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Die Erfindung betrifft ein Hochvoltbordnetz für ein Hybridfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie, einer ersten Schalteinrichtung, einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, wobei der Wechselrichter über die erste Schalteinrichtung mit der Hochvoltbatterie elektrisch verschaltet ist und die elektrische Maschine mit dem Wechselrichter elektrisch verschaltet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hybridfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hochvoltbordnetz.
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Hochvoltbordnetze, welche beispielsweise in Hybridfahrzeugen vorgesehen sein können, umfassen üblicherweise einen Hochvoltenergiespeicher, beispielsweise eine Hochvoltbatterie. Die Hochvoltbatterie stellt in der Regel eine Hochvoltspannung bereit, wobei unter Hochvoltspannung hier eine elektrische Spannung größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt, zu verstehen ist. Die in der Hochvoltbatterie gespeicherte elektrische Energie kann der Versorgung einer elektrischen Maschine des Hochvoltbordnetzes dienen. Eine elektrische Maschine kann beispielsweise ein Elektromotor sein, welcher alleine oder in Verbindung mit einem in dem Hybridfahrzeug angeordneten Verbrennungsmotor zum Antreiben des Hybridfahrzeugs vorgesehen sein kann. Der Elektromotor kann aber auch dazu eingesetzt werden, in einem Generatorbetrieb die Hochvoltbatterie mit elektrischer Energie zu versorgen, also die Hochvoltbatterie zu laden. Dabei kann der Elektromotor von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden.
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In der Regel wird der elektrischen Maschine die elektrische Energie aus der Hochvoltbatterie über einen Wechselrichter zugeführt, wobei der Wechselrichter über Hochvoltleitungen mit der Hochvoltbatterie sowie mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Dabei soll sichergestellt werden, dass die elektrische Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie und der elektrischen Maschine funktionstüchtig ist. Eine defekte elektrische Verbindung kann beispielsweise eine nicht isolierte Hochvoltleitung sein. Eine Person kann beispielsweise dadurch gefährdet werden, wenn sie durch eine Berührung der defekten Hochvoltleitung in direkten Kontakt mit der von der Hochvoltbatterie bereitgestellten Hochvoltspannung kommt. Um das Anliegen der Hochvoltspannung an einer für eine Person zugänglichen Stelle zu vermeiden, ist die Hochvoltbatterie in der Regel über eine Schalteinrichtung, beispielsweise Schütze, mit den Hochvoltleitungen und damit mit dem Wechselrichter verbunden. Im Falle eines Defekts können diese Schütze geöffnet werden, wodurch die Hochvoltbatterie galvanisch von den Hochvoltleitungen und dem Wechselrichter abgetrennt wird und keine Hochvoltspannung an einer zugänglichen Stelle anliegen kann. Solche Schütze, welche eine Hochvoltbatterie von einem Energiesystem eines Hybridfahrzeugs abkoppeln, sind beispielsweise aus der
WO 2011/029668 A1 bekannt. Darin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs bei einem Defekt des Energiesystems beschrieben, wobei das Hybridfahrzeug von mindestens zwei Antriebsaggregaten gemeinsam oder getrennt angetrieben wird und mindestens ein elektrisches Antriebsaggregat ein Hochvoltenergiesystem elektrisch auflädt.
