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Die Erfindung betrifft ein Steckverbindungssystem zum Aufladen eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ebenfalls ein Verfahren zum automatischen Herstellen einer Steckverbindung zwischen einer ersten Steckverbindungseinheit für ein Kraftfahrzeug, welches an das Kraftfahrzeug anbringbar ist, und einer zweiten Steckverbindungseinheit.
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Momentan gibt es viele Entwicklungen beziehungsweise Bestrebungen, Kraftfahrzeuge zu elektrifizieren. Dies bedeutet insbesondere, dass vermehrt Elektrofahrzeuge im Straßenverkehr zum Einsatz kommen sollen. Diese Elektrofahrzeuge benötigen eine hinreichend leistungsfähige Traktionsbatterie, welche auch immer wieder geladen werden muss. Dabei ist der Aufladevorgang beziehungsweise der Aufladeprozess ein Themenfeld, welches aktuell noch Schwierigkeiten bereitet beziehungsweise deutliches Verbesserungspotential beinhaltet. Beispielsweise muss sichergestellt werden, dass beim Ladevorgang oder Initiieren des Ladevorgangs keine Personen infolge eines Stromschlags zu Schaden kommen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Aufladen beziehungsweise das Einleiten des Aufladens automatisiert werden kann.
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Um ein automatisiertes konduktives Laden von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen, ist es sehr wünschenswert, wenn der Steckvorgang automatisiert wird. Dies kann zum Beispiel mithilfe eines Roboterarms erfolgen, welcher einen Stecker oder einen Steckkopf in die entsprechende Steckdose am Elektrofahrzeug einführt. Allerdings ist es dazu notwendig, dass zunächst die Position der entsprechenden Steckverbindungseinheit relativ zur Steckverbindungseinheit am Elektrofahrzeug ermittelt wird. Erst dadurch kann der Roboterarm in Richtung der entsprechenden Steckverbindungseinheit verfahren beziehungsweise gesteuert werden.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2015 225 988 A1 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung wenigstens eines Energieversorgungsvorgangs zwischen einer Energieversorgungseinheit und wenigstens einem mit Energie zu versorgenden Kraftfahrzeug. Dabei wird eine Position einer fahrzeugseitigen Energieversorgungsschnittstelle ermittelt und eine automatische Kopplung zwischen der fahrzeugseitigen Energieversorgungsschnittstelle und einer Energieversorgungsschnittstelle der Energieversorgungseinheit durchgeführt. Die automatisierte Kopplung erfolgt dadurch, dass die Energieversorgungsschnittstelle der Energieversorgungseinheit durch einen Roboter zur fahrzeugseitigen Energieversorgungsschnittstelle bewegt und mit dieser gekoppelt wird.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2017 121 854 A1 beschreibt ein Positionierungsverfahren für eine Fahrzeugladevorrichtung und eine Ladevorrichtungsbaugruppe. Eine beispielhafte Ladevorrichtungsbaugruppe schließt ein Sendersystem, das einem Fahrzeug oder einer konduktiven Ladevorrichtung zugeordnet ist, ein Empfängersystem, das einem anderen Fahrzeug oder der konduktiven Ladevorrichtung zugeordnet ist, ein. Die Ladevorrichtungsbaugruppe weist ebenfalls einen Stellantrieb auf, der einen Ladestecker der konduktiven Ladevorrichtung in Reaktion auf eine Übertragung des Sendersystems in eine Ladeposition bewegt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Ladekonzept zum konduktiven Laden von Elektrofahrzeugen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen dieser Anmeldung gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen und alternative Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen der Beschreibung sowie den Figuren.
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Die Erfindung sieht ein Steckverbindungssystem zum Aufladen eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs vor. Der Energiespeicher kann insbesondere als Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Das Steckverbindungssystem weist eine erste Steckverbindungseinheit für das Kraftfahrzeug mit mehreren RFID-Empfangselementen auf, wobei die erste Steckverbindungseinheit am Kraftfahrzeug anbringbar ist. Des Weiteren weist das Steckverbindungssystem eine zweite Steckverbindungseinheit mit mindestens einem RFID-Senderelement zum Erzeugen eines elektromagnetischen Signals auf. Das Steckverbindungssystem weist zudem eine Steuereinheit auf, welche ausgestaltet ist, in Abhängigkeit von einer zu erfassenden elektromagnetischen Signalstärke des elektromagnetischen Signals an der ersten Steckverbindungseinheit, welche mittels wenigstens eines der RFID-Empfangselemente erfassbar ist, eine Position der zweiten Steckverbindungseinheit in Relation zu der ersten Steckverbindungseinheit zu ermitteln.
