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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entladung eines Energiespeichers, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, in einem Hochvoltnetz, insbesondere einem Gleichspannungszwischenkreis in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Bei Hybridfahrzeugen oder Kraftfahrzeugen mit Elektro- oder Brennstoffzellenantrieb werden in der Regel Spannungen eingesetzt, die mehrere 100 Volt betragen können. Spannungen, die größer als 60 Volt werden dabei als „Hochvolt” bezeichnet. Aus Gründen der Personensicherheit müssen Hochvolt-Bordnetze in Kraftfahrzeugen abschaltbar sein und innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne entladen werden können. Zu diesem Zweck umfassen bekannte Hochvolt-Bordnetze aktive und/oder passive Entladevorrichtungen. Das Hochvoltbordnetz in einem Hybridfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Brennstoffzellenantrieb – häufig auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet – umfasst im einfachsten Fall eine Energiequelle in Form einer Batterie, einen Spannungsumrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreiskondensator, welcher als Pufferkondensator zur Stabilisierung der Betriebsspannung von elektrischen Verbrauchern dient, einen oder mehrere elektrische Maschinen sowie weitere Hochspannungsverbraucher. Nach einer Trennung des Hochvoltnetzes von der Energiequelle, welche zum Beispiel durch ein Abziehen der entsprechenden Steckverbindung im Rahmen von Wartungsarbeiten oder auch durch einen Unfall bewirkt werden kann, müssen alle Energiespeicher, welche an das Hochvoltnetz oder den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, entladen werden (Notschnellentladung). Als Energiespeicher können dabei Kapazitäten, wie z. B. ein Zwischenkreiskondensator, oder beispielsweise auch ausdrehende Motoren fungieren. Eine übliche passive Entladevorrichtung, also eine Entladevorrichtung, deren Funktion auch bei Wegfall aller Versorgungs- und Steuerleitungen gewährleistet ist, sieht dabei im einfachsten Fall einen ohmschen Entladewiderstand vor, welcher permanent parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet ist.
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Aus der
DE 10 2007 047 713 A1 ist ein Verfahren zur Entladung eines Hochspannungsnetzes, insbesondere eines Gleichspannungszwischenkreises, welches mit einer Energiequelle über wenigstens einen Widerstand verbindbar ist, bekannt, bei dem der wenigstens ein Widerstand als gemeinsamer Widerstand sowohl für den Auflade- oder Vorladevorgang als auch für den Entladevorgang der Zwischenkreiskapazitäten des Gleichspannungszwischenkreises verwendet wird.
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Eine weitere aus der
DE 10 2008 010 978 A1 bekannte Vorrichtung zum Entladen eines elektrischen Netzes oder eines elektrischen Bauelements, umfassend einen schaltbaren Widerstand, sieht vor, dass der schaltbare Widerstand einen PTC-Widerstand und einen Schalter umfasst, die thermisch gekoppelt sind, und dass der Steueranschluss des Schalters mit der Netzspannung verbunden ist.
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Aus der
DE 10 2004 057 693 A1 ist eine Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, bekannt, wobei der Kondensator über einen Wechselrichter mit einer elektrischen Maschine in Verbindung steht und über einen Gleichspannungswandler mit einem weiteren elektrischen Ladungsspeicher, insbesondere einer Bordnetzbatterie, verbunden ist. Dabei umfasst der Gleichspannungswandler Mittel, die eine schnelle Entladung des Kondensators bei entsprechender Ansteuerung des Gleichspannungswandlers bewirken. Insbesondere wird dem Gleichspannungswandler batterieseitig zur Übernahme der abzubauenden elektrischen Leistung ein Widerstand mittels eines Schalters zugeschaltet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Entladung eines Energiespeichers, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, in einem Hochvoltnetz, insbesondere einem Gleichspannungszwischenkreis in einem Kraftfahrzeug, mit einem dem Hochvoltnetz nachgeschalteten Gleichspannungswandler, einem dem Gleichspannungswandler nachgeschalteten Niedervoltnetz, einem dem Gleichspannungswandler nachgeschalteten und parallel zu dem Niedervoltnetz geschalteten Energieversorgungsnetz zur Energieversorgung einer Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers und einem ersten steuerbaren Schaltelement, welches in die Verbindungsleitung zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Niedervoltnetz geschaltet ist und durch welches bei einer Störung des Niedervoltnetzes der Gleichspannungswandler und das Energieversorgungsnetz von dem Niedervoltnetz trennbar sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Entladung eines Energiespeichers, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, in einem Hochvoltnetz, insbesondere einem Gleichspannungszwischenkreis in einem Kraftfahrzeug, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei bei einer Störung des Niedervoltnetzes der Gleichspannungswandler und das Energieversorgungsnetz von dem Niedervoltnetz getrennt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der Grundidee, die Energieversorgung einer Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers derart zu realisieren, dass sie auch dann aufrecht erhalten bleibt, wenn das Niedervoltnetz, z. B. ein 12 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, z. B. in Folge eines Unfalles gestört ist. Die Störung kann dabei z. B. in Form eines Kurzschlusses oder auch in Form eines Spannungsabfalls in dem Niedervoltnetz auftreten. Die Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers bleibt demzufolge auch bei gestörtem Niedervoltnetz funktionsfähig und kann auch im Fall einer notwendigen Notschnellentladung aus dem zu entladenden Energiespeicher, also z. B. dem Zwischenkreiskondensator, gespeist werden und dieser dadurch entladen werden. Somit kann auf eine kostspielige zusätzliche Notenladeschaltung verzichtet werden.