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Bei einem Defekt des Hochvoltbordnetzes gemäß dem Stand der Technik, bei welchem nicht festgestellt werden kann, ob beispielsweise die Hochvoltleitungen isoliert und funktionstüchtig sind, wird aus Sicherheitsgründen das gesamte Hochvoltbordnetz abgeschaltet. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass der Elektromotor ebenfalls nicht mehr betrieben werden kann, da dieser von dem Verbrennungsmotor als Generator zum Laden der Hochvoltbatterie betrieben werden kann, wenn der Verbrennungsmotor läuft. Dadurch könnte bei einer nicht isolierten Hochvoltleitung ein Stromschlag drohen. Um dies zu vermeiden, wird der Verbrennungsmotor bei ausgefallenem Hochvoltbordnetz nicht mehr gestartet. Das Hybridfahrzeug ist nicht mehr fahrbar und muss in der Regel abgeschleppt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges und sicheres Hochvoltbordnetz für ein Hybridfahrzeug zu realisieren, bei welchem trotz eines möglichen Defekts des Hochvoltbordnetzes das Hybridfahrzeug fahrbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hochvoltbordnetz, ein Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Ein solches Hochvoltbordnetz für ein Hybridfahrzeug umfasst eine Hochvoltbatterie, eine erste Schalteinrichtung, einen Wechselrichter und eine elektrische Maschine. Dabei ist der Wechselrichter über die erste Schalteinrichtung mit der Hochvoltbatterie elektrisch verschaltet und die elektrische Maschine mit dem Wechselrichter elektrisch verschaltet. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Elektromotor ausgeführt sein und alleine oder in Kombination mit dem in dem Hybridfahrzeug ebenfalls angeordneten Verbrennungsmotor zum Antreiben des Hybridfahrzeugs dienen. Dazu stellt die Hochvoltbatterie eine Hochvoltspannung bereit, welche dem Elektromotor über den Wechselrichter zugeführt wird. Der Wechselrichter ist dazu beispielsweise über eine Hochvoltleitung mit der Hochvoltbatterie und dem Elektromotor verbunden. Zusätzlich ist eine erste Schalteinrichtung vorgesehen, mittels welcher der Wechselrichter mit der Hochvoltbatterie galvanisch verbunden und/oder von ihr getrennt werden kann. Diese Schalteinrichtung kann beispielsweise im Falle eines Defekts einer Hochvoltkomponente der Hochvoltleitung geöffnet werden, um die Hochvoltbatterie galvanisch von dem Wechselrichter zu trennen. Dem Wechselrichter wird daraufhin keine Hochvoltspannung aus der Hochvoltbatterie zugeführt und es liegt keine Hochvoltspannung an der Hochvoltleitung an. Somit wird eine Gefährdung von Personen vermieden.
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Um nun ein sicheres und zuverlässiges Hochvoltbordnetz zu realisieren, bei welchem das Hybridfahrzeug zusätzlich fahrbereit bleibt, weist das Hochvoltbordnetz eine von der ersten Schalteinrichtung unterschiedliche zweite Schalteinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine galvanisch von dem Wechselrichter zu trennen. Diese zweite Schalteinrichtung kann beispielsweise mittels Schützen realisiert werden. Über diese Schütze kann die elektrische Maschine beispielsweise bei einem Defekt der Hochvoltleitung von der Hochvoltleitung getrennt werden. Andernfalls würde durch den Elektromotor, welcher mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist und von dem laufenden Verbrennungsmotor als Generator betrieben werden kann, elektrische Energie über die defekte Hochvoltleitung und den Wechselrichter in die Hochvoltbatterie eingespeist werden. Dies kann ebenfalls zu einer Gefährdung von Personen führen. Durch die bei einem Defekt im Hochvoltbordnetz geöffnete zweite Schalteinrichtung kann der Elektromotor trotz laufenden Verbrennungsmotors spannungsfrei geschaltet werden. Ein Betrieb des Elektromotors liefert somit keine elektrische Spannung mehr. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein verbrennungsmotorischer Notlauf des Hybridfahrzeugs bereitgestellt wird. Somit ist es einem Fahrer des Hybridfahrzeugs möglich, trotz eines Defekts des Hochvoltbordnetzes, das Hybridfahrzeug beispielsweise in eine Werkstatt zu fahren. Somit kann ein Totalausfall und ein Abschleppen des Hybridfahrzeugs vermieden werden.
