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Die
Neuerung betrifft ein Hybridantriebssystem für einen Portalhubstapler
nach den Merkmalen des ersten Anspruches.
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Portalhubstapler
auch „Straddle Carrier" genannt, werden weltweit in großen
Stückzahlen in Seehäfen und Containerterminals
zum Transportieren und Stapeln von Containern eingesetzt. So sind z.
B. in Hafenstädten wie Hamburg oder Bremerhaven tagtäglich
hunderte solcher dieselgetriebenen Fahrzeuge im Einsatz, die entsprechende
Mengen Kraftstoff verbrauchen und mit ihren Abgasen die (oft städtische)
Umwelt belasten. Eine Technik, die den Energieverbrauch und Schadstoffausstoß dieser Fahrzeuge
bis auf ein absolut notwendiges Mindestmaß reduziert, ist
daher sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll.
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Dieselelektrische
Antriebssysteme für solche Straddle Carrier sind bekannt.
Im allgemeinen bestehen sie aus einem Dieselgeneratorsatz zur Erzeugung
elektrischer Energie, einem Gleichspannungszwischenkreis, und mehreren,
daran angeschlossenen regelbaren Wechselrichtern zur Drehstromspeisung
von Fahr- und Hubwerksmotoren. Diese bisher bekannten Antriebssysteme
haben jedoch den Nachteil, daß die elektrische Energie,
welche beim generatorischen Bremsen der Fahr- und Hubmotoren (z. B.
beim Absenken der Last, oder beim elektrischen Bremsen des Fahrwerks)
in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, mit Bremswiderständen
vernichtet wird und so für immer verloren geht.
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Ein
weiterer Nachteil bei den bisher bekannten Straddle Carriers ist,
daß der Dieselgeneratorsatz, also das Stromerzeugungsaggregat,
für die ausreichende Versorgung der Hub- und Fahrantriebe mit
ihrer Spitzenleistung dimensioniert werden muss. Diese Spitzenleistung
wird aber von den Hubantrieben nur sekundenlang, von den Fahrantrieben höchstens
einige Minuten lang gefordert. Die benötigte mittlere Dauerleistung
für die Energieversorgung des Fahrzeuges ist jedoch erheblich
geringer, da das Fahrzeug bei langsamen Fahrgeschwindigkeiten, etwa
beim Stapeln oder bei Leerfahrten oder beim Heben von nicht voll
beladenen Containern, erheblich weniger Leistung braucht. Trotzdem
muss zur Abdeckung der Leistungsspitzen ein überdimensioniertes,
großes und schweres Leistungsspitzen ein überdimensioniertes,
großes und schweres Stromerzeugungsaggregat auf dem Fahrzeug
mitgeführt werden, was einen erhöhten Energie-
und damit auch einen erhöhten Kraftstoffbedarf zur Folge
hat.
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Für
andere Fahrzeuge sind daher schon lange Antriebssysteme entwickelt
worden, welche die Bremsenergie in einem elektrischen Energiespeicher zwischenspeichern
und so beim Beschleunigen wieder nutzbar machen. Eine Vielzahl von
derartigen Patenten ist bekannt. So ist aus der
DE 197 45 094 A1 eine Steuerung
für ein Hybridfahrzeug bekannt, welches seine Antriebsenergie
aus wenigsten zwei Energiequellen bezieht. Bei diesem bekannten
Antriebssystem für Hybridelektrofahrzeuge ist an dem Gleichspannungs-Zwischenkreis
eine Batterie angeschlossen und eine Energieflussregelung die das
Laden und Entladen der Batterie steuert. Als Steuerungsparameter
sind wird der jeweilige Energiebedarf des Fahrzeugs verwendet.
