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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten elektrischen Maschine und mit einer zweiten elektrischen Maschine, und mit einer Energiespeichereinrichtung, die mit einem Ladestrom aufladbar ist, der zum Beispiel während eines Bremsvorgangs durch eine der elektrischen Maschinen bereitgestellt wird, wobei eine der elektrischen Maschinen als Schwungradspeicher zum Speichern von kinetischer Energie geeignet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computer-Programmprodukt mit einem Programmcode zum Durchführen eines derartigen Verfahrens. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebsstrang.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 033 234 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von überschüssiger kinetischer Energie von einer rotierenden Welle bekannt, bei dem kinetische Energie von einer rotierenden Welle partiell durch mindestens eine erste elektrische Maschine in eine elektrische Energie gewandelt wird und partiell durch mindestens eine zweite elektrische Maschine in eine weitere kinetische Energie gewandelt wird, wobei ein Schwungrad der mindestens einen zweiten Maschine über eine Klemmvorrichtung blockiert und mindestens eine zweite Maschine als Motor betrieben wird, wenn durch das Schwungrad keine weitere kinetische Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann, wobei das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung freigegeben wird, wenn überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle in die mindestens eine zweite Maschine gewandelt wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 010 503 A1 ist ein Rotationsenergiespeicher für den Einsatz in einem Mehrspannungsbordnetz mit einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz bei einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb bekannt, wobei mindestens eine Niedervoltspule im Wirkungsbereich des Magnetfelds derart eingerichtet ist, dass sich die Magnetfeld-Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds von einer Niedervoltspule aus betrachtet in Rotation versetzen lässt, so dass kinetische Energie in Form von Rotationsenergie in elektrische Energie für das Niedervoltnetz umwandelbar ist, wobei elektrische Energie aus dem Niedervoltnetz mit einer Niedervoltspannung, die ein im Vergleich zur Hochvoltspannung niedrigeres Spannungsniveau aufweist, an die Niedervoltspule koppelt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten elektrischen Maschine und mit einer zweiten elektrischen Maschine, und mit einer Energiespeichereinrichtung, die mit einem Ladestrom aufladbar ist, der zum Beispiel während eines Bremsvorgangs durch eine der elektrischen Maschinen bereitgestellt wird, wobei eine der elektrischen Maschinen als Schwungradspeicher zum Speichern von kinetischer Energie geeignet ist, zu vereinfachen oder effizienter zu gestalten.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten elektrischen Maschine und mit einer zweiten elektrischen Maschine, und mit einer Energiespeichereinrichtung, die mit einem Ladestrom aufladbar ist, der zum Beispiel während eines Bremsvorgangs durch eine der elektrischen Maschinen bereitgestellt wird, wobei eine der elektrischen Maschinen als Schwungradspeicher zum Speichern von kinetischer Energie geeignet ist, dadurch gelöst, dass die erste elektrische Maschine durch die zweite elektrische Maschine, die generatorisch kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie umwandelt, motorisch angetrieben wird, um kinetische Energie zwischenzuspeichern. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein reines Elektrofahrzeug. Im normalen Betrieb wird das Kraftfahrzeug durch eine der elektrischen Maschinen oder durch beide elektrische Maschinen angetrieben. Um das Kraftfahrzeug zu verzögern, wird mindestens eine angekoppelte elektrische Maschine generatorisch gebremst. Die dabei gewonnene Energie kann vorteilhaft in die elektrische Energiespeichereinrichtung geladen werden. Bei der elektrischen Energiespeichereinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie, die auch als Traktionsbatterie bezeichnet wird. Um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen, wird mindestens eine angekoppelte elektrische Maschine motorisch angetrieben. Dazu wird Energie aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung entnommen. Der Antriebsstrang mit den elektrischen Maschinen wird auch als elektrischer Traktionsantrieb bezeichnet. Kraftfahrzeuge mit elektrischen Traktionsantrieben können potentielle und kinetische Energie, insbesondere über einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschinen, in den elektrischen Energiespeicher einspeisen. Dies wird im Allgemeinen als Rekuperation bezeichnet. Die so gewonnene Energie kann für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden und vergrößert die Reichweite und Effizienz im Betrieb des Kraftfahrzeugs. Die maximale Rekuperationsleistung