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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Teststand, der zum Durchführen eines solchen Verfahrens ausgelegt ist.
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Um die Funktion eines Brennstoffzellensystems und die Entwicklung dessen Betriebsführung inklusive Betriebsparameter am Teststand zu ermöglichen, ist eine Nachbildung der Fahrzeug-Umgebung entsprechend des zu testenden Fahrzeugs erforderlich. Die Nachbildung der Fahrzeug-Umgebung erfolgt dabei üblicherweise an einem HIL(Hardware In the Loop)-Teststand, was jedoch nicht ausreichend ist, um die Betriebsführung eines Brennstoffzellensystems unter realen Bedingungen zu entwickeln und zu testen.
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Die
US 2008/0278183 A1 beschreibt ein Brennstoffzellentestsystem mit einer Brennstoffzelle in einer Testkammer, eine Brennstoffzuführleitung und eine Sauerstoffzuführleitung, mehrere Steuereinrichtungen, welche die Flussrate, den Druck, die Temperatur und weitere Größen der Zuführleitungen steuern. Weiterhin überwacht eine zentrale Steuereinrichtung die Funktion der Brennstoffzelle als Antwort auf die Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr.
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Weiterhin beschreibt die
US 2005/0153180 A1 einen Brennstoffzellenteststand mit einer Brennstoffzelle, Zu- und Abführleitungen für Sauerstoff und Wasserstoff und einem Kühlsystem. Dabei werden die von verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems gemessenen Signale an eine Steuereinrichtung übermittelt, die den Betrieb der Brennstoffzelle steuert.
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Bei diesen Testsystemen bleibt jedoch die Fahrzeugumgebung und andere Fahrzeugsubsysteme unberücksichtigt, weshalb auch die Entwicklung einer Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems in einer realen Fahrzeugumgebung hierdurch nicht möglich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und einen Teststand zum Testen eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, mittels welchen eine Verbesserung der Simulation einer realen Fahrzeugumgebung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und einen Teststand zum Testen eines Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Testen eines vorgegebenen Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug an einem Teststand wird ein Teststand mit dem vorgegebenen Brennstoffzellensystem und einer Brennstoffzellensteuereinrichtung zum Ansteuern des vorgegebenen Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Weiterhin wird zumindest ein erster Teil von Kraftfahrzeugkomponenten, welche bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug in Wirkverbindung mit dem Brennstoffzellensystem stehen, durch Hardware-Komponenten des Teststands simuliert. Darüber hinaus wird zumindest ein zweiter Teil der Kraftfahrzeugkomponenten durch in einer Simulationseinheit abgelegte Softwarekomponenten des Teststands simuliert.
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Durch die Simulation einer realen Fahrzeugumgebung durch eine Kombination aus Hardware- und Software-Komponenten wird es auf vorteilhafte Weise ermöglicht, die Fahrzeugumgebung äußerst realitätsnah nachzubilden. Dadurch wird es ermöglicht das Brennstoffzellensystem unter verschiedenen klimatischen Bedingungen zu testen und zu entwickeln, insbesondere ohne dass für eine derartig realitätsnahe Betriebssimulation des Brennstoffzellensystems, wie es durch die Erfindung ermöglicht wird, eine tatsächlich reale Fahrzeugumgebung benötigt wird.
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Beispielsweise können dabei die Funktionen von Fahrzeugkomponenten wie Kühlsystem, Tank-System, Batterie und Fahrantrieb durch geeignete Hardware-Komponenten wie einen mit Wasser gekühlten Wärmetaucher, eine Teststands-H2-Versorgung, ein HV-Netzteil und eine Netzeinspeisung übernommen werden. Dadurch kann auf kosteneffiziente Weise eine besonders gute Nachbildung der Fahrzeugumgebung und insbesondere durch Kombination mit der Simulation durch die Softwarekomponenten auch die Wechselwirkung des Brennstoffzellensystems mit diesen Komponenten im Betrieb bereitgestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Betriebsparameter, welche dem vorgegebenen Brennstoffzellensystem zugeordnet sind, bereitgestellt und als Eingangsparameter der Simulationseinheit zugeführt. Insbesondere können dabei auch für mehrere unterschiedliche vorgegebene Brennstoffzellensysteme, insbesondere solche, die unterschiedlichen Entwicklungsphasen zugeordnet sind, jeweilige Betriebsparameter bereitgestellt werden. Zum Durchführen eines Tests eines betreffenden vorgegebenen Brennstoffzellensystems können somit zur Simulation der Simulationseinheit die betreffenden Betriebsparameter zugeführt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass so mit einem Teststand, insbesondere durch eine einzige Teststandssoftware, die durch die in der Simulationseinheit abgelegten Softwarekomponenten gebildet ist, mehrere unterschiedliche Entwicklungsstände eines Brennstoffzellensystems betrieben werden können, was den Aufwand und die Kosten des Testverfahrens enorm reduziert. Um dies zu ermöglichen, ist für die Teststandssoftware ein modularer Aufbau vorgesehen.