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Um die Systemsicherheit auch im Falle eines Kurzschlusses am Ausgang des Gleichspannungswandlers zu erhöhen kann das Energieversorgungsnetz über ein erstes elektrisches Bauelement, welches einen Rückfluss von Strom aus dem Energieversorgungsnetz in den Gleichspannungswandler verhindert, mit dem Gleichspannungswandler verbunden sein.
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Wird das System neu gestartet, so ist der Hochvoltkreis zunächst entladen. Um den Gleichspannungswandler auch beim Hochfahren des Systems steuern zu können, muss die zugehörige Steuerschaltung während des Hochfahrens anderweitig mit Energie versorgt werden. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Energieversorgungsnetz daher über ein zweites elektrisches Bauelement, welches einen Rückfluss von Strom aus dem Energieversorgungsnetz in das Niedervoltnetz verhindert, mit dem Niedervoltnetz verbunden. Auf diese Weise kann die Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers während des Hochfahrens des Systems, also bei fehlender Ladung des Energiespeichers des Hochvoltnetzes, über das Niedervoltnetz mit Energie versorgt werden.
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Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung sind das erste und/oder das zweite elektrische Bauelement, welche einen Energierückfluss in den Gleichspannungswandler bzw. das Niedervoltnetz verhindern, als Dioden ausgeführt. Um die dabei auftretenden Verluste zu reduzieren, können vorteilhaft Schottky-Dioden eingesetzt werden, da diese einen geringen Durchlasswiderstand aufweisen.
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Alternativ können anstelle von Dioden auch steuerbare Schaltelemente, z. B. in Form von Transistoren, als erste und/oder zweite elektrische Bauelemente eingesetzt werden. Auch diese weisen einen geringen Durchlasswiderstand auf und tragen damit zur Verlustreduzierung bei.
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Aufgrund seiner Anordnung in der Verbindungsleitung zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Niedervoltnetz kann das erste steuerbare Schaltelement, welches zum Abtrennen des Niedervoltnetzes von dem Gleichspannungswandler und dem Energieversorgungsnetz dient, zugleich als Verpolschutz genutzt werden. Zu einer Verpolung kann es z. B. im Rahmen eines Fremdstarts oder auch durch einen anderweitig verursachten Phasentausch auf der Niedervoltseite des Gleichspannungswandlers kommen. Gleichspannungswandler können zwar bis zu einer bestimmten Stromhöhe und zeitlich begrenzt verpolsicher ausgelegt werden, um aber eine dauerhafte Schädigung des Gleichspannungswandlers zu vermeiden, ist es sinnvoll, einen Verpolschutz auf der Niedervoltseite des Gleichspannungswandlers vorzusehen. Bei vielen Systemen ist ein Verpolschutz in Form eines Verpolschutztransistors ohnehin vorgesehen. Dieser kann dann ohne zusätzliche Kosten zum erfindungsgemäßen Abtrennen des Niedervoltnetzes genutzt werden.
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Bei vielen Anwendungen, wie z. B. in Mehrspannungsbordnetzen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist das Hochvoltnetz über einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, an eine elektrische Maschine angeschlossen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, auch eine Steuerschaltung des Wechselrichters aus dem Energieversorgungsnetz mit Energie zu versorgen. Somit bleibt auch die Steuerschaltung des Wechselrichters bei gestörtem Niedervoltnetz funktionsfähig. Das hat zum Einen den Vorteil, dass diese im Fall einer notwendigen Notschnellentladung aus dem zu entladenden Energiespeicher, also z. B. dem Zwischenkreiskondensator, gespeist werden und dieser dadurch zusätzlich entladen werden kann. Zum Anderen kann die funktionsfähige Steuerschaltung auch dazu genutzt werden, die elektrische Maschine in einen sicheren Betrieb zu überführen, z. B. in Form eines aktiven Kurzschlusses.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dient das Energieversorgungsnetz auch zur Energieversorgung weiterer elektrischer Verbraucher. In diesem Fall können auch ein oder mehrere dieser zusätzlichen Verbraucher im Bedarfsfall (Notschnellentladung) zur Entladung des zu entladenden Energiespeichers genutzt werden.
