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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Energieübertragungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen üblicherweise über einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Traktionsbatterie, die die elektrische Energie für den Antrieb bereitstellt. Ist dieser elektrische Energiespeicher ganz oder teilweise entladen, so muss das Elektrofahrzeug eine Ladestation ansteuern, an der der Energiespeicher wieder aufgeladen werden kann. Bisher ist es hierzu üblich, dass an einer solchen Ladestation das Elektrofahrzeug mittels einer Kabelverbindung an die Ladestation angeschlossen wird. Diese Verbindung muss von einem Benutzer üblicherweise manuell hergestellt werden. Dabei ist es auch erforderlich, dass Ladestation und Elektrofahrzeug ein zueinander korrespondierendes Verbindungssystem aufweisen. Die Druckschrift
DE 10 2009 001 080 A1 offenbart eine Ladevorrichtung für ein landgebundenes Kraftfahrzeug mit einer batterieähnlichen Stromspeichervorrichtung. Über einen Kontaktarm ist eine elektrische Verbindung zwischen der Stromspeichervorrichtung und einer Ladevorrichtung herstellbar. Der Kontaktarm ist dabei an der Ladevorrichtung beweglich angebracht.
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Ferner sind vereinzelt auch kabellose Ladesysteme für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bekannt. Hierzu wird ein Elektrofahrzeug über einer Sendespule (Sendevorrichtung) bzw. einem Ladepad oder Ladevorrichtung abgestellt. Diese Spule sendet ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld aus. Das magnetische Wechselfeld wird von einer Empfangsspule (Ladespule bzw. Empfangsvorrichtung) innerhalb des Fahrzeugs aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Mittels dieser elektrischen Energie kann daraufhin eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zum automatischen elektrischen Verbinden einer Ladestation mit der Ladebuchse eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, die ein komfortables, zuverlässiges und effizientes Verbinden der Ladestation mit der Ladebuchse des Fahrzeugs ermöglichen, das zudem sicher ist und sowohl Passanten als auch andere Lebewesen nicht gefährdet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass dadurch der Personen- und Tierschutz im Umfeld um autonom verfahrende Ladearme bzw. Ladestationen erhöht wird.
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Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Ladestation einer Vorrichtung, die zum Überwachen der Ladestation beim Verbinden der Ladestation mit einer Ladebuchse eines Fahrzeugs geeignet ist, wobei die Ladestation einen Kontaktkopf aufweist, der mit einer Spannungsquelle der Ladestation elektrisch verbunden ist, einer Einführvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Kontaktkopf automatisch in die Ladebuchse des Fahrzeugs einzuführen, mit einer Sensorhaut überzogen ist. Die Sensorhaut agiert als "interaktiver Schutzschild", damit die Vorrichtung bzw. Ladestation keine Gefahr für Passanten oder Tiere darstellt. Zu diesem Zweck wird die gesamte Ladestation oder vorzugsweise die beweglichen Teile derselben mit einer Sensorhaut überzogen, die bei Berührung kontrolliert in einen sicheren Zustand steuert. Dabei kann der sichere Zustand ein sofortiger Halt sein.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhaft ist die Sensorhaut so ausgeführt, dass sie die Flexibilität des Robotorarms nicht einschränkt. Durch z.B. Flexibilität bzw. erhöhte Biegsamkeit der Sensorhaut kann diese gekrümmten Oberflächen angepasst werden bzw. sich Oberflächenstrukturen flexibel anpassen, die beispielsweise gegeneinander verschoben werden oder sich bzgl. ihrer Oberflächenform ändern. Somit wird ein Reißen bzw. eine Beschädigung der Sensorhaut vermieden, wenn diese unter Spannung gesetzt wird. Auch ist eine abschnittsweise steife Sensorhaut zielführend, wenn sie die Gelenkigkeit nicht unzulässig einschränkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, ist die Sensorhaut aus Einzelsensoren (sog. "Taxel") aufgebaut. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass pro Quadratzentimeter etliche Einzelsensoren (vorteilhaft tausende Einzelsensoren) verbaut werden können und somit ein Auflösungsvermögen und eine Empfindlichkeit erreicht werden, die die menschliche Tastgenauigkeit übertreffen. Zum Vergleich dazu hat beispielsweise die menschliche Fingerspitze etwa 240 Einzelsensoren.