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Besonders bevorzugt weist das Hochvoltbordnetz eine Überwachungseinrichtung auf, über welche alle Komponenten des Hochvoltbordnetzes, also beispielsweise die Hochvoltbatterie, der Wechselrichter und die elektrische Maschine, seriell miteinander verbunden sind, und welche dazu ausgelegt ist, einen Defekt des Hochvoltbordnetzes zu erkennen. Diese Überwachungseinrichtung kann beispielsweise als Interlock-System ausgeführt sein. Ein solches Interlock-System umfasst bevorzugt einen Interlock-Kreis, welcher alle Komponenten des Hochvoltbordnetzes elektrisch oder optisch seriell miteinander verbindet, sowie einen Interlock-Generator, der dazu ausgelegt ist, ein Interlock-Signal zu generieren und über den Interlock-Kreis zu führen. Außerdem umfasst ein Interlock-System in der Regel einen Interlock-Detektor, der mit dem Interlock-Kreis verbunden ist und dazu ausgelegt ist, das über den Interlock-Kreis geführte Interlock-Signal zu detektieren. Der Interlock-Kreis kann beispielsweise als CAN-BUS-System ausgeführt sein. Durch die serielle Verschaltung kann auf besonders einfache Weise ein Defekt einer der Komponenten des Hochvoltbordnetzes sowie der Hochvoltleitung, welche die Komponenten verbindet, detektiert werden.
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Vorzugsweise ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgelegt, nach dem Erkennen des Defekts ein Steuersignal zum Öffnen der ersten Schalteinrichtung und/oder der zweiten Schalteinrichtung zu erzeugen. Durch das Öffnen der ersten Schalteinrichtung kann sichergestellt werden, dass die Hochvoltbatterie keine Hochvoltspannung in die Hochvoltleitung einspeist. Durch das Öffnen der zweiten Schalteinrichtung kann sichergestellt werden, dass die elektrische Maschine, welche beispielsweise durch den Verbrennungsmotor als Generator betrieben werden kann, keine elektrische Energie in die Hochvoltleitung einspeist. Das Hochvoltbordnetz ist somit besonders sicher gestaltet.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Hochvoltbordnetz zumindest einen elektrischen Verbraucher aufweist, welcher über die erste Schalteinrichtung mit der Hochvoltbatterie verbunden ist. Ein solcher elektrischer Verbraucher kann als eine weitere Komponente des Hochvoltbordnetzes beispielsweise als eine Heizung, eine Klimaanlage, ein Steuergerät oder ein Spannungswandler ausgeführt sein, welcher zwischen dem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz des Hybridfahrzeugs angeordnet ist. Die elektrische Energie zum Betreiben des zumindest einen elektrischen Verbrauchers wird von der Hochvoltbatterie bereitgestellt. Außerdem ist der zumindest eine elektrische Verbraucher als Komponente des Hochvoltbordnetzes Teil des Interlock-Kreises. Ein möglicher Defekt des zumindest einen elektrischen Verbrauchers kann durch die Überwachungseinrichtung erkannt werden, wobei die Überwachungseinrichtung durch das Öffnen der ersten Schalteinrichtung sicherstellt, dass an der defekten Komponente keine Hochvoltspannung aus der Hochvoltbatterie anliegt. Durch das Öffnen der zweiten Schalteinrichtung kann ein verbrennungsmotorischer Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs realisiert werden. Dies ist für einen Fahrer des Hybridfahrzeugs besonders vorteilhaft, da nun ein Totalausfall und Abschleppen des Hybridfahrzeugs vermieden werden kann, wenn beispielsweise lediglich die mit Hochvoltspannung betriebene Heizung des Hybridfahrzeugs defekt ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Hybridfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs mit einem Hochvoltbordnetz, welches eine Hochvoltbatterie, eine erste Schalteinrichtung, einen Wechselrichter und eine elektrische Maschine aufweist, wobei der Wechselrichter über die erste Schalteinrichtung mit der Hochvoltbatterie elektrisch verschaltet wird und die elektrische Maschine mit dem Wechselrichter elektrisch verbunden wird. Bei einem Defekt des Hochvoltbordnetzes wird die elektrische Maschine Ober eine von der ersten Schalteinrichtung verschiedene zweite Schalteinrichtung von dem Wechselrichter galvanisch getrennt.