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Bevorzugt umfasst die Simulationseinheit dabei ein Fahrzeugschnittstellen-Modul zur Simulation von Funktionen eines mit der Brennstoffzellensteuereinrichtung in Kommunikationsverbindung stehenden Fahrzeugsteuergeräts. Dieses Fahrzeugschnittstellen-Modul simuliert und steuert dabei Abläufe einer Fahrzeugschnittstelle zwischen einem Fahrzeugsteuergerät und der Brennstoffzellensteuereinrichtung, stellt eine Regelkommunikation vom Fahrzeugsteuergerät zum Brennstoffzellensteuereinrichtung nach steuert und/oder regelt einen Betrieb zumindest der Hardware-Komponenten steuert und/oder regelt. Somit können auf vorteilhafte Weise die relevanten Funktionen, die in einem realen Fahrzeug von einem Fahrzeugsteuergerät übernommen werden, durch das Fahrzeugschnittstellenmodul implementiert und weiterentwickelt werden. Das Fahrzeug-Schnittstellen-Modul sichert damit einen voll automatisierten Betrieb des Teststands und somit des Brennstoffzellensystems ab.
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Darüber hinaus umfasst die Simulationseinheit weiterhin bevorzugt ein Last-Profil-Modul, welches für einen vorgegebenen Testablauf einen Last-Verlauf für eine vorgegebene Zeitdauer vorgibt. Insbesondere kann das Last-Profil-Modul dabei auch Teststands-Subsysteme ansteuern, wie z. B. eine Klimakammer, eine Vorkonditionierkammer, eine Neigungsvorrichtung, usw.. Auf vorteilhafte Weise kann so durch das Fahrzeugschnittstellen-Modul in Kombination mit den Vorgaben aus dem Last-Profil-Modul ein Dauerbetrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden.
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Weiterhin kann die Simulationseinheit ein Alarm-Modul aufweisen, das das Brennstoffzellensystem auf Basis zumindest einer gemessenen physikalischen Größe des Brennstoffzellensystems überwacht und bei Überschreiten eines der zumindest einen physikalischen Größe zugeordneten Grenzwerts einen Alarm ausgibt. Darüber hinaus kann das Alarm-Modul auch Überwachungsfunktionen der übrigen Komponenten, insbesondere aller Hardware- und Software-Komponenten bereitstellen, so dass vorteilhafterweise das Brennstoffzellensystem und übrige Komponenten abgesichert werden können.
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Zur Bewertung der Alarme ist bevorzugt weiterhin ein State-Machine-Modul vorgesehen. Dieses kann darüber hinaus die Steuerung der Abläufe am Teststand bereitstellen. Durch das State-Machine-Modul können so die Abläufe in der Brennstoffzellensteuereinrichtung mit der Teststandsumgebung verbunden und somit ein zuverlässiges Funktionieren der Fahrzeug-Simulation in der Teststandssoftware gewährleistet werden.
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Durch diesen modularen Aufbau der Teststandssoftware und durch die durch die Betriebsparameter bereitgestellten Spezifikationen eines zu testenden Brennstoffzellensystems wird es somit ermöglicht, die Simulationen auf die speziellen Anforderungen zur Entwicklung des Brennstoffzellensystems anzupassen.
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Der erfindungsgemäße Teststand zum Testen eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug ist dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Verfahren oder eines seiner Ausgestaltungen durchzuführen. Insbesondere gelten alle für das erfindungsgemäße Verfahren genannte Ausgestaltungen, Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Teststand.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der folgenden Zeichnung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu simulierenden Fahrzeugverbunds mit mehreren Kraftfahrzeugkomponenten, welche kommunikativ verbunden sind;
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2 eine schematische Darstellung der Nachbildung des in 1 dargestellten Fahrzeugverbunds am Teststand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung der im Prozessleitsystem des Teststands durch Software-Module simulierten Komponenten des Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu simulierenden Fahrzeugs 10 bzw. Fahrzeugverbunds mit mehreren Kraftfahrzeugkomponenten, welche kommunikativ gekoppelt sind. Der Fahrzeugverbund umfasst dabei viele Subsysteme, die miteinander über eine Kommunikationsmatrix verbunden sind.