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Ferner ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, in Abhängigkeit von der Position ein Kontaktierungssignal zum automatischen Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Steckverbindungseinheit und der zweiten Steckverbindungseinheit zu erzeugen. Die RFID-Empfangselemente werden oft auch als Transponder bezeichnet, die RFID-Senderelemente werden oft auch als Transmitter bezeichnet. Die RFID-Technologie kann zum automatischen berührungslosen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen genutzt werden. Radiowellen stellen ebenfalls elektromagnetische Wellen dar. In Kaufhäusern kann die RFID-Technik verwendet werden, um Produkte zu kennzeichnen beziehungsweise zu lokalisieren. In diesem Fall werden RFID-Empfangselemente zum Detektieren der zweiten Steckverbindungseinheit verwendet. Dabei nutzt die Erfindung insbesondere den Umstand aus, dass die elektromagnetische Signalstärke des elektromagnetischen Signals umso stärker ist, je näher sich die zweite Steckverbindungseinheit an der ersten Steckverbindungseinheit befindet. Je geringer der Abstand zwischen diesen beiden Steckverbindungseinheiten ist, umso größer ist tendenziell die empfangene elektromagentische Signalstärke. Insbesondere können die RFID-Empfangselemente Sensoren aufweisen, um die Stärke des elektromagnetischen Signals zu messen. Es kann auch möglich sein, dass die RFID-Empfangselemente mit einer entsprechenden Sensoreinrichtung gekoppelt sind, welche wiederum die Signalstärke ermitteln kann. Damit ist es nicht länger notwendig, dass die Steckverbindung manuell hergestellt werden muss. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da zum Aufladen von Elektrofahrzeugen deutlich höhere Stromstärken oder deutlich höhere Spannungswerte vorkommen können als im Vergleich zur typischen Hauselektronik. Eine Gefährdung von Menschen kann so reduziert werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht ein Steckverbindungssystem vor, welches sich dadurch auszeichnet, dass die mehreren RFID-Empfangselemente symmetrisch um die erste Steckverbindungseinheit angeordnet sind. Aufgrund dieser symmetrischen Anordnung können sich Vorteile hinsichtlich des Auswertens des empfangenen elektromagnetischen Signals ergeben. Damit kann leichter festgestellt werden, ob die zweite Steckverbindungseinheit in Linie mit der ersten Steckverbindungseinheit ist beziehungsweise wie stark der Versatz zwischen erster und zweiter Steckverbindungseinheit ausgebildet ist. Somit können die Positionsdaten der zweiten Steckverbindungseinheit leichter ermittelt werden. Die Positionsdaten können insbesondere in Form von dreidimensionalen Koordinaten ermittelt werden. Insbesondere kann dabei die erste Steckverbindungseinheit als Bezugssystem gewählt werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht ein Steckverbindungssystem vor, wobei eine Anzahl der mehreren RFID-Empfangselemente ungerade, insbesondere genau drei ist. Einer ungeraden Anzahl von RFID-Empfangselementen können sich Vorteile hinsichtlich des Ermitteins der Position der zweiten Steckverbindungseinheit ergeben. Dabei kann es gewünscht sein, diese Anzahl dennoch auf ein Minimum zu reduzieren, um Kosten zu sparen. Daher kann bevorzugt vorgesehen sein, dass genau drei RFID-Empfangselemente an der ersten Steckverbindungseinheit angeordnet sind.