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Zahlreiche
weitere Lösungen zu diesem Thema benutzen ebenfalls Batterien
als Energiespeicher. Der Nachteil von Batterien als alleiniger Energiespeicher
besteht insbesondere darin, daß Batterien nur eine begrenzte
Lebensdauer, einen relativ hohen Wartungsaufwand und nur eine begrenzte
Leistungsaufnahme beim Laden haben. Die häufigen kurzzeitigen
Lade-Entladezyklen beispielsweise im Sekundenbereich beim Heben/Senken
von Lasten im Sekundenbereich oder beim Positionieren des Fahrwerks
führen zu einem beschleunigtem Alterungsprozess und erfordern
ihren häufigen Austausch bei Wartungsarbeiten. Wegen Ihrer
begrenzten Leistungsaufnahme beim Laden, können ihre gewünschten
Vorteile von Kraftstoffeinsparungen durch Nutzung und Zwischenspeicherung
von generatorisch erzeugten Brems- und Senkenergien nur in geringem
Umfang erreicht werden. Eine erhebliche Überdimensionierung
der Batterien als Alternative, würde diese Vorteile wiederum
wegen ihres hohen Gewichtes und der nicht möglichen Gewichtseinsparungen
beim Stromerzeugeraggregat wieder zunichte machen, so daß man
damit keine Vorteile gewonnen hätte. Die bisher als Traktionsbatterien üblichen Blei-Säure-Akkumulatoren
haben außerdem ein sehr hohes spezifischen Leistungsgewicht.
Batterien kommen daher auf Portalstaplern bisher nicht zum Einsatz.
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Als
allgemeiner Stand der Technik sind auch wartungsfreie, langlebige
und leichte Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte sind bekannt.
Dabei handelt es sich um Doppelschicht-Kondensatoren mit sehr hohen
Kapazitäten, die unter den Namen „Ultra-Kondensatoren"
oder „Ultracaps" inzwischen zu halbwegs akzeptablen Preisen
auf dem Markt erhältlich sind. Erste Versuche mit einem
dieselelektrischen Omnibus, der mit Ultracaps als Bremsenergiespeicher
ausgerüstet war, haben erhebliche Kraftstoffeinsparungen
(10–15%) und Emissionsreduktionen im Stadtverkehr ergeben.
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Ultrakondensatoren
weisen aber insbesondere gegenüber Batterien den Nachteil
auf, daß zwar sehr gut geeignet sind, kurzzeitig im Sekundenbereich
hohe Leistungen bereitzustellen oder aufzunehmen, aber um längerfristig
im Minutenbereich hohe Energien zu liefern, müssten wiederum
eine große Anzahl von Ultrakondensatoren zum Einsatz kommen,
die auf einem Fahrzeug nur schwer unterzubringen wären.
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Mit
Ultrakondensatoren in vernünftiger Baugröße
allein könnte man also das Stromerzeugeraggregat wiederum
nicht kleiner auslegen.
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Weiterhin
ist aus der
DE 102
35 431 A1 eine elektrische Antriebsquelle für
den Antrieb von Gebrauchsfahrzeugen, z. B. Hubstablern bekannt,
in der statt der häufig verwendeten Lithium-Ionen-Batterien
Brennstoffzellen verwendet werden.
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Da
Brennstoffzellen selbst keine Energie speichern können,
wird die Verwendung von Ultrakondensatoren als Zwischenspeicherung
vorgeschlagen. Zur besseren Nutzung dieser elektrischen Antriebsquelle
wird eine Vorladeschaltung für Ultrakondensatoren offenbart,
welche die Verwendung eines Gleichspannungswandlers überflüssig
macht.
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Allgemeine
Aussagen zur Verwendung von Ultrakondensatoren für Transportaufgaben
finden sich auch in einem Artikel zur
„Alternativen
Antriebstechnik" aus der Zeitschrift „Auto & Elektronik" 1/2002.
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Insgesamt
ist nach dem Stand der Technik weder mit dem Einsatz von Batterien
alleine noch mit Ultracaps alleine als Energiespeicher auf Portalstaplern
eine vernünftige, nützliche Verkleinerung des Sromerzeugungsaggregats
ermöglichen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Neuerung, speziell für die Erfordernisse
und das übliche Lastspiel eines Portalhubstaplers zur Energie-
und Kosteneinsparung ein Hybridantriebssystem mit elektrischen Energiespeichern
zu entwickeln, daß das es erlaubt das verwendete Stromerzeugungsaggregat
erheblich kleiner und leichter auszuführen, wobei die benötigten
Energiespeicher nicht zu groß und zu schwer ausfallen und
eine akzeptables Alterungsverhalten aufweisen sollen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Hybridantriebssystem nach den Merkmalen des
ersten Anspruchs gelöst.
