DE102012024573A1 - Method for operating internal combustion engine of electric car, involves controlling prime mover in state in which maximum producible electrical power from current braking torque is larger than electrical power receptible in energy store - Google Patents
Method for operating internal combustion engine of electric car, involves controlling prime mover in state in which maximum producible electrical power from current braking torque is larger than electrical power receptible in energy store Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs, wobei ein von der Antriebsmaschine erzeugtes Bremsmoment in einem Generatorbetrieb der Antriebsmaschine in elektrische Energie umgewandelt und zumindest teilweise in einem Energiespeicher gespeichert wird.The invention relates to a method for operating an electric drive machine of a vehicle, wherein a braking torque generated by the drive machine is converted into electrical energy in a generator operation of the drive machine and stored at least partially in an energy store.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Fahrzeuge mit elektrischen Antriebsmaschinen und elektrischen Energiespeichern bekannt. Während eines Betriebs der Fahrzeuge treten Fahrsituationen auf, in welchen die elektrische Antriebsmaschine kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Derartige Fahrsituation sind eine so genannte Rekuperation oder ein Reversierbetrieb. In diesen Fahrsituationen wird das Fahrzeug mittels der elektrischen Antriebsmaschine abgebremst, wobei die Antriebsmaschine in einem Generatorbetrieb arbeitet und dem Energiespeicher elektrische Energie zuführt.From the prior art vehicles with electric drive machines and electrical energy storage devices are generally known. During operation of the vehicles occur driving situations in which the electric drive engine converts kinetic energy into electrical energy. Such driving situation are a so-called recuperation or a reversing operation. In these driving situations, the vehicle is braked by means of the electric drive machine, wherein the prime mover operates in a generator mode and supplies electrical energy to the energy store.
Aus der
Weiterhin ist aus der
Ferner beschreibt die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for operating an electric drive machine of a vehicle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
In dem Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs wird ein von der Antriebsmaschine erzeugtes Bremsmoment in einem Generatorbetrieb der Antriebsmaschine in elektrische Energie umgewandelt und zumindest teilweise in einem Energiespeicher gespeichert.In the method for operating an electric drive machine of a vehicle, a braking torque generated by the drive machine is converted into electrical energy in a generator operation of the drive machine and stored at least partially in an energy store.
Erfindungsgemäß wird zumindest in einem Zustand, in welchem eine aus einem aktuellen Bremsmoment theoretisch maximal erzeugbare elektrische Energie größer ist als die vom Energiespeicher aufnehmbare elektrische Energie, die Antriebsmaschine derart gesteuert, dass ein elektrischer Wirkungsgrad im Generatorbetrieb kleiner ist als ein maximal möglicher elektrischer Wirkungsgrad.According to the invention, the drive machine is controlled such that an electrical efficiency in the generator mode is smaller than a maximum possible electrical efficiency, at least in a state in which a theoretically maximum generated by a current braking torque electrical energy is greater than the recordable energy storage.
Bei Fahrzeugen mit elektrischen Antriebsmaschinen, beispielsweise Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellenfahrzeugen und Hybridfahrzeugen, werden elektrische Energiespeicher, wie beispielsweise Hochleistungsbatterien, Schwungräder, elektrische Kondensatoren und andere Speicher, verwendet. Diese Energiespeicher zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei bestimmten Randbedingungen, wie z. B. tiefen Temperaturen, vollem Ladezustand oder einem hohen Alterungszustand, keine oder nur sehr wenig elektrische Energie während eines Ladevorgangs, d. h. Ladeleistung, aufnehmen können. Die elektrische Antriebsmaschine wird während des so genannten Rekuperierens oder Reversierens als Generator betrieben. In diesem Generatorbetrieb wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Energiespeicher können diese Energie jedoch beispielsweise bei den genannten Randbedingungen aber nicht oder nur eingeschränkt aufnehmen. Wird in einer derartigen Situation jedoch nur ein Bremsmoment in einer solchen Höhe ausgeübt, dass die elektrische Energie beim rekuperierenden Bremsen vom Energiespeicher oder anderen Verbrauchern auch aufgenommen werden kann, besteht die Gefahr, dass das erzeugte Bremsmoment zu gering ist. Das heißt, dass die elektrische Antriebsmaschine ein angesteuertes Bremsmoment oder eine vom Fahrer mittels eines Bremspedals geforderte Bremsleistung nicht einstellen kann, so dass in nachteiliger Weise eine zusätzliche Nutzung einer mechanischen Bremse des Fahrzeugs erforderlich ist.In vehicles with electric drive machines, such as electric vehicles, fuel cell vehicles and hybrid vehicles, electrical energy storage, such as high-performance batteries, flywheels, electrical capacitors and other memory used. These energy storage are characterized by the fact that they are at certain boundary conditions, such. As low temperatures, full state of charge or a high degree of aging, no or very little electrical energy during a charging, ie charging power record. The electric drive machine is operated as a generator during the so-called recuperation or reversing. In this generator mode kinetic energy is converted into electrical energy. However, the energy storage can not or only partially absorb this energy, for example, in the aforementioned boundary conditions. In such a situation, however, only a braking torque is applied in such a height that the electrical energy in recuperating Brakes can be absorbed by the energy storage or other consumers, there is a risk that the generated braking torque is too low. This means that the electric drive machine can not set a controlled braking torque or a braking power demanded by the driver by means of a brake pedal, so that an additional use of a mechanical brake of the vehicle is disadvantageously required.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Antriebsmaschine realisiert, welche die Erzeugung des erforderlichen Bremsmoments ermöglichen, jedoch die elektrische Energie nur in dem Maße zur Verfügung stellen, welches auch vom Energiespeicher aufgenommen werden kann.By means of the method according to the invention, a control and / or regulation of the electric drive machine is realized, which allow the generation of the required braking torque, but provide the electrical energy only to the extent available, which can also be absorbed by the energy storage.
