DE102013223625A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebsstrangs - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der wenigstens eine Antriebsmaschine (2) aufweist, die mit wenigstens einem mit einer Fahrbahn in Kontakt stehenden Antriebsrad wirkverbunden ist, um ein angefordertes Antriebsdrehmoment auf die Fahrbahn zu übertragen, mit folgenden Schritten: a) Erfassen einer aktuellen Antriebsdrehzahl des Antriebsstrangs und Bestimmen einer aktuellen Beschleunigung des Antriebsstrangs in Abhängigkeit der erfassten Antriebsdrehzahl, b) Vorgeben eines oberen Beschleunigungsgrenzwertes und/oder eines unteren Beschleunigungsgrenzwertes, c) Bestimmen einer Abweichung, wenn die aktuelle Beschleunigung den oberen Beschleunigungsgrenzwert überschreitet oder den unteren Beschleunigungsgrenzwert unterschreitet, d) Bestimmen einer Drehmomentbegrenzung für die mindestens eine Antriebsmaschine in Abhängigkeit von der bestimmten Abweichung, um ein Durchdrehen des Antriebsrads zu vermeiden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der wenigstens eine Antriebsmaschine aufweist und mit wenigstens einem mit einer Fahrbahn in Kontakt stehenden Antriebsrad wirkverbunden ist, um ein angefordertes Antriebsdrehmoment auf die Fahrbahn zu übertragen.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum entsprechenden Betreiben eines Antriebsstrangs sowie ein Computerprogramm-Produkt.
  • Stand der Technik
  • Kraftfahrzeuge, insbesondere solche mit einer elektrischen Antriebsmaschine, stellen hohe Anforderungen an Schlupfregelsysteme, da insbesondere elektrische Antriebe sich durch hohe einstellbare Drehmomente in Verbindung mit einem geringen Trägheitsmoment auszeichnen, sodass derartige Antriebsmaschinen zu einer derart hohen Beschleunigung des einen oder der mehreren Antriebsräder führen kann, die zu einem Durchdrehen des jeweiligen Antriebsrads auf der Fahrbahn führt. Dies führt zu einer wesentlich gesteigerten Dynamik des Antriebsstrangs, insbesondere im Vergleich zu Fahrzeugen mit einem herkömmlichen verbrennungsmotorischen Antrieb. Bei elektrischen Antrieben gilt dies sowohl für den Antriebsfall (Motorbetrieb) als auch für den Rekuperationsfall (Generatorbetrieb). Beim Anfahren, beispielsweise auf niederem Reibwert, erweist sich die gesteigerte Dynamik jedoch gegebenenfalls als störend, da sie zu einem signifikant starken und ungewollten Durchdrehen des jeweiligen Antriebsrads führen kann. Im Generatorbetrieb kann es bei einem abrupten Wechsel des Reibwerts ebenfalls zu hohen Verzögerungswerten des Antriebsstrangs kommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass vorzeitig ein Durchdrehen des jeweiligen Antriebsrads vermieden werden kann, indem die Dynamik des Antriebsstrang auf einen sinnvoll nutzbaren Bereich oder Wert limitiert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst in einem ersten Schritt a) eine aktuelle Antriebsdrehzahl des Antriebsstrang erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Antriebsdrehzahl eine aktuelle Beschleunigung des Abtriebsstrangs bestimmt wird. Unter einer Antriebsdrehzahl ist hier bevorzugt eine Drehzahl des Antriebstrangs zu verstehen, die proportional zu der Drehzahl des jeweiligen Antriebsrads ist und insbesondere der Drehzahl des jeweiligen Antriebsrads entspricht. Bevorzugt wird die aktuelle Beschleunigung aus den Raddrehzahlen direkt bestimmt. In einem darauffolgenden Schritt b) wird eine oberer und/oder ein unterer Beschleunigungsgrenzwert des Antriebsstrangs vorgegeben. Vorzugsweise orientiert sich der jeweilige Beschleunigungsgrenzwert an Beschleunigungswerten, die üblicherweise zu einem Durchdrehen des Antriebsrads führen würden. In einem folgenden Schritt c) wird eine Abweichung bestimmt, wenn die aktuelle Beschleunigung den oberen Beschleunigungsgrenzwert überschreitet oder den unteren