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Die
Unteransprüche geben besondere Ausgestaltungen der Neuerung
wieder. Die vorgeschlagene Lösung sieht vor, daß am
Gleichspannungszwischenkreis zwei unterschiedliche Energiespeicher angeschlossen
sind wobei ein erster Energiespeicher als statische elektrischer
Energiespeicher ausgebildet ist und ein weiterer elektrische Energiespeicher
angeschlossen ist, welcher als Kurzzeitenergiespeicher ausgebildet
ist. Dieser besteht aus einem oder mehreren zusammengeschalteten
Ultrakondensatoren und soll im Wesentlichen kurzzeitige Energiebedarfsspitzen,
wie sie beim Heben und Senken des Hubwerks oder beim Anfahren und
Bremsen des Fahrwerks entstehen, abdecken.
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Vorzugsweise
besteht der erste an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene
Energiespeicher aus leichten Hochenergiebatterien, wie etwa Kochsalz-Nickel-,
Natrium-Schwefel- oder Nickel-Metallhydrid – Akkumulatoren.
Durch die Verwendung von Hochenergiebatterien können besonders
mittlere Leistungsbedarfsspitzen im Minutenbereich, wie bei Fahrten
mit hoher Geschwindigkeit auf längeren Wegstrecken im Containerlager
energiemäßig abgedeckt werden.
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Zum
Betreiben des Hybridantriebssystems wird zur Abdeckung von mittleren
Leistungsbedarfsspitzen der Elektromotoren, z. B. bei Fahrten im
Minutenbereich, im wesentlichen der erste Energiespeicher aus leichten
Hochenergiebatterien angesteuert und verwendet und zur Abdeckung
von kurzzeitigen Leistungsbedarfsspitzen der zweite Energiespeicher aus
zusammengeschalteten Ultrakondensatoren angesteuert und verwendet.
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Die
elektronische Steuerung steuert den Ladezustand der elektrische
Energiespeicher derart, daß die im Bremsbetrieb von den
Fahr- und Hubmotoren generatorisch zurückgespeiste elektrische
Energie in die beiden Energiespeicher zwischengespeichert wird und
beim anschließenden motorischen Betrieb wieder in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgeführt
und an die Fahr- Hub- und Hilfsantriebe abgegeben wird.
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Diese
Maßnahmen erlauben es, den Energiebedarf des Hybridantriebssystems
derart zu steuern, daß das Stromerzeugungsaggregat nur
die erforderliche mittlere Dauerleistung in den Gleichspannungszwischenkreis
einspeisen muß.
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Die
elektronische Steuerung ist derart konfiguriert und ausgelegt, daß der
Ladezustand der Energiespeicher entsprechend den Betriebsanforderungen
des Portalhubstablers nach kurzzeitigen, mittleren und dauerhaftem
Leistungsbedarf organisiert und gesteuert wird.
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Mit
der vorgeschlagenen erfinderischen Lösung werden zahlreiche
Vorteile erzielt.
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So
kann das Stromerzeugungsaggregat leistungsmäßig
um ca. 50% kleiner ausgeführt und entsprechende Einsparungen
an Gewicht und Baugröße gewonnen werden.
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Im
Wesentlichen können handelsübliche, seriengefertigte
und sehr kompakte Stromaggregate aus der Massenproduktion eingesetzt
werden.
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Zur
Realisierung des erfinderischen Hybridantriebssystem werden nicht übermäßig
große und schwere Batterien gebraucht, da die kurzfristigen Leistungsspitzen,
vor allem bei der generatorischen Energierückspeisung der
Antriebe, von den Ultrakondensatoren übernommen werden.
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Daraus
folgend ist eine erhöhte Lebensdauer der Akkumulatoren
wird zu erwarten, da die häufigsten Lade/Entladezyklen
von den Ultrakondensatoren übernommen werden und damit
die Batterien einer nur geringeren Anzahl Lade-/Entladezyklen unterworfen
sind.
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Weiterhin
ist mit Kraftstoffeinsparungen und der Verminderung von Schadstoffemissionen
zu rechnen, da die bei der Nutzbremsung bisher verlorene Weiterhin
ist mit Kraftstoffeinsparungen und der Verminderung von Schadstoffemissionen
zu rechnen, da die bei der Nutzbremsung bisher verlorene Energie
nun durch Zwischenspeicherung und Wiederverwendung der Senk- und
Bremsenergien genutzt werden kann.