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltbordnetzes.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Die Fig. zeigt ein Hochvoltbordnetz 10 für ein Hybridfahrzeug (hier nicht dargestellt). Das Hochvoltbordnetz 10 umfasst eine Hochvoltbatterie 12, einen Wechselrichter 14 und eine elektrische Maschine 16, beispielsweise einen Elektromotor. Das Hochvoltbordnetz 10 kann weitere elektrische Verbraucher aufweisen, welche hier als eine Heizeinrichtung 27 für den Innenraum des Hybridfahrzeugs, als eine Heizeinrichtung 28 für die Hochvoltbatterie 12 und als ein DC/DC-Wandler 29 ausgeführt sind. Die Hochvoltbatterie 12 kann mittels einer ersten Schalteinrichtung 20 mit Hochvoltleitungen 11 elektrisch verbunden und/oder galvanisch von den Hochvoltleitungen 11 getrennt werden. Mittels eines Leistungsverteilers 18, welcher hier als Adapterplatine ausgeführt ist, sind der Wechselrichter 14 und die elektrischen Verbraucher 27, 28, 29 über die Hochvoltleitungen 11 und die erste Schalteinrichtung 20 elektrisch mit der Hochvoltbatterie 12 verschaltet. Die Hochvoltbatterie 12, insbesondere eine Serienschaltung von Batteriezellen 13 der Hochvoltbatterie 12, kann eine Hochvoltspannung bereitstellen, welche bei einer geschlossenen ersten Schalteinrichtung 20 dem Wechselrichter 14 und den elektrischen Verbrauchern 27, 28, 29 zugeführt werden kann.
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Der Wechselrichter 14 ist über die Hochvoltleitungen 11 und eine zweite Schalteinrichtung 22 mit der elektrischen Maschine 16 verschaltet. Bei einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung 22 führt der Wechselrichter die von der Hochvoltbatterie 12 bereitgestellte Hochvoltspannung der elektrischen Maschine 16 zum Antreiben der elektrischen Maschine 16 zu.
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Zum Laden der Hochvoltbatterie 12 kann die elektrische Maschine 16 als Generator betrieben werden. Dazu kann die elektrische Maschine 16, welche mit einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor koppelbar ist, von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Bei einer geschlossenen ersten Schalteinrichtung 20 und bei einer geschlossenen zweiten Schalteinrichtung 22 kann die von der elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Energie der Hochvoltbatterie 12 zum Laden zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, die Hochvoltbatterie 12 über eine Ladevorrichtung 30 zu laden. Die Ladevorrichtung 30 umfasst ein Ladegerät 31, welches als sogenannter On-Board-Lader in dem Hybridfahrzeug angeordnet sein kann. Über eine Steckverbindung 32 kann das Ladegerät 31 mit einer externen Ladestation (hier nicht dargestellt) gekoppelt werden. Die von der externen Ladestation bereitgestellte elektrische Energie kann bei einer geschlossenen ersten Schalteinrichtung 20 der Hochvoltbatterie 12 über das Ladegerät 31 zum Laden der Hochvoltbatterie 12 zugeführt werden.
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Zusätzlich kann das Hochvoltbordnetz 10 eine Überwachungseinrichtung 23 zur Detektion eines Defektes des Hochvoltbordnetzes 10 umfassen. Ein solcher Defekt kann beispielsweise eine nicht betriebsbereite, insbesondere kalte, Hochvoltbatterie, ein defekter elektrischer Verbraucher oder eine nicht isolierte Hochvoltleitung sein. Die Überwachungseinrichtung 23 weist hier eine Interlock-Leitung, einen Interlock-Generator 24, mehrere Interlock-Logikbausteine 25 und ein Steuergerät 26 auf. Die Interlock-Leitung, welche als CAN-Bus ausgeführt sein kann, kann eine serielle Verbindung zwischen allen in dem Hochvoltbordnetz 10 angeordneten elektrischen Komponenten herstellen. Hier sind über die Interlock-Leitung die Hochvoltbatterie 12 mit der Heizeinrichtung 27, die Heizeinrichtung 27 mit dem Ladegerät 31, das Ladegerät 31 mit der Heizeinrichtung 28, die Heizeinrichtung 28 mit dem DC/DC-Wandler 29, der DC/DC-Wandler 29 mit der elektrischen Maschine 16, die elektrische Maschine 16 mit dem Wechselrichter 14, sowie der Wechselrichter 14 mit der Hochvoltbatterie 12 seriell zu einem Kreis verbunden.