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Eine weitere Ausführungsform sieht ein Steckverbindungssystem vor, wobei die Steuereinheit ausgestaltet ist, die Position der zweiten Steckverbindungseinheit basierend auf einer Triangulation mehrerer von den RFID-Empfangselementen erfassten elektromagnetischen Signale zu ermitteln und die zweite Steckverbindungseinheit derart zu manövrieren, sodass die zweite Steckverbindungseinheit mit der ersten Steckverbindungseinheit verbunden wird. Die Triangulation kann eine geometrische Methode der Abstandsmessung mithilfe von Winkelmessungen sein. Beispielsweise können mithilfe von drei RFID-Empfangselementen jeweils die Winkel zu dem RFID-Senderelement bestimmt werden. Die Ermittlung beziehungsweise Berechnung des Abstands zwischen beiden Steckverbindungseinheiten kann anschließend mithilfe trigonometrischer Funktionen erfolgen. Damit ist es möglich, bereits mit drei RFID-Empfangselementen oder Transpondern eine hinreichend genaue Positionsbestimmung der zweiten Steckverbindungseinheit zu erhalten. Mithilfe der so ermittelten Position beziehungsweise Positionsdaten der zweiten Steckverbindungseinheit kann die zweite Steckverbindungseinheit gezielt so manövriert werden, sodass eine Steckverbindung zwischen diesen beiden Steckverbindungseinheiten hergestellt wird.
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Eine weitere Ausführungsform sieht ein Steckverbindungssystem mit einer Robotereinheit vor, die einen Roboterarm zum Manövrieren der zweiten Steckverbindungseinheit aufweist. Insbesondere kann die Steuereinheit gezielt die Robotereinheit beziehungsweise den Roboterarm ansteuern, um das entsprechende Manövrieren umzusetzen. Dabei wird insbesondere das Manövrieren so gesteuert oder geregelt, dass eine erfolgreiche Steckverbindung hergestellt wird. Damit ist es nicht länger nötig, dass Menschen Hochvoltleitungen oder Starkstromkabel bewegen. Dadurch kann nicht nur eine Gefährdung von Personen reduziert werden, darüber hinaus kann zusätzlich das Komfortempfinden von Fahrern von Elektrofahrzeugen gesteigert werden.
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Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum automatischen Herstellen einer Steckverbindung zwischen einer ersten Steckverbindungseinheit für ein Kraftfahrzeug mit mehreren RFID-Empfangselementen bereit. Dabei ist die erste Steckverbindungseinheit am Kraftfahrzeug anbringbar. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug ausgebildet. Für das Verfahren wird ebenfalls eine zweite Steckverbindungseinheit mit mindestens einem RFID-Senderelement benötigt. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus: Zunächst wird ein durch das mindestens eine RFID-Senderelement erzeugte elektromagnetische Signal mithilfe wenigstens eines der mehreren RFID-Empfangselemente erfasst. Dies bedeutet insbesondere, dass die RFID-Sendeelemente ein elektromagnetisches Signal erzeugen. Dieses elektromagnetische Signal hat eine vorgegebene Signalstärke. Das elektromagnetische Signal erreicht idealerweise eines der mehreren RFID-Empfangselemente. Diese RFID-Empfangselemente können das elektromagnetische Signal registrieren und insbesondere deren Signalstärke messen. Das Messen der elektromagnetischen Signalstärke kann durch die RFID-Empfangselemente selbst oder durch eine entsprechende dazu angeschlossene Sensoreinrichtung erfolgen.