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Schlussendlich
wird auch das Leergewicht des Fahrzeuges vermindert und es ist in
der Lage bei ausgefallenem Stromaggregat noch alleine mit den Batterien
seine Arbeit fertig verrichten und dann zur Werkstatt fahren (kein
abschleppen).
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Die
Neuerung soll im Weiteren anhand eines Ausführungsbeispiels
und einer Figur näher erläutert werden. Die Figur
zeigt ein Blockschaltbild mit der erfindungsgemäßen
Anordnung der beiden elektrischen Energiespeicher.
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Am
Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 des Frequenzumrichtersystems
sind neben dem einspeisenden Stromerzeugungsaggregat 3,
welches aus einem Dieselmotor 1 und dem Generator 2 besteht und
mit den Wechselrichtern 6 für die Fahr-, Hub-
und Hilfsmotoren 7, 8, 9 verbunden ist
zwei verschieden Energiespeicher 10, 12 über
regelbare DC/DC-Wandler 11, 14 angeschlossen.
Der erste Energiespeicher 10 besteht aus zwei Batterien
von zusammen-geschalteten Kochsalz-Nickel-Akkumulatorzellen, während
der erfindungsgemäße zusätzliche elektrische
Speicher aus zusammengeschalteten Ultrakondensatoren 13 besteht.
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Mit
den beiden regelbaren zwei-quadranten-DC/DC-Wandlern 11, 14,
in denen je eine pulsweitenmodulierte zwei-quadranten-Leistungsstufe mit
IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) und einem Messwandler
zur Erfassung der Lade/Entladeströme sowie ein Stromregler
integriert sind, kann der Lade/Entladestrom des jeweils angeschlossenen Speichers
auf einen von der übergeordneten elektronischen Steuerung
(15 vorgegebenen Sollwert 19, 21 geregelt
werden.
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Der
aktuelle Ladezustand wird beim Ultracap-Speicher 12 durch
Erfassung des Ladespannungs-Istwertes 18 mit einem Spannungsmesswandler
ermöglicht und der Steuerung 15 zugeführt.
Bei den Batteriespeichern 10 wird der Ladezustand und die aktuelle
Batteriespannung durch das bei handelsüblichen Kochsalz-Nickel-Akkus
schon mitgelieferte „Battery Management Interface" (BMI),
welches an den Batterien vom Hersteller schon angebaut ist, erfasst
und der Steuerung 15 über einen Feldbus, z, B. den
auf Fahrzeugen üblichen CAN-Bus, als digitaler Istwert 20 mitgeteilt.
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Ebenfalls über
den Feldbus können handelsübliche Wechselrichter 6 den
Istwert der Zwischenkreisspannung 17 und ihren aktuellen
Wirkstromverbrauch der zentralen Steuerung 15 ohne nennenswerte
Zeitverzögerung übermitteln. Die Steuerung kann
durch Vorgabe von Steuersignalen 22, z. B. Solldrehzahl
des Dieselmotors oder Sollerregung des Synchrongenerators, die Einspeisespannung und
damit auch den Einspeisestrom des Stromerzeugers 3 beeinflussen,
wenn auch nicht unbedingt hochdynamisch.
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Die
elektronische Steuerung für das Energiespeicher-Management 15 steuert
nun den Energiefluss zwischen Stromerzeugeraggregat 3,
dem stromverbrauchenden Wechselrichtern 6 und den Energiespeichern 10, 12 folgendermaßen:
Das
Stromerzeugeraggregat 3 wird auf eine konstante Einspeisespannung
geregelt, es sei denn, alle Energiespeicher 10, 12 sind
voll geladen und das Fahrzeug bewegt sich nicht, dann kann die Einspeisespannung
z. B. über die Dieseldrehzahl oder die Generatorerregung
abgesenkt werden. Die Einspeisespannung ergibt einen Nenn-Zwischenkreisspannung
von z. B. 650 V DC auf der Zwischenkreisschiene 4, wenn
die Wechselrichter 6 in Summe motorisch arbeiten, also
Energie verbrauchen. Wenn sie nur wenig oder keine Energie verbrauchen,
z. b. bei langsamer Fahrt oder Stillstand, steigt die Zwischenkreisspannung über
die Nennspannung hinaus bis auf die Leerlaufspannung des Stromaggregates
an. Die Steuerung erfasst diesen Vorgang und gibt nun dem DC/DC-Wandler 11 den
max. Ladestromsollwert 21 zur Ladung der Batterien vor,
sofern noch nicht der Ladezustand 20 als „voll"
gemeldet worden ist.