Beschleunigungsgrenzwert unterschreitet. Dabei entspricht die Abweichung bevorzugt der Differenz zwischen der aktuellen Beschleunigung und dem oberen Beschleunigungsgrenzwert oder dem unteren Beschleunigungsgrenzwert. Schließlich ist vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt d) eine Drehmomentbegrenzung für die mindestens eine Antriebsmaschine in Abhängigkeit der in Schritt c) bestimmten Abweichung derart bestimmt wird, dass ein Durchdrehen des jeweiligen Antriebsrads vermieden wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also erreicht, dass ohne das Eingreifen eines separaten Schlupfregelsystems, wie beispielsweise eines ESP-Systems (ESP = elektronisches Stabilitätsprogramm) die Dynamik des Antriebsstrangs auf einen sinnvollen Wert begrenzt wird, sodass ein Durchdrehen des jeweiligen Antriebsrads entweder erst gar nicht erfolgt oder in kürzester Zeit unterbunden wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehmomentbegrenzung durch einen Regelfaktor bestimmt wird, der in Abhängigkeit der Abweichung und wenigstens einer zuvor hinterlegten Kennlinie ermittelt wird. Die wenigstens eine Kennlinie berücksichtigt den Zusammenhang zwischen der erfassten Abweichung und dem zu bestimmenden Regelfaktor, insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Antriebsdrehzahl und/oder eines aktuellen Antriebsdrehmoment der Antriebsmaschine. Durch das Zurückgreifen auf die eine oder vorzugsweise mehrere Kennlinien wird der Regelfaktor besonders schnell und leicht ermittelt. Die Kennlinie wird zuvor bevorzugt durch empirische Verfahren ermittelt oder durch Versuche bestimmt und in einem nicht-flüchtigen Speicher des Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs, hinterlegt.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass ein aktuelles Antriebsdrehmoment der Antriebsmaschine erfasst und mit einem vorgebbaren oberen Grenzwert und/oder mit einem vorgebbaren unteren Grenzwert verglichen wird, wobei das Verfahren insbesondere nur dann durchgeführt wird, wenn der obere Grenzwert durch das aktuelle Antriebsdrehmoment überschritten oder der untere Grenzwert durch das aktuelle Antriebdrehmoment unterschritten wird. Es ist also insbesondere vorgesehen, dass in Abhängigkeit des Antriebsdrehmonents der Einsatz des Verfahrens geschaltet wird. Die Grenzwerte werden dabei bevorzugt in Abhängigkeit einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit vergeben. Bevorzugt ist vorgesehen, dass, wenn der untere Grenzwert unterschritten oder der obere Grenzwert überschritten wird, ein Memorywert „eingefroren“ wird, der insbesondere dem jeweiligen Grenzwert entspricht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass, wenn das erfasste Antriebsdrehmoment den oberen Grenzwert überschreitet oder den unteren Grenzwert unterschreitet, in einem Schritt e) der Regelfaktor mit dem jeweiligen Grenzwert oder mit dem aktuellen Antriebsdrehmoment, insbesondere mit dem Minimum aus aktuellem Antriebsmoment und Memorywert, multipliziert wird, und in einem Schritt f) der daraus resultierende Wert mit dem angeforderten Antriebsdrehmoment verglichen wird, wobei in einem darauffolgenden Schritt g) in Abhängigkeit des Vergleichs ein modifizierter Drehmomentsollwert der Antriebsmaschine zur Drehmomentbegrenzung vorgegeben wird. Das überschüssige Drehmoment der Antriebsmaschine wird dadurch bereits reduziert, bevor eine externe Schlupfregelung beziehungsweise ein externes Schlupfregelungssystem, wie beispielsweise das bereits genannte ESP-System, eingreifen kann. Es erfolgt also eine Vorsteuerung, die Beschleunigungsspitzen vermindert oder gar eliminiert, wodurch ein optimales Fahrverhalten erreicht wird.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Regelfaktor in Schritt e) mit dem kleineren Wert von Grenzwert und aktuellem Abtriebsdrehmoment multipliziert wird.
  • Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in Schritt f) der kleinere Wert von dem resultierenden Wert und dem angeforderten Antriebsdrehmoment als modifizierter Drehmomentsollwert der wenigstens einen Antriebsmaschine vorgegeben wird.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass als Antriebsmaschine eine elektrische Maschine betrieben wird. Insbesondere bei der elektrischen Maschine ergeben sich die eingangs bereits genannten hohen Beschleunigungswerte, die durch das Verfahren in vorteilhafter Weise limitiert werden.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zusätzlich oder alternativ als Antriebsmaschine ein Verbrennungsmotor betrieben wird. Bereits hier kann das Verfahren in vorteilhafter Weise angewandt beziehungsweise durchgeführt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
  • Das Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch einen auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode aus, der das erfindungsgemäße Verfahren durchführt, wenn er auf einem Computer ausgeführt wird.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt im Folgenden die einzige Figur ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung als Blockdiagramm.
  • Die Figur zeigt in einem vereinfachten Blockdiagramm die Funktionsweise einer Vorrichtung 1 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 2 eines hier nicht näher dargestellten Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine 2 ist mit wenigstens einem Antriebsrad, insbesondere mit einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs wirkverbunden, sodass das Drehmoment der elektrischen Maschine durch das eine oder vorzugsweise mehrere Antriebsräder auf eine Fahrbahn übertragen wird. Die elektrische Maschine 2 ist insofern eine Antriebsmaschine des Antriebsstrangs.
  • Die Vorrichtung 1 zum Betreiben des Antriebsstrangs dient dazu, die Antriebsstrangdynamik des Antriebsstrangs sinnvoll zu begrenzen. Die Vorrichtung 1 weist hierzu unterschiedliche Mittel auf.
  • Zunächst weist die Vorrichtung 1 Mittel zum Erfassen eines aktuell angeforderten Antriebsdrehmoments MMotTar auf. Bei diesen Mitteln kann es sich beispielsweise um eine Einrichtung zum Erfassen einer Gaspedalstellung handeln. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 Mittel auf, um die aktuelle Beschleunigung des Antriebsstrangs zu erfassen. Dazu wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 erfasst. Dabei wird entweder die Drehzahl direkt gemessen oder aus einem Winkelgebersignal der elektrischen Maschine ermittelt. In Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl lässt sich auf einfache Art und Weise die aktuelle Beschleunigung der elektrischen Maschine und damit des Antriebsstrangs ermitteln. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, die Beschleunigung des Antriebsstrangs aus dem Mittelwert der Raddrehzahlen der angetriebenen Räder und bei einem Einzelradantrieb direkt aus der gemessenen Raddrehzahl zu bestimmen.
  • Die erfasste Drehzahl wird bevorzugt einem Filter 3 zugeführt, der das Drehzahlsignal derart aufbereitet, dass störende Frequenzanteile ausgeblendet werden. Der Filter 3 kann beispielsweise als rekursives Filter oder auch als Mittelwertbildner ausgebildet sein. Entscheidend ist, dass ein robustes Drehzahlsignal entsteht, aus dessen zeitlicher Änderung in der darauffolgenden Beschleunigungsberechnung 4 ein Signal für die Beschleunigung aAct des Antriebsstrangs abgeleitet werden kann.
  • Die Beschleunigung des Antriebsstrangs aAct erhält man zum Beispiel durch Differenzierung der Drehzahl nMotE der elektrischen Maschine 2:
    Figure DE102013223625A1_0002
    oder durch Differenzierung der Raddrehzahlen vL, vR aAct = 0.5 / dt·(vL(k) + vR(k) – vL(k – 1) – vR(k – 1)). (2)
  • Es gelten dabei folgende Größen: nMot entspricht der Istdrehzahl der elektrischen Maschine 2, rRad entspricht dem Radradius des jeweiligen Antriebsrads, iG entspricht der resultierenden Übersetzung, die sich beispielsweise aus einem der elektrischen Maschine 2 nachgeschalteten Getriebe und/oder einem Differenzialgetriebe an einer Radachse ergibt, und dt der Abtastrate. Das Minimum aus (1) und (2) wird zur weiteren Verarbeitung als aAct genutzt.
  • Die Vorrichtung 1 weist weiterhin einen Regler 5 auf, der als Eingangswert die Differenz aus einer Sollbeschleunigung und aktueller Istbeschleunigung aAct des Antriebsstrangs beziehungsweise der elektrischen Maschine 2 erhält. Der Regler 5 zur Limitierung der Antriebsstrangdynamik wird durch eine Freigabeeinrichtung 6 aktiviert, sobald ein vorgebbarer Grenzwert für das Abtriebsdrehmoment der elektrischen Maschine 2 im motorischen Betrieb überschritten wird oder ein unterer Grenzwert durch das Abtriebsdrehmoment der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb unterschritten wird.