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Zur Detektion eines Defekts des Hochvoltbordnetzes 10 generiert der Interlock-Generator 24, welcher hier in der Hochvoltbatterie 12 angeordnet ist, ein Interlock-Signal. Das Interlock-Signal wird hier innerhalb der Hochvoltbatterie 12 generiert und über die Interlock-Leitung an die Heizeinrichtung 27 weiterleitet. Falls die Hochvoltleitungen 11 zwischen der Hochvoltbatterie 12 und der Heizeinrichtung 27 sowie die Heizeinrichtung 27 selbst funktionstüchtig sind, leitet der Interlock-Logikbaustein 25 der Heizeinrichtung 27 das Interlock-Signal über die Interlock-Leitung an den nächsten, seriell geschalteten Interlock-Teilnehmer, also hier das Ladegerät 31 weiter. Falls die Hochvoltleitungen 11 zwischen der Heizeinrichtung 27 und dem Ladegerät 31 sowie das Ladegerät 31 selbst funktionstüchtig sind, leitet die Interlock-Logik 25 des Ladegeräts 31 das Interlock-Signal über die Interlock-Leitung an den nächsten, seriell geschalteten Interlock-Teilnehmer, also hier die Heizeinrichtung 28 weiter. Dieses Verfahren der Detektion mittels der Weiterleitung des Interlock-Signals wird entsprechend mit den restlichen Interlock-Teilnehmern, also hier dem DC/DC-Wandler 29, der elektrischen Maschine 16 und dem Wechselrichter 14 fortgesetzt. Falls alle Komponenten sowie die verbindenden Hochvoltleitungen 11 funktionstüchtig sind, kann das Interlock-Signal mittels der Interlock-Logik 25 der Komponenten weitergeleitet werden. Falls zumindest eine der Komponenten und/oder die Hochvoltleitungen 11 defekt sind, ist die Steuereinrichtung 26, welche hier ebenfalls in der Hochvoltbatterie 12 angeordnet ist, dazu ausgebildet, eine fehlende Interlock-Botschaft zu erkennen. Die Steuereinrichtung 26 kann daraufhin ein Steuersignal zum Öffnen der ersten Schalteinrichtung 20 und/oder der zweiten Schalteinrichtung 22 generieren. Somit können die Hochvoltbatterie 12 und die elektrische Maschine 16 galvanisch von den Hochvoltleitungen 11 getrennt werden. Damit ist das komplette Hochvoltbordnetz 10 spannungsfrei geschaltet, da alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes, also die Heizeinrichtungen 27 und 28, der DC/DC-Wandler 29, der Wechselrichter 14 und das Ladegerät 31 keine Hochvoltspannung erzeugen können. Damit ist ein konventioneller, verbrennungsmotorischer Notlauf beispielsweise bei nicht betriebsbereiter Hochvoltbatterie 12 des Hybridfahrzeugs möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltbordnetz
- 11
- Hochvoltleitungen
- 12
- Hochvoltbatterie
- 13
- Batteriezellen
- 14
- Wechselrichter
- 16
- elektrische Maschine
- 18
- Leistungsverteiler
- 20
- erste Schalteinrichtung
- 22
- zweite Schalteinrichtung
- 23
- Überwachungseinrichtung
- 24
- Interlock-Generator
- 25
- Interlock-Logikbaustein
- 26
- Steuereinrichtung
- 27
- Heizeinrichtung
- 28
- Heizeinrichtung
- 29
- DC/DC-Wandler
- 30
- Ladevorrichtung
- 31
- Ladegerät
- 32
- Steckverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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