ist abhängig von der maximalen generatorischen Leistung des Traktionsantriebs und der maximalen Aufnahmeleistung des elektrischen Energiespeichers. Sollte die geforderte Bremsleistung die maximale Aufnahmeleistung des Energiespeichers übersteigen, wird die Differenz bei herkömmlichen Verfahren von der mechanischen Reibbremse gestellt und ist nicht mehr für den Antrieb nutzbar. Im Normalfall kann der Energiespeicher zwar die Energie aufnehmen, aber nicht mit einer derart hohen Leistung. Durch das beanspruchte Verfahren kann Energie, welche die maximale Aufnahmeleistung des Energiespeichers übersteigen würde, vorteilhaft zwischengespeichert werden. Die zwischengespeicherte Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt mit einer geringeren Leistung im fahrzeuginternen System wieder zur Verfügung gestellt werden. Für die Zwischenspeicherung wird vorteilhaft keine zusätzliche Komponente benötigt. Die Zwischenspeicherung erfolgt besonders vorteilhaft im Rotor einer der elektrischen Maschinen, insbesondere der ersten elektrischen Maschine, die zu diesem Zeitpunkt vorteilhaft vom Antriebsstrang abgekoppelt wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten elektrischen Maschine zwischengespeicherte kinetische Energie genutzt wird, um die Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel generatorisch durch die erste elektrische Maschine, aufzuladen. Die beiden elektrischen Maschinen sind vorzugsweise sowohl als Elektromotor als auch als Generator betreibbar. Die Zwischenspeicherung erfolgt vorteilhaft dann, wenn die geforderte Bremsleistung nicht von der elektrischen Energiespeichereinrichtung aufgenommen werden kann. Die überschüssige Leistung wird vorteilhaft dazu verwendet, den Rotor der ersten elektrischen Maschine zu beschleunigen. Mit dieser in der ersten elektrischen Maschine zwischengespeicherten kinetischen Energie kann dann die Hochvoltbatterie nach einer Beendigung des vorangegangenen Bremsvorgangs genutzt werden, um die Energiespeichereinrichtung langsam aufzuladen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine elektrisch dann durch die zweite elektrische Maschine angetrieben wird, wenn die zum Beispiel während eines Bremsvorgangs verfügbare Bremsenergie nur zu einem Teil genutzt werden kann, um die Energiespeichereinrichtung aufzuladen, wobei die überschüssige Bremsenergie zum elektrischen Antreiben der ersten elektrischen Maschine durch die zweite elektrische Maschine verwendet wird. Die in der ersten elektrischen Maschine gespeicherte kinetische Energie wird vorteilhaft entladen, sobald die Hochvoltbatterie nicht mehr mit ihrer maximalen Ladeleistung geladen wird. Dadurch kann zusätzlich Energie gewonnen werden, die ansonsten beim Bremsen ungenutzt durch Reibung in Wärme umgewandelt würde und verloren ginge.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen als Traktionsmaschinen in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ausgeführt sind. Zu diesem Zweck sind die Traktionsmaschinen, zum Beispiel über ein Getriebe, antriebsmäßig mit mindestens zwei Rädern des Kraftfahrzeugs verbindbar. Je nach Ausführung können auch alle vier Räder mit den elektrischen Maschinen angetrieben werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine vom Antriebsstrang abgekoppelt wird, wenn die erste elektrische Maschine elektrisch durch die zweite elektrische Maschine angetrieben wird. Die erste elektrische Maschine wird vorteilhaft mechanisch vom Antriebsstrang abgekoppelt. Das mechanische Abkoppeln kann zum Beispiel durch eine Kupplung oder durch ein Planetengetriebe erfolgen. Die sonst zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendete erste elektrische Maschine wird im abgekoppelten Zustand als Schwungradspeicher verwendet. Dabei wird die Rekuperationsleistung, die während eines Bremsvorgangs von der zweiten elektrischen Maschine rückgewonnen wird und nicht zum Aufladen der Energiespeichereinrichtung genutzt werden kann, zum Antreiben der abgekoppelten ersten elektrischen Maschine genutzt. Dadurch kann die überschüssige Bremsenergie in Form von Rotationsenergie zwischengespeichert werden. Die abgekoppelte erste elektrische Maschine speist die zwischengespeicherte Energie dann nach dem Bremsvorgang über einen längeren Zeitraum und mit geringerer Leistung generatorisch in das fahrzeuginterne System ein, wodurch die Hochvoltbatterie aufgeladen wird und/oder mindestens ein Nebenverbraucher versorgt wird. Falls das Kraftfahrzeug nach dem Bremsvorgang direkt wieder beschleunigt, kann die zwischengespeicherte Energie zum Antreiben der zweiten elektrischen Maschine genutzt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine vom Antriebsstrang über ein schlupfendes Trennelement über eine Abtriebswinkelgeschwindigkeit hinaus beschleunigt wird, wenn die erste elektrische Maschine elektrisch durch die zweite elektrische Maschine angetrieben wird. Gemäß einem weiteren Aspekt muss die als Rotationsenergiespeicher genutzte