  • Der Regler 5 wird abgeschaltet, sobald die Drehzahl nMotE einen weiteren vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet. Während einer Regelung durch ein separates Schlupfregelsystem, wie beispielsweise bei einer TCS-Regelung, kann der Regler 5 optional aktiviert bleiben, solang wie die Motordrehzahl größer als eine vorgegebene Solldrehzahl ist. Während einer ABS/DTC-Regelung (Motorschleppmomentregelung) kann der Regler 5 ebenfalls optional aktiviert bleiben, solange die Motordrehzahl kleiner als eine vorgegebene Solldrehzahl ist.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Regler 5 zur Durchführung einer Faktorregelung ausgebildet. Alternativ können jedoch auch andere Regler, wie beispielsweise ein PID-Regler vorgesehen sein.
  • Im Antriebsfall, wenn also die elektrische Maschine 2 motorisch betrieben wird und ein positives Abtriebsdrehmoment ausgibt, wird in Abhängigkeit bevorzugt von der Fahrzeuggeschwindigkeit, eine obere Grenze aMax für die Beschleunigung des Antriebsstrangs vorgegeben. Gleiches gilt für den Generatorbetrieb, wenn also die elektrische Maschine 2 ein negatives Abtriebsdrehmoment ausgibt. Hier wird in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit eine untere zulässige Beschleunigungsgrenze für die Beschleunigung des Antriebsstrangs vorgegeben.
  • Neben der Fahrzeuggeschwindigkeit kann optional auch die Querbeschleunigung sowie ein ermittelter Reibwert zur Bestimmung der Grenzwerte für die Beschleunigung aMax herangezogen werden.
  • Aus der Differenz zwischen der Soll- und der Istbeschleunigung des Antriebsstrangs beziehungsweise aus der Differenz der Istbeschleunigung aAct und des jeweiligen über- oder unterschrittenen Grenzwertes wird eine Abweichung del_aAct ermittelt.
  • Wird der Grenzwert aMax für die Antriebsstrangbeschleunigung überschritten, entsteht die Abweichung del_aAct. Dieser Wert gibt an, wie stark die Beschleunigung des Antriebsstrangs vom jeweiligen Sollwert aMax (oberer oder unterer Grenzwert) abweicht. Aus der Abweichung wird über eine Kennlinie ein Abregelfaktor bestimmt. Die Kennlinie wurde zuvor in einem nicht-flüchtigen Speicher der Vorrichtung 1 hinterlegt und empirisch oder durch Versuche ermittelt oder berechnet.
  • Parallel dazu wird aus dem aktuellen Istmotormoment MMotAct ein Memorywert MMotMem beziehungsweise Zwischenwert gebildet: sobald die Antriebsstrangbeschleunigung aAct den zulässigen Bereich verlässt beziehungsweise den oberen oder unteren Grenzwert über- oder unterschreitet, wird der Regelfaktor aktiviert und der Memorywert (Drehmoment) nicht mehr aktualisiert, sodass der Memorywert dem oberen oder unteren Grenzwert, je nach dem welcher von beiden über- beziehungsweise unterschritten wurde, entspricht.
  • Der Regelfaktor wird mit dem Minimum aus Memorywert und aktuellem Motormoment multipliziert. Der daraus resultierende Wert wird verglichen mit dem extern angeforderten Antriebsdrehmoment MMotTar. Das Minimum beider Werte wird als modifizierter Drehmomentsollwert MMotTarLim für die elektrische Maschine 2 in einem Inverter 7, der die elektrische Maschine 2 ansteuert, interpretiert.
  • Das überschüssige Motordrehmoment wird also bereits reduziert, bevor ein externes Schlupfregelsystem eingreifen kann. Es erfolgt also eine Vorsteuerung, die Beschleunigungsspitzen vermindert oder eliminiert. Zusätzlich kann auch eine Unterstützung während des TCS- oder ABS-Betriebs erfolgen. Das beschriebene Vorgehen gilt sowohl für den motorischen als auch für den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 2.