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Ist das Energieversorgungsnetz über ein drittes steuerbares Schaltelement, welches einen Rückfluss von Strom aus dem Energieversorgungsnetz in das Niedervoltnetz verhindert, mit dem Niedervoltnetz verbunden, so ist es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das dritte steuerbare Schaltelement zum Hochfahren des Systems bei fehlender Ladung des Energiespeichers geschlossen wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entladung eines Energiespeichers eines Hochvoltnetzes,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entladung eines Energiespeichers eines Hochvoltnetzes und
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entladung eines Energiespeichers eines Hochvoltnetzes.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine elektrische Maschine 1 ist über einen Wechselrichter 2, z. B. in Form eines Pulswechselrichters, mit einem Hochvoltnetz 3, häufig auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet, verbunden. Bei dem Hochvoltnetz kann es sich beispielsweise um ein Hochvolt-Bordnetz eines Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeuges handeln. Das Hochvoltnetz 3 weist einen Energiespeicher in Form eines Zwischenkreiskondensators C auf, welcher üblicherweise als Pufferkondensator eingesetzt wird, um die Betriebsspannung von an das Hochvoltnetz 3 angeschlossenen Verbrauchern zu stabilisieren. Die Verbindung zwischen dem Hochvoltnetz 3 und einem Niedervoltnetz 4 wird über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 5 hergestellt. Das Niedervoltnetz 4 umfasst einen Ladungsspeicher in Form einer Niedervoltbatterie 6 sowie beispielhaft einen Verbraucher V.
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In bestimmten Situationen, wie zum Beispiel nach einem Unfall oder vor einer Wartung des Kraftfahrzeugs, kann es zu einer Trennung des Hochvoltnetzes 3 von einer nicht dargestellten Hochspannungsenergiequelle kommen. Aus Gründen der Personensicherheit muss im Falle einer Trennung des Hochvoltnetzes 3 von der Hochspannungsenergiequelle die im Zwischenkreiskondensator C gespeicherte Ladung schnell abgebaut werden.
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Hierzu ist in der Verbindungsleitung zwischen dem Gleichspannungswandler 5 und dem Niedervoltnetz 4 ein erstes steuerbares Schaltelement S in Form eines Transistors vorgesehen. Da dieser Transistor auch zur Realisierung eines Verpolschutzes genutzt werden kann, wird er häufig auch als Verpolschutz-Transistor bezeichnet. Parallel zum Niedervoltnetz 4 ist ein Energieversorgungsnetz 7 geschaltet. Das Energieversorgungsnetz 7 umfasst einen Energiespeicher in Form eines Pufferkondensators 8 und dient der Energieversorgung einer Steuerschaltung 9 zur Steuerung des Gleichspannungswandlers 5. An das Energieversorgungsnetz 7 können auch weitere Steuerschaltungen, wie z. B. eine Steuerschaltung für den Wechselrichter 2, sowie weitere nicht dargestellte Verbraucher angeschlossen sein.
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Das Energieversorgungsnetz 7 ist einerseits mit dem Bezugspotential, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Masse, verbunden. Andererseits ist das Energieversorgungsnetz 7 über eine erste Diode 10 mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 5 und über eine zweite Diode 11 mit dem Niedervoltnetz 4 verbunden. Es ergibt sich damit eine Schaltungstopologie, bei welcher das erste steuerbare Schaltelement S in Form des Verpolschutz-Transistors zwischen den beiden Anschlusspunkten A1 und A2 des Energieversorgungsnetzes angeordnet ist. Die beiden Dioden 10 und 11 verhindern jeweils einen Energierückfluss aus dem Energieversorgungsnetz 7 in den Gleichspannungswandler 5 bzw. in das Niedervoltnetz 4.
