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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Zwischenkreistemperatur, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einem Zwischenkreiskondensator, dessen Temperatur überwacht werden kann.
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Stand der Technik
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Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen häufig leistungselektronische Schaltungskomponenten im Antriebssystem zwischen Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine auf, welche in der Regel als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut sind. Dabei dient ein Gleichspannungszwischenkreis als Koppelglied zwischen Traktionsbatterie und einem Wechselrichter, welcher zur Übertragung von elektrischer Leistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis auf die elektrische Maschine angesteuert werden kann.
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Wechselrichter können beispielsweise als Vollbrückenschaltung mit einer Anzahl von Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltern ausgeführt sein. Dabei können die mit einem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als High-Side-Schalter und die mit dem zweiten Ausgangsanschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbundenen Halbleiterschalter der Brückenzweige jeweils als Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Als Halbleiterschalter können dabei beispielsweise IGBT-Module (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) mit antiparallel geschalteter Diode oder MOSFETs (Metalloxidfeldeffekttransistoren) verwendet werden.
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In derartigen Systemen ist es wünschenswert, die im Gleichspannungszwischenkreis eingesetzten Spannungsspeicherelemente wie Zwischenkreiskondensatoren auf Degradationseffekte durch Alterung oder Überlastung hin überprüfen zu können. Solche Degradationseffekte können unter Umständen zu Einschränkungen der Leistungsfähigkeit der Speicherelemente und unter Umständen auch zum Ausfall des gesamten Systems führen.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 025 078 A1 beispielsweise offenbart ein Verfahren zur Berechnung der Temperatur einer Komponente eines Elektromotors für Kraftfahrzeuge, wobei der Elektromotor von einer Steuereinheit gesteuert wird und ein Temperaturmodell vorgegeben wird, welches die thermischen Verhältnisse in dem Elektromotor nachbildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Steuerregelung, einem Wechselrichter, und einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit Eingangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist. Die Steuerregelung ist dabei dazu ausgelegt, eine Vielzahl von Einflussparametern des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und auf der Basis der erfassten Einflussparameter einen aktuellen Temperaturwert des Zwischenkreiskondensators in einem vordefinierten und von den Einflussparametern abhängigen Temperaturmodells zu berechnen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Zwischenkreistemperatur eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten des Erfassens einer Vielzahl von Einflussparametern des elektrischen Antriebssystems, und des Berechnens eines aktuellen Temperaturwerts des Zwischenkreiskondensators auf der Basis der erfassten Einflussparameter in einem vordefinierten und von den Einflussparametern abhängigen Temperaturmodell.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwischenkreiskondensator, welcher einen Wechselrichter mit Gleichspannung speist, hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit und möglicher Überlastung zeitnah zu überwachen. Dadurch, dass über ein thermisches Modell des Zwischenkreiskondensators von externen Parametern, die im elektrischen Antriebssystem gemessen werden können oder schon bekannt sind, auf die Temperatur geschlossen werden kann, ist es möglich, Rückschlüsse auf die aktuelle Belastung des Zwischenkreiskondensators zu ziehen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass mit dem Verfahren und der Steuerregelung ein Diagnosebetriebsmodus geschaffen werden kann, welcher während des gewöhnlichen Betriebs des Antriebssystems eine Überprüfungsmöglichkeit für mögliche Degradationseffekte des Zwischenkreiskondensators in Echtzeit bietet. Somit kann ein drohender Leistungseinbruch des Zwischenkreises durch thermische Überlastung und damit mögliche Ausfälle oder Defekte frühzeitig erkannt werden. Die Gefahr des Ausfalls des Gesamtsystems kann dadurch reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass keine weiteren Temperatursensoren zum Messen der tatsächlichen Temperatur des Zwischenkreiskondensators verbaut werden müssen, was Platz und Fertigungskosten spart. Zum anderen wird über die Vielzahl von berücksichtigten Einflussparametern in dem Temperaturmodell eine gewisse Redundanz geschaffen, die die Fehlertoleranz bei der Ermittlung der geschätzten Temperatur des Zwischenkreiskondensators vorteilhaft erhöhen kann.
