit
einer Brennkraftmaschine und mit wenigstens einem Elektromotor zum
Antreiben des Fahrzeugs 1. Alternativ kann es sich beim
Fahrzeug 1 beispielsweise auch um ein Brennstoffzellenfahrzeug
oder um ein Elektrofahrzeug handeln, jeweils ohne Brennkraftmaschine.
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In
jedem Fall umfasst das Fahrzeug 1 ein hier vereinfacht
dargestelltes Zweispannungsbordnetz 2. Dieses umfasst ein
Niedervoltbordnetz 3 zur Versorgung wenigstens eines Niedervoltverbrauchers 4 mit
elektrischer Energie sowie ein Hochvoltbordnetz 5 zur Versorgung
wenigstens eines Hochvoltverbrauchers 6 mit elektrischer
Energie. Ferner umfasst das Zweispannungsbordnetz 2 einen
Gleichstromspannungswandler 7, der zwischen die Bordnetze 3, 5 geschaltet
ist. Die beiden Bordnetze 3, 5 sind über
den Gleichstromspannungswandler 7 miteinander gekoppelt.
Beim Gleichstromspannungswandler 7 kann es sich um einen
bidirektionalen oder um einen unidirektionalen Gleichstromspannungswandler 7 handeln.
Sofern ein unidirektionaler Gleichstromspannungswandler 7 vorgesehen
ist, ermöglicht er einen Leistungsfluss vom Hochvoltbordnetz 5 in
das Niedervoltbordnetz 3.
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Die
Begriffe „Niedervolt” und „Hochvolt” deuten
an, dass die beiden Bordnetze 3, 5 auf unterschiedlichen
Spannungsniveaus arbeiten. Typisch sind derzeit für Kraftfahrzeuge
für das Niedervoltbordnetz 3 Spannungen von 12
Volt bei Personenkraftwagen und von 24 Volt bei Nutzfahrzeugen.
Im Unterschied dazu arbeitet das Hochvoltbordnetz beispielsweise
bei mehr als 100 Volt.
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Das
Niedervoltbordnetz 3 enthält zumindest einen Niedervoltenergiespeicher 8,
insbesondere eine Niedervoltbatterie. Beim Niedervoltenergiespeicher 8 kann
es sich beispielsweise auch um einen sogenannten Ultracap handeln.
Im Beispiel ist außerdem ein Batteriesensor 9 vorgesehen.
Das Hochvoltbordnetz 5 beinhaltet zumindest einen Hochvoltenergiespeicher 10,
insbesondere eine Hochvoltbatterie. Ferner ist in das Hochvoltbordnetz 5 eine
Elektromaschine 11 eingebunden, bei der es sich beispielsweise
um einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs 1 handeln
kann, der aus dem Hochvoltbordnetz 5 mit elektrischer Energie
versorgt wird. In diesem Fall ist die Elektromaschine 11 ebenfalls
ein Verbraucher des Hochvoltbordnetzes 5, also ein Hochvoltverbraucher.
Die Elektromaschine 11 kann jedoch auch als Generator ausgestaltet
sein, der im Schubbetrieb des Fahrzeugs 1 oder bei einem
Hybridfahrzeug bei eingeschalteter Brennkraftmaschine elektrische
Energie in das Hochvoltbordnetz 5 einspeist. Zweckmäßig
vereint die Elektromaschine 11 die Funktionen Elektromotor
und Generator in einem Bauteil.
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Typische
Hochvoltverbraucher 6 sind beispielsweise eine Klimaanlage
sowie eine elektrische Heizung, zum Beispiel Sitzheizung. Die Niedervoltverbraucher 4 lassen
sich beispielsweise in Komfortverbraucher 4a und Ruheverbraucher 4b untergliedern.
Komfortverbraucher 4a sind Verbraucher, die in einem Ruhebetrieb
des Fahrzeugs 1 nicht unbedingt eingeschaltet sein müssen.
Beispielsweise sind typische Komfortverbraucher 4a Licht-
bzw. Beleuchtungseinrichtungen, Radio, Navigationseinrichtungen,
Sitzverstelleinrichtungen. Im Unterschied dazu sind Ruheverbraucher 4b solche
Niedervoltverbraucher 4, die auch in einem Ruhebetrieb
des Fahrzeugs 1 eingeschaltet sein können oder
müssen. Typische Ruheverbraucher 4b sind beispielsweise
eine Bordnetzsteuereinrichtung 12, eine Alarmanlage und
eine Entriegelungseinrichtung.