  • Zusammengefasst weist die Vorrichtung 1 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel somit einen Filter 3 zum Filtern der Drehzahl der elektrischen Maschine 2, eine Beschleunigungsbestimmung 4 zum Berechnen der Beschleunigung des Antriebsstrang, eine Ermittlung einer Obergrenze und einer Untergrenze für die Beschleunigung, eine Freigabeeinrichtung 6 für einen Regler 5 sowie den Regler 5 auf.
  • Das beschriebene Verfahren kommt insbesondere bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb zum Einsatz, kann jedoch auch bei Antriebsvorrichtungen sowie Antriebssträngen, die über einen Verbrennungsmotor verfügen, genutzt werden. Aus der direkten Auswertung der Antriebgsstrangdynamik(-Beschleunigung) wird im Bedarfsfall eine frühzeitige Limitierung des überschüssigen Antriebsdrehmoments vorgenommen. Dies erfolgt noch bevor ein externer Schlupfregelsystem ein Durchdrehen der Antriebsräder erkennen oder verhindern kann. Bevorzugt ist der Regler 5 in der Vorrichtung 1 möglichst nahe an der elektrischen Maschine 2 platziert, zum Beispiel im Inverter-Steuergerät. Dies hilft, Latenzzeiten, bedingt durch Signalübertragungszeiten, zu minimieren und so die Wirksamkeit der Maßnahme zu erhöhen. Ein autarker Betrieb des Reglers 5 ist möglich. Durch die Begrenzung der ungewollten Überschussmomente werden außerdem Belastungsspitzen und der Energieverbrauch des Antriebsstrangs vermindert. Eine sich anschließende Schlupfregelung durch ein externes System kann außerdem günstig beeinflusst werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der wenigstens eine Antriebsmaschine (2) aufweist, die mit wenigstens einem mit einer Fahrbahn in Kontakt stehenden Antriebsrad wirkverbunden ist, um ein angefordertes Antriebsdrehmoment auf die Fahrbahn zu übertragen, mit folgenden Schritten: a) Erfassen einer aktuellen Antriebsdrehzahl des Antriebsstrangs und Bestimmen einer aktuellen Beschleunigung des Antriebsstrangs in Abhängigkeit der erfassten Antriebsdrehzahl, b) Vorgeben eines oberen Beschleunigungsgrenzwertes und/oder eines unteren Beschleunigungsgrenzwertes, c) Bestimmen einer Abweichung, wenn die aktuelle Beschleunigung den oberen Beschleunigungsgrenzwert überschreitet oder den unteren Beschleunigungsgrenzwert unterschreitet, d) Bestimmen einer Drehmomentbegrenzung für die mindestens eine Antriebsmaschine in Abhängigkeit von der bestimmten Abweichung, um ein Durchdrehen des Antriebsrads zu vermeiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentbegrenzung durch einen Regelfaktor bestimmt wird, der in Abhängigkeit der Abweichung und wenigstens einer zuvor hinterlegten Kennlinie ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuelles Antriebsdrehmoment des Antriebsstrangs erfasst und mit einem vorgebbaren oberen Grenzwert und/oder einem vorgebbaren unteren Grenzwert verglichen wird, wobei das Verfahren insbesondere nur dann durchgeführt wird, wenn das erfasste Antriebsdrehmoment den oberen Grenzwert über- oder den unteren Grenzwert unterschreitet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das erfasste Antriebsdrehmoment den oberen Grenzwert überschreitet oder den unteren Grenzwert unterschreitet, e) der Regefaktor mit dem jeweiligen Grenzwert oder mit dem aktuellen Antriebsdrehmoment multipliziert und f) ein daraus resultierender Wert mit dem Antriebsdrehmoment verglichen wird, wobei g) in Abhängigkeit des Vergleichs zur Drehmomentbegrenzung ein modifizierter Drehmomentsollwert der Antriebsmaschine vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelfaktor in Schritt e) mit dem kleineren Wert von Grenzwert und aktuellem Antriebsdrehmoment multipliziert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt f) der kleinere Wert von dem resultierenden Wert und dem angeforderten Antriebsdrehmoment als modifizierter Drehmomentsollwert vorgegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmaschine eine elektrische Maschine betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsmaschine ein Verbrennungsmotor betrieben wird.
  9. Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, der wenigstens eine Antriebsmaschine, insbesondere elektrische Maschine, aufweist, gekennzeichnet durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät, dass das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
  10. Computerprogramme-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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