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Vorteilhafterweise können beim Feststellen von Kapazitätsverlusten oder unüblich erhöhten Temperaturen am Zwischenkreiskondensator (sogenannten „Hotspots“) Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators verlängern können, beispielsweise eine Senkung der Spitzenbelastung des Zwischenkreises oder eine generelle Senkung der Maximalleistung des Systems. Außerdem können Betriebsparameter des Systems angepasst werden, um Überspannungen im System und insbesondere am Zwischenkreiskondensator in Zukunft zu vermeiden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuerregelung ein Speichermodul aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, das vordefinierte Temperaturmodell zu speichern. Dabei kann in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems die Steuerregelung weiterhin einen Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, das in dem Speichermodul gespeicherte Temperaturmodell auf der Basis der ermittelten Einflussparameter dynamisch zu adaptieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine elektrische Maschine umfassen, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, und welche von dem Wechselrichter mit einem ein- oder mehrphasigen Versorgungsstrom gespeist wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Vielzahl von Einflussparametern einen oder mehrere der Parameter aus der Gruppe von Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur, erzeugter Phasenstrom des Wechselrichters, Modulationsgrad der elektrischen Maschine, Wirkleistungsfaktor der elektrischen Maschine, Drehzahl der elektrischen Maschine, Art des Ansteuerverfahrens und Taktfrequenz des Wechselrichters aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der Zwischenkreiskondensator einen Folienkondensator umfassen. Folienkondensatoren umfassen dabei elektrische Kondensatoren, die isolierende Kunststofffolien als Dielektrikum einsetzen. Dabei werden dünne aus Kunststoff gezogene Folien mit Elektroden verbunden, die beispielsweise gewickelt oder in Einzellagen geschichtet einen Kondensator bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das vordefinierte Temperaturmodell in einem Speichermodul einer Steuerregelung des elektrischen Antriebssystems gespeichert sein. Dabei kann in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin der Schritt des dynamischen Adaptierens des in dem Speichermodul gespeicherten Temperaturmodells mit einem Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter auf der Basis der ermittelten Einflussparameter durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vielzahl von Einflussparametern einen oder mehrere der Parameter aus der Gruppe von Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur, erzeugter Phasenstrom eines Wechselrichters des elektrischen Antriebssystems, Modulationsgrad einer elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems, Wirkleistungsfaktor der elektrischen Maschine, Drehzahl der elektrischen Maschine, Art des Ansteuerverfahrens und Taktfrequenz des Wechselrichters aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Anpassens eines Betriebsverhaltens des Wechselrichters umfassen, falls der berechnete aktuelle Temperaturwert des Zwischenkreiskondensators einen kritischen Schwellwert übersteigt. Das Anpassen des Betriebsverhaltens des Wechselrichters kann dabei in einer Ausführungsform eine Reduktion des Wirkleistungsfaktors, eine Reduktion der Phasenstromstärke und/oder eine Reduktion der Drehzahl der elektrischen Maschine umfassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds für Temperaturmodell eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Zwischenkreistemperatur eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100, beispielsweise eines elektrischen Antriebssystems 100 eines Fahrzeugs. Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst zwei Eingangsanschlüsse T+ und T–, welche beispielsweise durch eine Energiespeichereinrichtung wie eine Hochspannungsbatterie oder eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit Spannung versorgt werden können. Die Eingangsanschlüsse T+ und T– sind mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden, welcher einen Zwischenkreiskondensator 2 aufweist. Der Zwischenkreiskondensator 2 kann beispielsweise ein Folienkondensator sein. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist über Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 10, beispielsweise eines Pulswechselrichters 10, verbunden. Der Wechselrichter 10 ist seinerseits mit einer elektrischen Maschine 3 des Antriebssystems 100 gekoppelt und speist die elektrische Maschine 3 mit ein- oder mehrphasigem Versorgungsstrom.