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Die
Bordnetzsteuereinrichtung 12 ist beispielsweise mit dem
Batteriesensor 9 gekoppelt und kennt dadurch den Beladungszustand
des Niedervoltenergiespeichers 8. Ferner ist die Bordnetzsteuereinrichtung 12 mit
dem Gleichstromspannungswandler 7 gekoppelt, um diesen
einschalten und ausschalten zu können. Dabei kann die Bordnetzsteuereinrichtung 12 den
Gleichstromspannungswandler 7 in Abhängigkeit
eines Fahrzustands des Fahrzeugs 1 und/oder in Abhängigkeit
einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms eines
der Bordnetze 3, 5 ansteuern, also einschalten
und ausschalten. Dabei ist die Bordnetzsteuereinrichtung 12 so
ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie den Gleichstromspannungswandler 7 dann
ausschaltet, wenn ein elektrischer Strom im Niedervoltbordnetz 3 unter
eine vorbestimmte Ruhestromschwelle absinkt. Diese Ruhestromschwelle
ist dabei so niedrig bemessen, dass sie nur dann unterschritten
werden kann, wenn zumindest einer Niedervoltverbraucher 4 ausgeschaltet
ist. Zweckmäßig kann die Ruhestromschwelle so
gewählt sein, dass sie unterschritten wird, wenn alle Komfortverbraucher 4a ausgeschaltet sind.
Mit anderen Worten, die Ruhestromschwelle wird nicht überschritten,
wenn alle Ruheverbraucher 4b eingeschaltet sind. Ein zusätzliches
Kriterium zum Ausschalten des Gleichstromspannungswandlers 7 kann
bei einem Hybridfahrzeug darin bestehen, dass der Gleichstromspannungswandler 7 nur
dann ausgeschaltet wird, wenn auch die Brennkraftmaschine ausgeschaltet
ist. Bei eingeschalteter Brennkraftmaschine steht über
die als Generator arbeitende Elektromaschine 11 ausreichend
elektrische Energie zur Verfügung, um auch beide Bordnetze 3, 4 mit
der von der Elektromaschine 11 generierten elektrischen
Energie zu betreiben.
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In 1 ist
mit Pfeilen 13 ein Energiefluss oder Stromfluss angedeutet,
der dann auftritt, wenn das als Hybridfahrzeug ausgestaltete Fahrzeug 1 mit eingeschalteter
Brennkraftmaschine betrieben wird und/oder wenn sich das Fahrzeug 1 in
einem Schubbetrieb oder Rekuperationsbetrieb befindet. Jedenfalls
erzeugt die Elektromaschine 11 in diesem Betriebszustand
elektrische Energie, die entsprechend den Pfeilen 13 zur
Versorgung der Niedervoltverbraucher 4 im Niedervoltbordnetz 3 verwendet
wird. Entsprechend einem Pfeil 14 können dabei
auch die Hochvoltverbraucher 6 mit Energie versorgt werden. Außerdem
ist es entsprechend einem Pfeil 15 möglich, den
Niedervoltenergiespeicher 15 aufzuladen. Auch ist es entsprechend
einem Pfeil 16 möglich, den Hochvoltenergiespeicher 10 aufzuladen.
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In 2 ist
ein Zustand angedeutet, bei dem die Elektromaschine 11 keine
elektrische Energie einspeist. Dabei kann das Fahrzeug 1 stehen.
In diesem Standbetrieb kann das Hochvoltbordnetz 5 entsprechend
Pfeilen 17 die elektrische Versorgung der Niedervoltverbraucher 4 übernehmen.
Die Pfeile 17 deuten dabei den Stromfluss bzw. Energiefluss
vom Hochvoltenergiespeicher 10 über den Gleichstromspannungswandler 7 zu
den Niederstromverbrauchern 4 an. Entsprechend einem Pfeil 18 kann
dabei gleichzeitig auch ein Aufladen des Niedervoltenergiespeichers 8 durchgeführt
werden. Außerdem können Hochvoltverbraucher 6 entsprechend
einem Pfeil 19 betrieben werden. Falls das Fahrzeug 1 bei
ausgeschalteter Brennkraftmaschine außerdem fahren soll, kann
beispielsweise die Elektromaschine 11 als Elektromotor
arbeiten und entsprechend Pfeilen 20 aus dem Hochvoltenergiespeicher 10 mit
elektrischer Energie versorgt werden.
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Im
Standbetrieb des Fahrzeugs 1, also ggf. bei ausgeschalteter
Brennkraftmaschine und bei ausgeschalteter Elektromaschine 11 treten
die Ströme 17, 18 und 19 auf.
Der Gleichstromspannungswandler 7 ist eingeschaltet. Beim Übergang
vom Standbetrieb in den in 3 gezeigten
Ruhebetrieb werden zunächst die Hochvoltverbraucher 6 ausgeschaltet.
Außerdem werden nach und nach auch die Niedervoltverbraucher 4 ausgeschaltet.
Dabei wird nur ein Teil der Niedervoltverbraucher 4 ausgeschaltet,
nämlich die Komfortverbraucher 4a. Durch das Ausschalten
der Niedervoltverbraucher 4 reduziert sich der im Niedervoltbordnetz 3 fließende
Strom. Die Bordnetzsteuereinrichtung 12 überwacht
mittels einer entsprechenden Sensorik den im Niedervoltbordnetz 3 fließenden
Strom. Dabei wird der im Niedervoltbordnetz 3 fließende
Strom mit der Ruhestromschwelle verglichen. Solange der Strom im
Niedervoltbordnetz 3 oberhalb der Ruhestromschwelle liegt, bleibt
der Gleichstromspannungswandler 7 eingeschaltet, so dass
die Niedervoltverbraucher 4 noch aus dem Hochvoltbordnetz 5 gespeist
werden. Sobald jedoch der Strom im Niedervoltbordnetz 3 unter die
Ruhestromschwelle sinkt, wird der Gleichstromspannungswandler 7 gemäß 3 ausgeschaltet.