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In einem weiteren Schritt wird eine Position der zweiten Steckverbindungseinheit in Relation zu der ersten Steckverbindungseinheit in Abhängigkeit von einer erfassten Signalstärke des elektromagnetischen Signals ermittelt. Das Ermitteln der Position kann insbesondere ein Berechnen einer dreidimensionalen Position bedeuten. Beispielsweise kann die Position der zweiten Steckverbindungseinheit in Form von kartesischen Koordinaten ausgedrückt werden. Auch andere Koordinatensysteme können dabei zum Einsatz kommen. Wurde die Position der zweiten Steckverbindungseinheit ermittelt beziehungsweise hinreichend genau ermittelt, so erfolgt der nächste Schritt. Dabei wird ein Kontaktierungssignal zum automatischen Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Steckverbindungseinheit und der zweiten Steckverbindungseinheit erzeugt. Die genannten Beispiele und Vorteile zu den vorangegangenen Ausführungsformen gelten sinngemäß und analog für dieses Verfahren.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht einen weiteren Schritt vor. Dabei wird die zweite Steckverbindungseinheit zu der ersten Steckverbindungseinheit manövriert basierend auf dem Kontaktierungssignal. Dies erfolgt dabei derart, sodass eine elektrische Steckverbindung zwischen der ersten und zweiten Steckverbindungseinheit hergestellt wird. Das Manövrieren der zweiten Steckverbindungseinheit erfolgt dabei bevorzugt mithilfe eines Roboterarms, der von einer Robotereinheit bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann eine Steuereinheit die Position der zweiten Steckverbindungseinheit ermitteln und die Robotereinheit in Abhängigkeit von der ermittelten Position ansteuern. Somit kann die Steuereinheit gezielt Steuersignale für die Robotereinheit erzeugen, damit die Robotereinheit mithilfe des Roboterarms die zweite Steckverbindungseinheit zur ersten Steckverbindungseinheit manövriert, um die Steckverbindung herzustellen. Die vorangegangenen Vorteile und Beispiele gelten sinngemäß für diese Ausgestaltung.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren sowie die dazugehörige Beschreibung die Erfindung lediglich beispielhaft darstellen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine 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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Dabei zeigt:
- 1 eine Seitenansicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem Steckverbindungssystem, wobei eine Robotereinheit seitlich vom Kraftfahrzeug angeordnet ist; und
- 2 eine Seitenansicht zu dem Steckverbindungssystem und Kraftfahrzeug, wobei die Robotereinheit unterhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist;
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1 zeigt beispielhaft ein Kraftfahrzeug 18, welches einen Energiespeicher 20 aufweist. Der Energiespeicher 20 kann eine Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug 18 sein. Neben dem Kraftfahrzeug 18 ist eine Robotereinheit 17 angeordnet, die einen Roboterarm 15 aufweist. An diesem Roboterarm 15 ist eine zweite Steckverbindungseinheit 12 angeschlossen. Eine dazugehörige erste Steckverbindungseinheit 10 ist am Kraftfahrzeug 18 angeordnet. Links neben der Robotereinheit 17 ist beispielhaft ein Steckverbindungssystem 19 dargestellt. Zu diesem Steckverbindungssystem 19 gehören die erste Steckverbindungseinheit 10, die zweite Steckverbindungseinheit 12 sowie eine Steuereinheit 21. Die erste Steckverbindungseinheit 10 weist im Beispiel von 1 eine Steckdose 11 auf sowie drei RFID-Empfangselemente 14. Diese RFID-Empfangselemente 14 werden oft auch als RFID-Transponder oder „Tags“ bezeichnet. Die zweite Steckverbindungseinheit 12 beinhaltet im Fall von 1 einen Stecker 13. Dieser Stecker 13 ist als Gegenstück zur Steckdose 11 ausgebildet. In 1 ist darüber hinaus ein elektromagnetisches Signal EM angedeutet, welches eine elektromagnetische Signalstärke EMS aufweist. Dieses elektromagnetische Signal EM wird durch das entsprechende RFID-Senderelement 16 erzeugt und abgestrahlt. Die RFID-Empfangselemente 14, welche am Kraftfahrzeug 18 angeordnet sind, können diese elektromagnetische Signal EM empfangen. Insbesondere können die RFID-Empfangselemente 14 anhand des empfangenen elektromagnetischen Signals EM auf die elektromagnetische Signalstärke EMS schließen. Die Steuereinheit 21 kann mithilfe der so ermittelten elektromagnetischen Signalstärke EMS die Position der zweiten Steckverbindungseinheit 12 ermitteln. Basierend auf dieser ermittelten Position kann die Steuereinheit 21 die Robotereinheit 17 beziehungsweise den Roboterarm 15 gezielt ansteuern, um die zweite Steckverbindungseinheit 12 zur ersten Steckverbindungseinheit 10 zu manövrieren. Dabei werden insbesondere die Steckdose 11 und der Stecker 13 zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden.