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Der in 1 dargestellte Spannungszwischenkreisumrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 2 und dem Wechselrichter 10 ist beispielhaft als dreiphasiger Umrichter dargestellt, das heißt, der Wechselrichter 10 umfasst drei Brückenzweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern. Der erste Brückenzweig umfasst beispielsweise die Halbleiterschalter 1a und 1d, der zweite Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1b und 1e und der dritte Brückenzweig beispielsweise die Halbleiterschalter 1c und 1f. Dabei werden die Halbleiterschalter 1a, 1b, 1c einer Brückenseite als High-Side-Schalter bezeichnet, und die Halbleiterschalter 1d, 1e, 1f der anderen Brückenseite als Low-Side-Schalter. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Brückenzweigen bzw. Phasen des Spannungszwischenkreisumrichters ebenso möglich ist, und dass die Bezeichnung der Halbleiterschalter 1a bis 1f als High-Side- und Low-Side-Schalter nur beispielhaft gewählt ist.
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Die in 1 dargestellten Halbleiterschalter 1a bis 1f können dabei beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter jeweils IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), es ist jedoch ebenso möglich, andere Halbleiterschalter in entsprechender Form vorzusehen, zum Beispiel in Form von JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). Wenn die Halbleiterschalter 1a bis 1f IGBT-Schalter aufweisen, kann es vorgesehen sein, zu jedem der IGBT-Schalter eine in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Diode anti-parallel zu schalten.
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Das elektrische Antriebssystem 100 weist ferner eine Steuerregelung 6 auf, welche dazu ausgelegt ist, Schaltsignale 5a, 5b und 5c zu erzeugen, welche ein schaltendes Ansteuern der Halbleiterschalter 1a bis 1f codieren. Die Schaltsignale 5a, 5b und 5c können dabei beispielsweise einen logisch niedrigen Pegel aufweisen, wenn die Halbleiterschalter geöffnet sein sollen, und einen logisch hohen Pegel, wenn die Halbleiterschalter geschlossen sein sollen. Die Steuerregelung 6 speist die Schaltsignale 5a, 5b und 5c in entsprechende Steuervorrichtungen 4a, 4b und 4c ein, welche jeweils für die Ansteuerung der Halbleiterschalter einer Halbbrücke des Wechselrichters 10 verantwortlich sind.
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Die Steuervorrichtungen 4a, 4b, 4c weisen jeweils einen Steuerausgang auf, über welchen ein Steuersignal 7a, 7b, 7c an einen Steuereingang der Halbleiterschalter 1a bis 1f abgegeben werden kann, um den Betrieb der Halbleiterschalters 1a bis 1f zu steuern.
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Die Steuerregelung 6 ist insbesondere dazu ausgelegt, eine Vielzahl von Einflussparametern P des elektrischen Antriebssystems 100 zu erfassen. Die Steuerregelung 6 kann beispielsweise die Kühlwassertemperatur Tk, die Umgebungstemperatur Ts, den erzeugten Phasenstrom Ip des Wechselrichters 10, den Modulationsgrad m der elektrischen Maschine 3, den Wirkleistungsfaktor w der elektrischen Maschine 3, die Drehzahl n der elektrischen Maschine 3, die Art s des Ansteuerverfahrens und die Taktfrequenz f des Wechselrichters 10 ermitteln. Dazu kann die Steuerregelung 6 mit diversen anderen Sensoren und Kontrolleinrichtungen des elektrischen Antriebssystems 100 gekoppelt sein.
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Auf der Basis der erfassten Einflussparameter P berechnet die Steuerregelung 6 dann einen aktuellen Temperaturwert des Zwischenkreiskondensators 2 in einem vordefinierten und von den Einflussparametern P abhängigen Temperaturmodell. Das Temperaturmodell kann zum Beispiel in einem Speichermodul 6a der Steuerregelung 6 gespeichert sein. Die Steuerregelung 6 kann zum Beispiel weiterhin einen Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter 6b aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, das in dem Speichermodul 6a gespeicherte Temperaturmodell auf der Basis der ermittelten Einflussparameter P dynamisch zu adaptieren. Dadurch kann eine adaptive Modellanpassung an die realen Gegebenheiten erreicht werden und die Genauigkeit der Temperaturberechnung erhöht werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Ersatzschaltbilds 20 für das Temperaturmodell, nach dem die Steuerregelung die Temperatur des Zwischenkreiskondensators 2 ermittelt. Die verschiedenen Zweige 8a bis 8d tragen dazu parallel zu einem Gesamtausgangswert am Ausgang 8 bei. Zum Beispiel ist der Zweig 8a das Ersatzschaltbild für die Einflüsse der Umgebungstemperatur, der Zweig 8b das Ersatzschaltbild für die Einflüsse der Kühlmitteltemperatur, der Zweig 8c das Ersatzschaltbild für die Einflüsse der Wärmekapazität des Zwischenkreiskondensators 2 und der Zweig 8d das Ersatzschaltbild für die Einflüsse der Verlustleistung im Zwischenkreiskondensator 2.