In diesem Zustand, nämlich dem Ruhezustand, erfolgt die
Stromversorgung der verbleibenden Niedervoltverbraucher 4,
also insbesondere der Ruheverbraucher 4b, durch den Niedervoltenergiespeicher 8.
Ein entsprechender Energiefluss bzw. Stromfluss ist in 3 durch
Pfeile 21 angedeutet. Wird während dieses Ruhebetriebs
beispielsweise ein Komfortverbraucher 4a eingeschaltet,
kann der Strom im Niedervoltbordnetz 3 wieder die Ruhestromschwelle übersteigen,
so dass die Bordnetzsteuereinrichtung 12 den Gleichstromspannungswandler 7 wieder
einschaltet, um die elektrische Versorgung der Niedervoltverbraucher 4 wieder über
das Hochvoltbordnetz 5 zu realisieren.
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Bleibt
jedoch das Fahrzeug 1 für längere Zeit im
Ruhebetriebszustand, kann es je nach Auslegung des Niedervoltenergiespeichers 8 dazu
kommen, dass sich dieser soweit entlädt, dass eine weitere ordnungsgemäße
Versorgung der auch im Ruhebetrieb weiterhin aktiven Ruheverbraucher 4b nicht mehr
gewährleistet werden kann. Diesen Zustand erkennt die Bordnetzsteuereinrichtung 12,
indem sie mit dem Batteriesensor 9 den Beladungszustand
des Niedervoltenergiespeichers 8 überwacht. Fällt
der Ladezustand des Niedervoltenergiespeichers 8 unter einen
vorbestimmten Ladeschwellwert, schaltet die Bordnetzsteuereinrichtung 12 entsprechend 4 den
Gleichstromspannungswandler 7 wieder ein. Auf diese Weise
kann über das Hochvoltbordnetz 5 der Niedervoltenergiespeicher 8 des
Niedervoltbordnetzes 3 wieder aufgeladen werden. Dementsprechend deuten
Pfeile 22 den Stromfluss bzw. Energiefluss vom Hochvoltenergiespeicher 10 über
den Gleichstromspannungswandler 7 bis zum Niedervoltenergiespeicher 8 an.
Die Pfeile 21 deuten dabei weiterhin die Energieversorgung
der Niedervoltverbraucher 4 aus dem Niedervoltenergiespeicher 8 an.
Während des Nachladevorgangs kann es auch zweckmäßig sein,
Niedervoltverbraucher 4 mit der Energie des dem Hochvoltbordnetz 5 zu
speisen. Falls der Niedervoltenergiespeicher 8 wieder aufgeladen
ist, schaltet die Bordnetzsteuereinrichtung 12 den Gleichstromspannungswandler 7 wieder
aus, so dass dann wieder der Zustand gemäß 3 vorliegt.
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Im
Diagramm der 5 ist auf der Ordinate der Beladungszustand
des Niedervoltenergiespeichers 8 angedeutet. Die Abszisse
dient als Zeitachse, wobei die eingetragenen Zahlenwerte 1–6 rein exemplarisch
für Wochen stehen können. Beispielsweise soll
der in den 3 und 4 wiedergegebene
Ruhezustand des Fahrzeugs 1 für mindestens 6 Wochen
aufrechterhalten werden können. Der Niedervoltenergiespeicher 8 kann
jedoch extrem klein dimensioniert werden, so dass er beispielsweise
für nur etwa 1 Woche ausreichend Energie zur Verfügung
stellt, um alle während des Ruhezustands aktiven Ruheverbraucher 4b mit
Strom versorgen zu können. Gerade Linien 23 deuten
im Diagramm der 5 eine gleichförmige
Entladung des Niedervoltenergiespeichers 8 im Ruhezustand
des Fahrzeugs 1 an. Eine parallel zur Abszisse verlaufende,
mit unterbrochener Linie angedeutete Gerade repräsentiert den
zuvor genannten Ladeschwellwert 24. Hierdurch werden Zeiträume 25 realisiert,
in denen der in 3 gezeigte Ruhezustand mit ausgeschaltetem
Gleichstromspannungswandler 7 vorherrscht.
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Sobald
jedoch der Beladungszustand des Niedervoltenergiespeichers 8 den
Ladeschwellwert 24 erreicht bzw. unterschreitet, wird von
der Bordnetzsteuereinrichtung 12 eine vergleichsweise kurze Beladungsphase 26 herbeigeführt,
in der gemäß 4 über
das Hochvoltbordnetz 5 der Niedervoltenergiespeicher 8 entsprechend
Geraden 27 wieder aufgeladen wird. Diese Beladungsphasen 26 sind zeitlich
deutlich kürzer als die Ruhephasen 25. Insbesondere
sind sie mindestens zehnmal kürzer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007038587
A1 [0002]