erste elektrische Maschine nicht unbedingt mechanisch vom Antriebsstrang abgekoppelt sein. Durch ein schlupfendes Trennelement kann die Winkelgeschwindigkeit der ersten elektrischen Maschine über die Winkelgeschwindigkeit des Abtriebs hinaus beschleunigt werden. Die Drehmomentanforderung am Abtrieb kann dann weiterhin über geregelten Schlupf einer Kupplung bereitgestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine einer Hinterachse und die zweite elektrische Maschine einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind. Unter Zwischenschaltung geeigneter Getriebe wird somit ein besonders komfortabler und effizienter Allradantrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computer-Programmprodukt mit einem Programmcode zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens. Das Computerprogramm wird vorzugsweise in einem Steuergerät, insbesondere in einem Elektromotor- und/oder Ladesteuergerät, des Kraftfahrzeugs ausgeführt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Steuergerät, insbesondere ein Elektro- und/oder Ladesteuergerät, zum Steuern eines Ladesystems für eine Energiespeichereinrichtung mit einem vorab beschriebenen Computer-Programmprodukt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine in einem Antriebsstrang, und mit einer Energiespeichereinrichtung, die mit einem Ladestrom aufladbar ist, der zum Beispiel während eines Bremsvorgangs gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren mit überschüssiger Energie durch eine der elektrischen Maschinen bereitgestellt wird, wobei eine der elektrischen Maschinen als Schwungradspeicher zum Speichern von kinetischer Energie geeignet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Rekuperation für ein batterieelektrisches Kraftfahrzeug;
- 2 eine ähnliche Darstellung wie in 1 beim Entladen eines Zwischenspeichers;
- 3 eine vereinfachte Darstellung eines batterieelektrischen Kraftfahrzeugs mit einem Antriebsstrang, der zwei elektrische Maschinen umfasst, die mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden sind;
- 4 das Kraftfahrzeug aus 3 beim Zwischenspeichern von überschüssiger Energie in einer abgekoppelten elektrischen Maschine und
- 5 das Kraftfahrzeug aus 3 beim Aufladen der Energiespeichereinrichtung mit der zwischengespeicherten Energie.
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In 1 ist durch zwei Kreise symbolisch ein Rad 1 angedeutet, das zu einem (in 1 nicht dargestellten) batterieelektrischen Kraftfahrzeug gehört. Durch einen Pfeil, der von dem Rad 1 ausgeht, ist kinetische Energie 2 angedeutet, die von dem Rad 1, zum Beispiel bei einem Bremsvorgang, abgegeben wird.
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Durch Pfeile 3, 4 ist eine maximale generatorische Leistung einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik des batterieelektrischen Kraftfahrzeugs angedeutet. Durch einen Pfeilanfang ist elektrische Energie angedeutet, die generatorisch von der elektrischen Maschine, zum Beispiel bei dem Bremsvorgang, abgegeben wird.
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Durch Pfeile 6, 7 ist eine maximale Ladeleistung einer als Hochvoltbatterie ausgeführten Energiespeichereinrichtung 8 angedeutet. Durch Pfeile 11, 12 ist eine maximale Aufnahmeleistung eines Zwischenspeichers 10 angedeutet.
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Der Zwischenspeicher 10 dient vorteilhaft dazu, Energie, die, zum Beispiel bei dem Bremsvorgang, aufgrund der begrenzten maximalen Ladeleistung 6, 7 nicht von der Hochvoltbatterie 8 aufgenommen werden kann, zwischenzuspeichern. Die zwischenzuspeichernde Energie ist in 1 durch eine Pfeilspitze zwischen 11 und 12 angedeutet. Durch eine Pfeilspitze zwischen den Pfeilen 6 und 7 ist angedeutet, dass die Hochvoltbatterie 8 in 1 mit ihrer maximalen Ladeleistung aufgeladen wird.
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In 2 ist durch einen Pfeil elektrische Energie 20 angedeutet, die in dem Zwischenspeicher 10 zwischengespeichert war. Die zwischengespeicherte elektrische Energie 20 wird, wie man in 2 sieht, genutzt, um die Hochvoltbatterie 8 mit ihrer durch Pfeile 21 und 22 angedeuteten maximalen Ladeleistung aufzuladen. In der Hochvoltbatterie 8 wird die elektrische Energie 20 in Form von chemischer Energie gespeichert.
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In den 3 bis 5 ist ein Batterieelektrofahrzeug 30 vereinfacht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 30 umfasst einen Antriebsstrang 35 mit einer ersten elektrischen Maschine 31 und mit einer zweiten elektrischen Maschine 32.
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Die erste elektrische Maschine 31 ist als Traktionsmaschine ausgeführt und dem Antriebsstrang 35 einer Hinterachse 33 des Kraftfahrzeugs 30 zugeordnet. Die zweite elektrische Maschine 32 ist ebenfalls als Traktionsmaschine ausgeführt und in dem Antriebsstrang 35 einer Vorderachse 34 des Kraftfahrzeugs 30 zugeordnet.