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Im normalen, das heißt störungsfreien Betrieb ist das erste steuerbare Schaltelement S in Form des Verpolschutz-Transistors geschlossen. Wird nun das Hochvoltnetz 3 von der Hochspannungsenergiequelle getrennt, so kann der Zwischenkreiskondensator C bei ungestörtem Betrieb des Niedervoltnetzes 4 mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 5 in das Niedervoltnetz 4 entladen werden. Tritt dagegen auch im Niedervoltnetz 4 eine Störung in Form eines Spannungseinbruches oder eines Kurzschlusses auf, so wird der Verpolschutz-Transistor geöffnet und dadurch das Niedervoltnetz 4 von dem Gleichspannungswandler 5 und von dem Energieversorgungsnetz 7 getrennt. Der Zwischenkreiskondensator C kann nun über das Energieversorgungsnetz 7 in die Steuerschaltung 9 und ggf. in weitere an das Energieversorgungsnetz 7 angeschlossene Steuerschaltungen oder Verbraucher entladen werden. Eine Störung in Form eines Spannungseinbruches kann dabei z. B. dann diagnostiziert werden, wenn die Spannung des Niedervoltnetzes für eine vorgebbare Zeitspanne unter einen Spannungsschwellwert fällt. Dabei kann der Spannungsschwellwert auch in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern des Gesamtsystems vorgegeben sein.
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Unmittelbar nach einem Systemstart ist der Zwischenkreiskondensator C zunächst nicht geladen. In diesem Fall wird der Pufferkondenstor 8 des Energieversorgungsnetzes 7 über die zweite Diode 11 aus dem Niedervoltnetz 4 geladen und somit die Steuerschaltung 8 sowie ggf. weitere Steuerschaltungen und Verbraucher mit Energie versorgt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass die beiden Dioden 10 und 11 durch ein zweites steuerbares Schaltelement 20 bzw. ein drittes steuerbares Schaltelement 21, z. B. in Form von Transistoren, ersetzt sind. Auch diese Schaltelemente 20 und 21 dienen im Wesentlichen dazu, einen Energierückfluss aus dem Energieversorgungsnetz 7 in den Gleichspannungswandler 5 bzw. in das Niedervoltnetz 4 zu verhindern. Die beiden Schaltelemente 20 und 21 übernehmen insofern eine diodenähnliche Funktion. Die Schaltelemente 20, 21 weisen aber einen sehr geringen Durchlasswiderstand auf, was insbesondere zur Verlustreduzierung beiträgt.
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Solange im Niedervoltnetz 4 keine Störung in Form eines Spannungseinbruchs oder eines Kurzschlusses vorliegt, sind das erste Schaltelement S (Verpolschutz-Transistor) und das zweite Schaltelement 20 geschlossen bzw. durchgeschaltet, wohingegen das dritte Schaltelement 21 geöffnet bzw. gesperrt ist. Tritt nun eine Störung im Niedervoltnetz 4 auf, so wird analog zur ersten Ausführungsform der Verpolschutz-Transistor geöffnet und auf diese Weise das Niedervoltnetz 4 von dem Gleichspannungswandler 5 und von dem Energieversorgungsnetz 7 getrennt. Eine Entladung des Zwischenkreiskondensators C ist dann in analoger Form zur ersten Ausführungsform möglich. Zum Hochfahren des Systems bei entladenem Zwischenkreiskondensator C kann das zweite Schaltelement 20 geöffnet und das dritte Schaltelement 21 geschlossen werden, so dass der Pufferkondenstor 8 des Energieversorgungsnetzes 7 wiederum aus dem Niedervoltnetz 4 geladen und somit die Steuerschaltung 8 sowie ggf. weitere Steuerschaltungen und Verbraucher mit Energie versorgt werden können.
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Das elektrische Bauelement in der Verbindungsleitung zwischen dem Gleichspannungswandler 5 und dem Energieversorgungsnetz 7, also die Diode 10 bzw. das zweite steuerbare Schaltelement 20 dient insbesondere dem Schutz des Gleichspannungswandlers 5 im Falle eines Kurzschlusses am Ausgang des Gleichspannungswandlers 5. Insofern ist dieses Bauelement für die reine Notschnellentladung des Zwischenkreiskondensators C nicht erforderlich und kann auch entfallen. 3 zeigt eine entsprechende dritte Ausführungsform. Dabei ist das Energieversorgungsnetz 7 analog zu ersten Ausführungsform über die zweite Diode 11 mit dem Niedervoltnetz 4 verbunden. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich insofern nur dadurch von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform, dass die erste Diode 10 entfallen ist. Selbstverständlich kann die zweite Diode 11 aber auch in diesem Fall durch ein steuerbares Schaltelement, analog zur zweiten Ausführungsform, ersetzt werden.
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Neben den dargestellten Ausführungsformen sind selbstverständlich auch weitere schaltungstechnische Realisierungen denkbar. Entscheidend ist letztendlich nur, das Niedervoltnetz 4 im Fall von Störungen von dem Energieversorgungsnetz 7 und von dem Gleichspannungswandler 5 abtrennbar ist und dass ein Energierückfluss von dem Energieversorgungsnetz 7 sicher verhindert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007047713 A1 [0003]
- DE 102008010978 A1 [0004]
- DE 102004057693 A1 [0005]