Daraus ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Lebensdauer des Energiespeichers. Diese Erhöhung der Lebensdauer resultiert aus einer Verringerung des Ladeleistungsumsatzes, insbesondere auch bei geringen Umgebungstemperaturen, da Bremsvorgänge des Fahrzeugs nicht ausschließlich mittels Rekuperation, sondern mittels der Wirkungsgradsteuerung optimiert erfolgen. Weiterhin ist eine hohe Reproduzierbarkeit des Fahrzeugverhaltens insbesondere in Fahrzuständen, in welchen dieses abgebremst werden soll, realisierbar. Derartige Fahrzustände sind beispielsweise ein Anfahren an einer Steigung, bei welchem eine Rückrollsituation entgegen der gewünschten Fahrtrichtung auftritt, ein Reversieren, bei welchem eine Gangumschaltung oder eine Fahrtrichtungsumkehr erfolgen, und eine Rekuperation, bei welcher ein regeneratives Bremsen erfolgt.This results in a particularly advantageous manner, an increase in the life of the energy storage. This increase in the service life results from a reduction in the charging power conversion, in particular even at low ambient temperatures, since braking operations of the vehicle are not carried out exclusively by means of recuperation, but by means of the efficiency control. Furthermore, a high reproducibility of the vehicle behavior, in particular in driving conditions in which this is to be braked feasible. Such driving conditions are, for example, a start on a slope in which a rollback situation occurs opposite to the desired direction of travel, a reversing, in which a gear change or reversing occur, and a recuperation, in which a regenerative braking occurs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Bei dem Fahrzeug handelt es sich um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei das Fahrzeug zumindest einen Energiespeicher umfasst, in welchem elektrische Energie, die während eines Generatorbetriebs der Antriebsmaschine
Beim Vierquadrantenbetrieb bzw. bei der so genannten Vierquadrantensteuerung wird zwischen dem Motorbetrieb und dem Generatorbetrieb der Antriebsmaschine
Im ersten Quadranten I wird die Antriebsmaschine
Auch im dritten Quadranten III wird die Antriebsmaschine
Im zweiten Quadranten II und vierten Quadranten IV wird die Antriebsmaschine
Der Energiespeicher kann bei bestimmten Randbedingungen, wie z. B. bei tiefen Temperaturen, vollem Ladezustand oder einem hohen Alterungszustand, keine oder nur sehr wenig elektrische Energie während des Generatorbetriebes der Antriebsmaschine
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird mittels einer nicht gezeigten ersten Steuereinheit, beispielsweise einem Batteriesteuergerät des Energiespeichers, eine mögliche Leistungsaufnahme des elektrischen Energiespeichers erfasst und als Signal P_el_zul_Energiespeicher zur Verfügung gestellt.For carrying out this method, a possible power consumption of the electrical energy store is detected by means of a first control unit (not shown), for example a battery control device of the energy store, and provided as signal P_el_zul_Energiespeicher .