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Die der Hinterachse 33 zugeordnete erste elektrische Maschine 31 dient zum Antreiben von zwei Rädern 36, 37. Die der Vorderachse 34 zugeordnete zweite elektrische Maschine 32 dient zum Antreiben von zwei Rädern 38, 39.
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Das Kraftfahrzeug 30 umfasst des Weiteren eine als Hochvoltbatterie ausgeführte Energiespeichereinrichtung 40. Die beiden elektrischen Maschinen 31, 32 können als Elektromotoren betrieben werden. Dann werden die elektrischen Maschinen 31, 32 mit elektrischer Energie angetrieben, die von der Energiespeichereinrichtung 40 bereitgestellt wird. Die elektrischen Maschinen 31, 32 können auch als Generatoren arbeiten. Dann können die elektrischen Maschinen 31, 32 verwendet werden, um die Energiespeichereinrichtung 40 aufzuladen.
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Die erste elektrische Maschine 31 ist unter Zwischenschaltung eines Trennelements 43 über ein Getriebe 41 antriebsmäßig mit der Hinterachse 33 des Kraftfahrzeugs 30 verbindbar. Durch das Trennelement 43 kann die elektrische Maschine 41 vom Antriebsstrang 35 abgekoppelt werden.
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Die zweite elektrische Maschine 32 ist über ein Getriebe 42 antriebsmäßig mit der Vorderachse 34 des Kraftfahrzeugs 30 verbunden. Die beiden als Traktionsmaschinen ausgeführten elektrischen Maschinen 31, 32 sind unabhängig voneinander betreibbar.
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Um das Kraftfahrzeug 30 zu verzögern, wird mindestens eine angekoppelte elektrische Maschine 31, 32 generatorisch gebremst. Die dabei gewonnene Energie kann in die Hochvoltbatterie 40 geladen werden. Um das Kraftfahrzeug 30 zu beschleunigen, wird mindestens eine angekoppelte elektrische Maschine 31, 32 motorisch betrieben. Dazu wird Energie aus der Hochvoltbatterie 40 entnommen.
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Im sogenannten Rekuperationsbetrieb kann es passieren, dass eine im Betrieb des Kraftfahrzeugs 30 geforderte Bremsleistung nicht von der Hochvoltbatterie 40 aufgenommen werden kann, weil die maximale Ladeleistung der Hochvoltbatterie 40 überschritten wird.
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In 4 ist durch einen Pfeil 45 angedeutet, dass die Hochvoltbatterie 40 mit ihrer maximalen Ladeleistung aufgeladen wird. Die entsprechende elektrische Energie wird von der generatorisch betriebenen zweiten elektrischen Maschine 32 bereitgestellt. Die beim Bremsvorgang auftretende überschüssige Energie wird, wie in 4 durch einen Pfeil 46 angedeutet ist, genutzt, um die vom Antriebsstrang 35 abgekoppelte erste elektrische Maschine 31 durch die zweite elektrische Maschine 32 anzutreiben. Die überschüssige Leistung 46 wird in der vom Antriebsstrang 35 abgekoppelten ersten elektrischen Maschine 31 dazu verwendet, einen Rotor der ersten elektrischen Maschine 31 zu beschleunigen. Der beschleunigte Rotor der ersten elektrischen Maschine 31 stellt dann einen Schwungradspeicher zum Speichern von kinetischer Energie dar.
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In 5 ist durch einen Pfeil 50 angedeutet, dass die in der ersten elektrischen Maschine 31 rotatorisch gespeicherte Energie, vorzugsweise nach Beendigung des Bremsvorgangs, verwendet wird, um die Hochvoltbatterie 40 langsam zu laden. Der durch den Pfeil 50 angedeutete Ladevorgang wird vorteilhaft gestartet, sobald die Hochvoltbatterie 40 nicht mehr mit ihrer maximalen Ladeleistung geladen wird.
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Die Hochvoltbatterie 40 ist, wie man in 3 sieht, mit einem Steuergerät 44 verbunden. Bei dem Steuergerät 44 handelt es sich um ein Elektromotor- und Ladesteuergerät, mit dem das Aufladen der Hochvoltbatterie 40 und das Zwischenspeichern der überschüssigen Energie in der ersten elektrischen Maschine 31 sowie das Aufladen der Hochvoltbatterie 40 mit der zwischengespeicherten Energie gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 44, wie durch gestrichelte Steuerleitungen angedeutet ist, sowohl mit der ersten elektrischen Maschine 31 als auch mit der zweiten elektrischen Maschine 32 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010033234 A1 [0002]
- DE 102010010503 A1 [0002]