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Wenn
nun allerdings die Wechselrichter 6 (z. B. bei schneller
Fahrt, oder beim schnellen Heben schwerster Lasten) mehr Energie
benötigen, als der kleine Stromerzeuger 3 liefern
kann, so sinkt die Zwischenkreisspannung 17 unter die Nennspannung von
650 V DC ab. Die Steuerung 15 merkt dieses, und gibt dem
DC/DC-Wandler 11 für die Batterien nun einen Entladestromsollwert
derart vor, daß die Zwischenkreisspannung auf ihrer Nennspannung
gehalten wird, obwohl dem Zwischenkreis mehr Leistung entnommen
wird, als der Stromerzeuger 3 einspeisen kann. Zusätzlich
kann die Steuerung 15 auch dem DC/DC-Wandler 14 für
den Ultracap-Speicher 12 einen Entladestromsollwert 19 vorgeben,
sofern dieser geladen ist.
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Werden
beiden Speichern Entladeströme vorgegeben, so entlädt
sich zuerst der Speicher mit der höheren aktuellen Spannung
in den Zwischenkreis.
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Wird
nun gebremst oder die Last abgesenkt, so das also die Fahr- und
Hubantriebe generatorisch arbeiten und deren Wechselrichter 6 in
Summe Energie in den Zwischenkreis 4 zurückspeisen,
so wird dadurch die Zwischenkreisspannung 17 nicht nur über
die Nennzwischenkreisspannung, sondern sogar über die Leerlaufspannung
des Stromaggregates hinaus bis auf ca. 800 V DC angehoben. Die Steuerung 15 gibt
nun dem DC/DC-Wandler 14 einen Ladestromsollwert 19 vor,
der so bemessen ist, daß die maximale Zwischenkreisspannung
von 800 V DC nicht überschritten wird. Der Ultracap-Speicher 12 wird
so mit diesem Ladestrom des generatorischen Bremsens/Senkens aufgeladen.
Zusätzlich kann auch der Batteriespeicher 10 geladen
werden. Da aber dessen Ladestrom begrenzt und deutlich kleiner als
der mögliche Ladestrom des Ultracap-Speichers 12 ist,
kann er natürlich nur einen Bruchteil der Bremsenergie
aufnehmen.
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- 1
- Dieselmotor
- 2
- Drehstromgenerator
- 3
- Stromerzeugungsaggregat
- 4
- Sammelschiene
des Gleichspannungszwischenkreises
- 5
- Zwischenkreiskondensatoren
- 6
- Wechselrichter
- 7
- Fahrwerksmotore
- 8
- Hubwerksmotor
- 9
- Hilfsmotore
(Kühlerpumpen, Lüfter, Klimageräte, Heizungen
etc.)
- 10
- Energiespeicher
mit Batterien (Hochenergie-Akkumulatoren)
- 11
- Lade/Entladeregler
für Akkumulatoren (Hoch/Tiefsetzsteller, DC/DC-Wandler)
- 12
- Kurzzeit-Energiespeicher
mit Ultrakondensatoren
- 13
- Ultra-Kondensatoren
- 14
- Lade/Entladeregler
für Ultrakondensatoren (Hoch/Tiefsetzsteller, DC/DC-Wandler)
- 15
- Elektronische
Steuerung mit Energiespeicher-Management
- 16
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- 17
- Steuersignal:
Istwert der Zwischenkreisspannung
- 18
- Steuersignal:
Ladezustand des Energiespeichers (Istwert der Ultrakondensatorspannung)
- 19
- Steuersignal:
Sollwert des Lade/Entladestromes für die Ultrakondensatoren
- 20
- Steuersignal:
Ladezustand der Batterien/Batteriespannung
- 21
- Steuersignal:
Sollwert des Lade/Entladestromes für die Batterien Steuersignale
für Stromaggregat (Sollspannung, Sollstrom)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19745094
A1 [0005]
- - DE 10235431 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Alternativen
Antriebstechnik" aus der Zeitschrift „Auto & Elektronik" 1/2002 [0012]