Mittels der ersten Steuereinheit oder einer zweiten Steuereinheit wird eine resultierende elektrische Leistung P_el_zul_Antrieb, welche von der Antriebsmaschine
Mittels einer dritten Steuereinheit wird das vom Fahrer des Fahrzeugs gewünschte, insbesondere mittels eines Bremspedals angeforderte Bremsmoment MW als Funktion von verschiedenen Informationen, wie z. B. einer Fahrpedalstellung, einem Bremspedaldruck, einer Information eines eingelegten Getriebeganges oder einer Fahrstufe, einer Fahrtrichtung, einer Fahrgeschwindigkeit und weiteren Informationen ermittelt.By means of a third control unit, the desired by the driver of the vehicle, in particular by means of a brake pedal requested braking torque M W as a function of various information, such. B. an accelerator pedal position, a brake pedal pressure, information of an engaged gear or a gear, a direction of travel, a driving speed and other information determined.
Eine vierte Steuereinheit, beispielsweise ein Motorsteuergerät der Antriebsmaschine
Mittels der von der vierten Steuereinheit ermittelten Ansteuerungsmethode wird ein aus der zulässigen elektrischen Leistung P_el_zul_Antrieb resultierendes maximal umsetzbares Moment Mmax der Antriebsmaschine
Bleibt der Betrag des maximal umsetzbaren Moments Mmax der Antriebsmaschine
Da sich die Größen des maximal umsetzbaren Moments Mmax der Antriebsmaschine
Anhand der folgenden
Bei derartigen permanent erregten Synchronmaschinen wird durch den dreiphasigen Kurzschluss über Endstufen eines Leistungsumrichters ein drehzahlabhängiges Bremsmoment MB erzeugt.In such permanently excited synchronous machines, a speed-dependent braking torque M B is generated by the three-phase short circuit via power amplifiers of a power converter.
Die Realisierung eines ersten Betriebszustands der Antriebsmaschine
Dadurch kann ein dauerhaft anstehendes Bremsmoment MB gemäß
Auch kann ein geringeres als das in
Dies führt zu einer sehr schnellen Umschaltung zwischen dem beim dreiphasigen Kurzschluss erzeugten Bremsmoment MB und einem Nullmoment, so dass sich abhängig vom Tastverhältnis ein mittleres Bremsmoment einstellt, das kleiner als das bei dreiphasigem Kurzschluss erzeugte Bremsmoment MB ist.This leads to a very fast switching between the braking torque M B generated during the three-phase short circuit and a zero torque, so that, depending on the duty cycle, an average braking torque which is smaller than the braking torque M B generated in the case of a three-phase short circuit is established.
Aufgrund der hochfrequenten Umschaltung zwischen den Betriebszuständen und der Trägheit der Antriebsmaschine
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wirkungsgrad der Antriebsmaschine
Hierdurch wird ein Moment eingeprägt. Dabei bestimmt nicht nur die Höhe, sondern auch die Orientierung des Stromes das resultierende Drehmoment M. Bevorzugt werden d-Komponenten und q-Komponenten des elektrischen Stromes derart gewählt, dass bei kleinst möglichem Betrag des Stromes und damit minimalen Verlusten ein maximales Drehmoment M erzeugt wird. Dies führt bei Momenten M im zweiten Quadranten II und vierten Quadranten IV zu einer größtmöglichen Energierückspeisung in den Energiespeicher, da die Momente M eine mechanische Bremsleistung abzüglich der Verluste in der Antriebsmaschine
Um die Höhe des erzeugten Momentes M an das angeforderte Bremsmoment MW und das maximal umsetzbare Moment Mmax anzupassen, wird der Strom in Feldrichtung derart eingeprägt, dass definiert eine Verlustleistung erzeugt wird.In order to adjust the height of the generated torque M to the requested braking torque M W and the maximum implementable torque M max , the current in the field direction is impressed in such a way that defined power loss is generated.
In Abhängigkeit des angeforderten Bremsmoment MB im zweiten Quadranten II oder vierten Quadrant IV werden dabei der Betrag des Stromes und dessen Orientierung derart gewählt, dass die Verlustleistung so groß ist wie das über das angeforderte Bremsmoment MW hinausgehende theoretisch maximal mögliche von der Antriebsmaschine
Befindet sich der Energiespeicher in einem Zustand, in welchem dieser elektrische Energie speichern kann, wird der Betrag des Stromes und dessen Orientierung derart gewählt, dass die Verlustleistung so groß ist wie die Summe aus dem über das angeforderte Bremsmoment MW hinausgehende theoretisch maximal mögliche erzeugbare Bremsmoment und der von dem Energiespeicher aufnehmbaren Energie. Dabei ist die Verlustleistung stufenlos einstellbar.The energy storage is in a state in which this can store electrical energy, the amount of the current and its orientation is chosen such that the power loss is as large as the sum of the above the requested braking torque M W beyond theoretical maximum possible producible braking torque and the energy consumable by the energy storage. The power loss is infinitely adjustable.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Einstellung des mittels der Antriebsmaschine
Somit sind Betriebspunkte realisierbar, bei welchen geringe elektrische Leistungen an den Klemmen der Antriebsmaschine
Auch ist die Kombination aus dem Betrieb mit dauerhaftem oder gepulstem dreiphasigen Kurzschluss und der gezielten Erzeugung der Verlustleistung anhand der definierten Einprägung des Stromes bei Betriebszuständen anwendbar, bei denen der Energiespeicher geringe Leistungen aufnehmen kann, wobei alle einzustellenden Ladeleistungen stufenlos erzeugbar sind.Also, the combination of the operation with a permanent or pulsed three-phase short circuit and the targeted generation of power loss on the basis of the defined impression of the current in operating conditions applicable, in which the energy storage can absorb low power, all charging power to be adjusted are continuously generated.