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2 zeigt ebenfalls das Steckverbindungssystem 19. Im Unterschied zu 1 sind jedoch die Robotereinheit 17 und der Roboterarm 15 an einer Unterseite des Kraftfahrzeugs 18 angeordnet. Somit weist das Steckverbindungssystem 19 ein aktives RFID-System auf. Wenigstens ein RFID-Transmitter wird an den Stecker/Steckkopf beziehungsweise an der zweiten Steckverbindungseinheit 12 angebracht. Drei RFID-Empfangselemente 14 beziehungsweise Tags werden an verschiedenen Stellen an der ersten Steckverbindungseinheit 10 symmetrisch um die Steckdose 11 angebracht. Die Steuereinheit 21 kann ausgehend von dem gemessenen RSSI (Receive Signal Strength Indicator) auf einen Versatz zwischen der Steckdose 11 und dem Stecker 13 schließen. Somit kann die Steuereinheit 21 die Position der zweiten Steckverbindungseinheit 12 ermitteln. Alternativ kann auch die Position der ersten Steckverbindungseinheit 10 in Relation zur zweiten Steckverbindungseinheit 12 ermittelt werden. Da vorzugsweise drei RFID-Empfangselemente 14 zum Einsatz kommen, kann mithilfe einer Triangulation die Position der zweiten Steckverbindungseinheit 12 relativ zur ersten Steckverbindungseinheit 10 bestimmt werden.
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Die Positionsdaten können in Form von dreidimensionalen kartesischen Koordinaten ermittelt werden und der Robotereinheit 17 übermittelt werden. Dies kann vorzugsweise mithilfe der Steuereinheit 21 geschehen. Dabei kann ein Regelalgorithmus genutzt werden, bei dem die Entfernung zwischen dem Transmitter und der Mitte zwischen den RFID-Empfangselementen 14 minimiert wird, bis der Steckvorgang abgeschlossen ist. Die Mitte zwischen den RFID-Empfangselementen 14 entspricht in der Regel einer Mitte der Steckdose 11. Bei einer symmetrischen Anordnung der RFID-Empfangselemente 14 um die Steckdose 11 kann deren Mitte leichter ermittelt werden. Im Beispiel von 1 wird die Steckdose 11 an einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs 18 angeordnet. Im Beispiel der 2 ist die Steckdose 11 beziehungsweise die erste Steckverbindungseinheit 10 an einer Unterseite des Kraftfahrzeugs 18 angeordnet.
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Im Vergleich zu anderen messtechnischen Ansätzen ist dieser Ansatz sehr robust gegenüber Verschmutzungen und Umwelteinflüssen. Insbesondere ist dieser Ansatz robuster als optische oder ultraschallbasierte Ansätze. Dieser Ansatz bietet eine kostengünstige Lösung für das automatische Herstellen einer Steckverbindung an. Darüber hinaus ist der Platzbedarf für die Sensorik einer Sensoreinrichtung insbesondere auf der Fahrzeugseite sehr niedrig. Damit kann das vorgeschlagene Steckverbindungssystem 19 einen deutlichen Mehrwert bezüglich der Handhabung von Elektrofahrzeugen anbieten. Dies wird insbesondere durch ein Zusammenwirken des Steckverbindungssystems 19 mit der Robotereinheit 17 ermöglicht. Ein manuelles Herstellen einer elektrischen Steckverbindung ist damit nicht länger nötig und somit kann das Benutzen von Elektrofahrzeugen erleichtert werden. Dabei kann nicht nur die Sicherheit während des Aufladens verbessert werden, sondern zugleich kann ein verbesserter Komfort beim Gebrauch von Elektrofahrzeugen ermöglicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste Steckverbindungseinheit
- 11
- Steckdose
- 12
- zweite Steckverbindungseinheit
- 13
- Stecker
- 14
- RFID-Empfangselement
- 15
- Roboterarm
- 16
- RFID-Senderelement
- 17
- Robotereinheit
- 18
- Kraftfahrzeug
- 19
- Steckverbindungssystem
- 20
- Energiespeicher
- EM
- elektromagnetisches Signal
- EMS
- elektromagnetische Signalstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015225988 A1 [0004]
- DE 102017121854 A1 [0005]