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Das zu simulierende Fahrzeug 10 umfasst dabei eine Fahrerkabine 12 mit einer Ein- und Ausgabeeinrichtung 14, wie z. B. ein Gaspedal und ein Kombiinstrument zum Anzeigen von aktuellen Fahrzeugparametern. Dabei kann durch einen Fahrer eine Lastanforderung, z. B. über das Gaspedal, ausgelöst werden kann. Ein entsprechendes Signal wird daraufhin in der Vehicle Control Unit (VCU) 16, also im Fahrzeugsteuergerät, generiert. In der VCU 16 wird die vom Brennstoffzellensystem 18 geforderte Gesamtlast bestimmt, insbesondere inklusive aller Komponentenverbräuche auf der Fahrzeugseite, insbesondere durch Komponenten wie z. B. Klimaanlage 20a, Sitzsteuerung 20b, Fahrzeugsensoren 20c, usw.. Die Gesamtlast wird daraufhin der Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU mitgeteilt. Die Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU fährt die Brennstoffzellen-Aggregate soweit hoch, bis die geforderte Last vom Brennstoffzellensystem 18 dem Fahrzeug 10, insbesondere für den Fahrantrieb 24 und zur Versorgung der Fahrzeugkomponenten 20a, 20b und 20c, zur Verfügung gestellt wird. Aus der Batterie 22 wird ein Teil der Leistung bei Lastsprüngen soweit gepuffert, bis die Gesamtdynamik am Fahrzeug 10 mit der Spezifikation übereinstimmt. Im Falle eines Lastabwurfs wird die Energie durch Rekuperation in die Batterie 22 gepuffert. Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem 18 mit einem Tank-System 26 gekoppelt zur Versorgung des Brennstoffzellensystems 18 mit Wasserstoff und mit einem Kühlsystem 28 zur Kühlung des Brennstoffzellensystems 18 und ggf. weiterer zu kühlender Komponenten.
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Am Teststand 100 (vgl. 2) wird nun die Fahrzeugumgebung teils durch Hardware-Komponenten und Teils durch Software-Funktionen simuliert, wie in 2 veranschaulicht.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Nachbildung des in 1 dargestellten Fahrzeugverbunds am Teststand 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei wird nun ein Teil der relevanten Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere solcher, welche bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 18 in einem Kraftfahrzeug 10, wie z. B. dem in 1 dargestellten, in Wirkverbindung mit dem Brennstoffzellensystem 18 stehen, durch Hardware-Komponenten simuliert. Hierbei wird der Fahrantrieb 24 und die Batterie 22 durch eine Netzeinspeisung 124 ersetzt, welche bidirektional verwendet wird. Weiterhin liefert ein HV-Netzteil 122 die Startleistung für das Brennstoffzellensystem 18 und ersetzt somit die Funktion der Batterie 22 im Startup des Brennstoffzellensystems 18. Des Weiteren ersetzt ein Kühlkreis 128, insbesondere ein mit Wasser gekühlter Wärmetaucher, den Kühler 28 des Kraftfahrzeugs, und eine Teststands-H2-Versorgung 126 ersetzt den Tank 26 im Fahrzeug 10. Drüber hinaus umfasst der Teststand 100 Sensoreinrichtungen 120 zum Erfassen der relevanten Messgrößen der Hardware-Komponenten und insbesondere des Brennstoffzellensystems 18. Diese Messgrößen können einem Prozessleitsystem 116 als Regelgrößen oder Überwachungsgrößen bereitgestellt werden oder auf einer Benutzerschnittstelle, wie z. B. einem Bedien-PC 114, ausgegeben werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der im Prozessleitsystem 116 des Teststands 100 durch Software-Module simulierten Komponenten des Kraftfahrzeugs 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mittels des Prozessleitsystems 116, insbesondere durch eine Simulationseinrichtung und die darin als Softwarekomponenten abgelegte Teststandssoftware, werden weitere Kraftfahrzeugkomponenten simuliert. Die Teststandssoftware ist dabei modular aufgebaut. Dadurch wird es ermöglicht, dass mit einem Teststand 100 und insbesondere durch die in der Simulationseinheit abgelegten Softwarekomponenten, mehrere unterschiedliche Entwicklungsstände eines Brennstoffzellensystems betrieben werden können. Die Abstimmung der Kommunikationsschnittstelle zwischen VCU 16 und der Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU bildet dabei die Grundlage für die Implementierung der Betriebsführungsfunktionen in der Teststandsoftware.
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Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 18 ist es notwendig bestimmte Parameter entsprechend den Entwicklungsphasen so einzustellen, dass ein kontinuierlicher und sicherer Betrieb der Testanlagen gewährleistet ist. Diese Betriebsparameter können z. B. in bestimmten Schnittstellendokumenten verwaltet und der Simulationseinheit und der darin abgelegten Teststandssoftware bzw. den einzelnen Software-Modulen, als Eingangsparameter zur Verfügung gestellt werden. Dabei können Dokumente, umfassend Teststand-Settings, wie z. B. Hardwarebelegung und Parameter, die CAN-Schnittstelle, wie z. B. die aktuellen CAN-Datenbasen, Alarmfiles für Teststandalarme und abhängig von Testprogramm erstellte Profilfiles, entsprechend der Teststandssoftware-Version zentral erstellt und archiviert werden.