Sowohl die bei der Erzeugung des dreiphasigen Kurzschlusses als auch bei der Einprägung des definierten Stromes erzeugte Verlustleistung wird in Form von Wärme erzeugt. Diese Wärme ist in besonders vorteilhafter Weise zur schnellen Aufwärmung eines Kühlkreislaufes der Antriebsmaschine
Des Weiteren ist die gezielte Erzeugung der Verlustleistung mittels der genannten Ansteuermethoden auch bei einem Kaltstart des Fahrzeugs einsetzbar, um die Antriebsmaschine
Um ein Fahrverhalten bei Anwendung der oben genannten Ansteuerungsmethoden der Antriebsmaschine
Ein möglicher Betriebs- und Fahrzustand des Fahrzeugs ist eine während eines Anfahrvorgangs an einer Steigung auftretende Rückrollsituation entgegen der gewünschten Fahrtrichtung, bei welchem ein Gang oder eine Fahrstufe zur Fahrt in die vorgesehene Richtung eingelegt ist.One possible operating and driving state of the vehicle is a rollback situation occurring on a slope during a start-up process counter to the desired direction of travel, in which a gear or a drive step is engaged for driving in the intended direction.
Der bei dieser Situation vom Fahrer vorgegebene Istzustand ist insbesondere durch eine konstante Ganghebelposition und eine Betätigung des Fahrpedals und/oder Bremspedals zur Abbremsung des Fahrzeugs gekennzeichnet. Hiermit versucht der Fahrer beispielsweise, ein Zurückrollen am Berg abzubremsen.The actual state predetermined by the driver in this situation is characterized in particular by a constant gear lever position and an actuation of the accelerator pedal and / or brake pedal for braking the vehicle. For example, the driver tries to slow down a roll back on the mountain.
Ein Sollzustand des Energiespeichers zeichnet sich dadurch aus, dass die mittels der im Generatorbetrieb arbeitenden Antriebsmaschine
Ein Istzustand des Energiespeichers zeichnet sich dagegen dadurch aus, dass dieser bereits vollständig geladen ist und keine weitere elektrische Energie aufnehmen kann.An actual state of the energy storage, on the other hand, is characterized by the fact that it is already fully charged and can not absorb any further electrical energy.
Ein Istzustand der Antriebsmaschine
Als Sollzustand der Antriebsmaschine
Die Steuerung und/oder Regelung der Antriebsmaschine
Auch ist es möglich, ohne die Betätigung des Fahrpedals in der genannten Situation langsam mit Bremsunterstützung der Antriebsmaschine
Ein weiterer möglicher Betriebs- und Fahrzustand des Fahrzeugs ist ein so genannter Reversiervorgang. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Wendemanöver oder einen Einparkvorgang, bei dem der Fahrer in Vorwärtsfahrt ankommt und noch während der Vorwärtsfahrt, beispielsweise beim Ausrollen, in den Rückwärtsgang bzw. eine entsprechende Fahrstufe wechselt, um dann ohne Betätigung des Fahrpedals und des Bremspedals das Fahrzeug durch die im Generatorbetrieb befindliche Antriebsmaschine
Der Reversiervorgang kann auch durch einen Wechsel in einen Vorwärtsgang bzw. eine entsprechende Fahrstufe während einer Rückwärtsfahrt gekennzeichnet sein. Die Steuerung und/oder Regelung der Antriebsmaschine
Das Fahrzeug befindet sich in einer Rückwärtsfahrsituation bei eingelegtem Rückwärtsgang oder eingelegter Fahrstufe zum Rückwärtsfahren. Dabei wird die Antriebsmaschine
Der Sollzustand des Fahrzeugs besteht darin, dass dieses aus der Rückfahrsituation, gegebenenfalls bis zum Stillstand, abgebremst werden soll. Optional besteht der Sollzustand darin, dass das Fahrzeug bei weiter betätigtem Fahrpedal aus der Rückwärtsbewegung anschließend vorwärts beschleunigt werden soll.The nominal state of the vehicle is that it should be braked from the reversing situation, possibly to a standstill. Optionally, the target state is that the vehicle is to be further accelerated forward from the backward movement when the accelerator pedal is further actuated.