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Die Steuerregelung 6 berechnet die Verlustleistung in Abhängigkeit von einem oder mehreren der ermittelten Vielzahl von Einflussparametern. Das Temperaturmodell ist dabei ein mehrdimensionales Kennfeld, in welchem je nach Werten der verschiedenen Einflussparameter ein entsprechender Temperaturwert für den Zwischenkreiskondensator 2 gespeichert ist. Das gesamte Kennfeld kann beispielsweise in dem Speichermodul 6a hinterlegt werden und zur dynamischen Berechnung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators 2 in Echtzeit herangezogen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens M zum Ermitteln einer Zwischenkreistemperatur eines Zwischenkreiskondensators in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere in dem in 1 dargestellten elektrischen Antriebssystem 100 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. In einem ersten Schritt M1 wird eine Vielzahl von Einflussparametern P des elektrischen Antriebssystems 100 erfasst. In einem zweiten Schritt M2 erfolgt eine Berechnung eines aktuellen Temperaturwerts des Zwischenkreiskondensators 2 auf der Basis der erfassten Einflussparameter P in einem vordefinierten und von den Einflussparametern P abhängigen Temperaturmodell. Das vordefinierte Temperaturmodell kann dabei in einem Speichermodul 6a einer Steuerregelung 6 des elektrischen Antriebssystems 100 gespeichert sein.
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Die Vielzahl von Einflussparametern P können dabei zumindest einen, mehrere oder auch alle der Parameter aus der Gruppe von Kühlwassertemperatur Tk, Umgebungstemperatur Ts, erzeugter Phasenstrom Ip eines Wechselrichters 10 des elektrischen Antriebssystems 100, Modulationsgrad m einer elektrischen Maschine 3 des elektrischen Antriebssystems 100, Wirkleistungsfaktor w der elektrischen Maschine 3, Drehzahl n der elektrischen Maschine 3, Art s des Ansteuerverfahrens und Taktfrequenz f des Wechselrichters 10 aufweisen.
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Optional kann in einem dritten Schritt M3 vorgesehen sein, das in dem Speichermodul 6a gespeicherten Temperaturmodell mit einem Luenberger-Beobachter oder Kalman-Filter 6b auf der Basis der ermittelten Einflussparameter P dynamisch zu adaptieren.
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Außerdem kann in einem Schritt M4 überprüft werden, ob der berechnete aktuelle Temperaturwert des Zwischenkreiskondensators 2 einen kritischen Schwellwert übersteigt, beispielsweise einen Schwellwert, ab dem eine thermische Schädigung des Zwischenkreiskondensators 2 nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. In diesem Fall kann das Betriebsverhalten des Wechselrichters 10 angepasst werden, zum Beispiel über eine Reduktion des Wirkleistungsfaktors w, eine Reduktion der Phasenstromstärke und/oder eine Reduktion der Drehzahl der elektrischen Maschine 3.
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Das Verfahren M kann prinzipiell in jedem Betriebsmodus des Wechselrichters 10 durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren 30 in einem gewöhnlichen Normalbetrieb des Wechselrichters 10 durchgeführt werden. Idealerweise sollte kein weiterer Verbraucher elektrischer Energie an den Zwischenkreis angekoppelt sein, so dass kein weiterer Verbraucher elektrische Energie aus dem Zwischenkreis entnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009025078 A1 [0005]