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Die Teststandssoftware, die in der Simulationseinheit abgelegt ist, umfasst dabei zumindest ein Fahrzeugschnittstellen-Modul, ein Last-Profil-Modul und ein State-Machine-Modul als wesentliche Komponenten, deren Funktionen im Folgenden näher erläutert werden.
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Durch das Fahrzeugschnittstellen-Modul werden im Prozessleitsystem werden u. a. folgende für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevante Funktionen vom Fahrzeug-Steuergerät VCU 16 implementiert und weiter entwickelt: Es werden alle Abläufe der Fahrzeugschnittstelle zum Brennstoffzellensystem 18 simuliert und gesteuert, es wird die Regelkommunikation vom Fahrzeug 10 zur Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU nachgestellt und es werden alle für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 18 am Teststand 100 relevante Komponenten und Subsysteme gesteuert und geregelt. Im Fahrzeugschnittstellen-Modul wird das Leistungsmanagement des Brennstoffzellensystems 18 in Zusammenhang mit den Anforderungen am Gesamtfahrzeug entwickelt und alle Parameter eingestellt, z. B. Leistungsregelung nach Vorgabe, Dynamik des Brennstoffzellensystems, FSU. Das Fahrzeugschnittstellen-Modul sichert einen voll automatisierten Betrieb des Teststands 100 und somit des Brennstoffzellensystems 18 ab. Kombiniert mit den Vorgaben aus dem Last-Profile-Modul ist ein Dauerbetrieb des Brennstoffzellensystems 18 gewährleistet.
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Dabei ist das Last-Profil-Modul so aufgebaut, dass es genau den speziellen Anforderungen zur Entwicklung des Brennstoffzellensystems 18 erfüllt. Es wird sowohl zur Vorgabe der Last, als auch zur Ansteuerung bestimmter Teststands-Sub-Systeme, wie z. B. Klimakammer, Vorkonditionierkammer, Neigungsvorrichtung, usw., verwendet, passend zu einem vom Testablauf vordefinierten Zeitgefüge, also dem Lastprofil über der Zeit.
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Weiterhin ist dabei eine Kombination sowohl zeitabhängiger als auch ereignisgesteuerter Abläufe im Last-Profil-Modul für die Betriebsführungsentwicklung vom Brennstoffzellensystem 18 sehr wichtig.
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Als weiteres Software-Modul verbindet das State-Machine-Modul die Abläufe im Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU mit der Teststandsumgebung und bildet die Grundlage für das zuverlässige Funktionieren der Fahrzeug-Simulation in der Teststandssoftware. Das State-Machine-Modul braucht dabei Trigger-Signale sowohl von der Brennstoffzellensteuereinrichtung FCU (via CAN) als auch vom Teststand 100 (Digitale und/oder Analoge Signale; CAN-Signale), wie z. B. ein Klemme 15-Signal oder die Bereitschaft der Netzrückspeisung als OK-Bit'.
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Das State-Machine-Modul steuert die Abläufe am Brennstoffzellensystem-Teststand, und ist u. a. notwendig für die Bewertung der Teststand-Alarme im Alarm-Modul zur Absicherung der Komponenten im Brennstoffzellensystem.
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Insgesamt werden somit ein Verfahren und ein Teststand bereitgestellt, welche eine Simulation der Fahrzeugschnittstellen in einem Brennstoffzellensystem-Teststand ermöglichen, und durch den modularen Aufbau der Teststandssoftware unter Einbezug von durch Hardware-Komponenten simulierter Fahrzeugkomponenten eine realitätsnahe und umfassende Simulation der Fahrzeugumgebung ermöglichen. Durch die Erfindung können somit auf einfache und kostengünstige Weise äußerst gute Testergebnisse erzielt werden, die in Form von Parametern in die Software für die Brennstoffzellensteuereinrichtung für den späteren Einsatz dieser Software in der Flotte einfließen können. Die Software für die Brennstoffzellensteuereinrichtung kann somit auf einfache Weise validiert und direkt im Fahrzeug eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Fahrerkabine
- 14
- Ein- und Ausgabeeinrichtung
- 16
- Fahrzeugsteuergerät
- 18
- Brennstoffzellensystem
- 20a
- Klimaanlage
- 20b
- Sitzsteuerung
- 20c
- Fahrzeugsensoren
- 22
- Batterie
- 24
- Fahrantrieb
- 26
- Tank-System
- 28
- Kühlsystem
- 100
- Teststand
- 120
- Sensoreinrichtungen
- 122
- HV-Netzteil
- 124
- Netzeinspeisung
- 126
- Teststands-H2-Versorgung
- 128
- Kühlkreis
- FCU
- Brennstoffzellensteuereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0278183 A1 [0003]
- US 2005/0153180 A1 [0004]