Der Istzustand der Fahrervorgabe ist, dass der Fahrer die Ganghebelposition vom Rückwärtsgang oder der entsprechenden Fahrstufe in den Vorwärtsgang bzw. die entsprechende Fahrstufe bei konstant betätigtem Fahrpedal wechselt. Das Fahrpedal ist dabei beispielsweise zu 50% betätigt.The actual state of the driver specification is that the driver changes the gear lever position from the reverse gear or the corresponding gear stage into the forward gear or the corresponding gear stage with the accelerator pedal constantly pressed. The accelerator pedal is for example 50% actuated.
Der Sollzustand des Energiespeichers zeichnet sich dadurch aus, dass die mittels der im Generatorbetrieb arbeitenden Antriebsmaschine
Der Istzustand des Energiespeichers zeichnet sich dagegen dadurch aus, dass dieser bereits vollständig geladen ist und keine weitere elektrische Energie aufnehmen kann.The actual state of the energy storage, on the other hand, is characterized by the fact that it is already fully charged and can not absorb any further electrical energy.
Der Istzustand der Antriebsmaschine
Der Sollzustand der Antriebsmaschine
Um die Sollzustände zu realisieren, erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Antriebsmaschine
Ein weiterer möglicher Betriebs- und Fahrzustand des Fahrzeugs ist die so genannte Rekuperation, bei welcher im Generatorbetrieb der Antriebsmaschine
Der Istzustand des Fahrzeugs ist dabei der, dass sich das Fahrzeug im Schiebbetrieb in einer Vorwärtsfahrsituation bei eingelegtem Vorwärtsgang bzw. entsprechender Fahrstufe befindet und das Fahrpedal nicht betätigt ist.The actual state of the vehicle is that the vehicle is in a forward driving situation in forward driving position with engaged forward gear or corresponding driving position and the accelerator pedal is not actuated.
Die Antriebsmaschine
Der Sollzustand des Fahrzeugs besteht darin, dass dieses bei kontinuierlich abnehmender zulässiger elektrischer Ladeleistung des Energiespeichers, da sich diese beispielsweise einem Vollladezustand annähert, mit gleichbleibender Verzögerung abgebremst werden soll. Dies ist beispielsweise bei dem Befahren einer Gefällestrecke der Fall.The desired state of the vehicle is that this is to be decelerated with a constant delay with continuously decreasing allowable electrical charging power of the energy storage, as this approach, for example, a full charge state. This is the case, for example, when driving on a downward slope.
Der Istzustand der Fahrervorgabe zeichnet sich dadurch aus, dass dieser eine konstante Ganghebelposition gewählt hat und das Fahrpedal nicht betätigt, um die so genannte Motorbremse und Rekuperation zu ermöglichen.The actual state of the driver's specification is characterized by the fact that this has chosen a constant gear lever position and the accelerator pedal is not actuated to allow the so-called engine brake and recuperation.
Der Sollzustand des Energiespeichers ist der, dass die von der im Generatorbetrieb betriebenen Antriebsmaschine
Der Istzustand des Energiespeichers zeichnet sich dagegen dadurch aus, dass dieser bereits vollständig geladen ist und keine weitere elektrische Energie aufnehmen kann.The actual state of the energy storage, on the other hand, is characterized by the fact that it is already fully charged and can not absorb any further electrical energy.
Der Istzustand der Antriebsmaschine
Der Sollzustand der Antriebsmaschine
Um die Sollzustände zu realisieren, erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Antriebsmaschine
Diese Steuerung und/oder Regelung der Antriebsmaschine
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Antriebsmaschineprime mover
- 22
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 2.1 bis 2.32.1 to 2.3
- Leistungsschalterbreakers
- II
- erster Quadrantfirst quadrant
- IIII
- zweiter Quadrantsecond quadrant
- IIIIII
- dritter Quadrantthird quadrant
- IVIV
- vierter Quadrantfourth quadrant
- MM
- Drehmomenttorque
- MB M B
- Bremsmomentbraking torque
- MW M W
- angefordertes Bremsmomentrequested braking torque
- Mmax M max
- maximal umsetzbares Momentmaximum feasible moment
- nn
- Drehzahlrotation speed
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102004018945 A1 [0005] DE 102004018945 A1 [0005]
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