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Vorteilhafterweise weist jeder Einzelsensor mindestens ein Piezoelement auf. Piezoelemente nutzen den Piezoeffekt aus, bei dem bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung erzeugt wird. Bei Krafteinwirkung auf die Sensorhaut (z.B. durch Stoß, Schlag, Berührung, etc.) werden die dabei entstehenden Drücke in Spannungen umgewandelt, wodurch erkannt werden kann, mit welcher Intensität ein Gegenstand (Mensch, Lebewesen, etc.) mit der Vorrichtung kollidiert.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Piezoelement mindestens einen Nanodraht aufweist. Vorteilhaft setzt sich das Piezoelement aus Stäbchen zusammen, die einen Durchmesser im Nanometerbereich aufweisen (z.B. im Bereich von 100–700 nm – vorzugsweise 500 nm). Diese Stäbchen stehen in gitterförmiger Anordnung senkrecht von der Unterlage ab und sind am oberen und unteren Ende mit Elektroden versehen. Werden sie bei Berührung gebogen, sorgt ein piezoelektrischer Effekt dafür, dass sich der Stromfluss zwischen den Elektroden verändert. Dieses Signal kann von einem Computer ausgelesen und interpretiert werden. Vorteilhafterweise stehen bei jedem Einzelsensor (auch "Sensorpunkt" genannt) immer Bündel von etwa 1500 Drähten dicht beisammen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Nanodraht Zinkoxid auf. Piezoelemente könnten bestimmte Kristalle oder piezoelektrische Keramiken, also polykristalline Materialien sein. Als aktive Sensormaterialien werden zunehmend auch piezoelektrische Dünnschichten eingesetzt. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es möglich, diese aktiven piezoelektrischen Dünnschichten auf Silizium abzuscheiden. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um Zinkoxid oder Aluminiumnitrid. Auch Polyvinylidenflourid lässt sich einsetzen.
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Vorteilhaft weist die Ladestation und/oder das Fahrzeug mindestens einen Nahfeldsensor auf. Der Nahfeldsensor arbeitet berührungslos, weshalb er Objekte detektieren kann, bevor diese in Kontakt mit der Oberfläche der Ladestation bzw. Vorrichtung treten.
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Vorteilhaft basiert der Nahfeldsensor auf einem optischen, kapazitiven oder induktiven Funktionsprinzip. Ebenso kann er Ultraschall verwenden bzw. mittels eines Infrarotsensors Wärmequellen detektieren oder mittels Radar arbeiten. Auch eine Kombination der genannten Funktionsprinzipien ist möglich. Sämtliche Methoden funktionieren berührungslos, weshalb sie für den Nahfeldsensor geeignet sind.
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Vorteilhaft weist die Ladestation mindestens einen Nahfeldsensor auf, der Bewegung detektieren kann. Über den Nahfeldsensor bzw. die Nahfeldsensoren können Lebewesen, die sich der Vorrichtung nähern bzw. in Bewegung sind, detektiert werden. Nähert sich ein Objekt der Vorrichtung / Ladestation kann diese in einen sicheren Zustand steuern, was beispielsweise ein sofortiger Halt sein kann. Alternativ kann ein geeignetes Warnsignal eine Kollision abwenden.
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Weiterhin ist der Nahfeldsensor vorteilhafterweise geeignet, die detektierten Objekte auf ihr Gefahrenpotential hin zu klassifizieren. Je nach sich näherndem Objekt, sei es ein Mensch oder ein Tier bzw. je nach Geschwindigkeit, sei es schnell oder langsam liegt ein jeweiliges Gefahrenpotential vor. Hohe Annäherungsgeschwindigkeiten haben zur Folge, dass bei Kollision zwischen Vorrichtung und Lebewesen ein höherer Schaden verursacht werden kann, als es bei niedrigeren Geschwindigkeiten der Fall wäre. Entsprechend kann die Ladestation in einen sicheren Zustand gesteuert werden, wenn sich ein Objekt mit entsprechender Geschwindigkeit nähert.
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Vorteilhafterweise ist der Nahfeldsensor Teil der Umfeldsensorik des Fahrzeugs. Dadurch muss nicht ein extra Nahfeldsensor für die Funktion bereitgestellt werden. Vielmehr kann die Umfeldsensorik des Fahrzeugs von der Vorrichtung angesteuert werden und für die Überwachungsaufgabe mitgenutzt werden. Sollte durch eine Kollision eine Gefahr für das sich nähernde Objekt bzw. die Ladestation (Stecker-Arm, etc.) ausgehen, dann werden geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen. Dies kann die Unterbrechung des Positioniervorgangs oder des Ladevorgangs bedeuten. Warnsignale können vorteilhafterweise genutzt werden, um auf die drohende Kollision hinzuweisen. Diese Signale sind für den Menschen intuitiv aufzunehmen, z.B. in Form von optischen oder akustischen Signalen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladestation mit einer Ladebuchse gemäß einer Ausführungsform;
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2: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Ladestation mit einer Ladebuchse gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung Vorrichtung 10 zum Überwachen einer Ladestation 11 zum elektrischen Verbinden der Ladestation 11 mit einer Ladebuchse 12 eines Fahrzeugs 13. Bei dem Fahrzeug 13 kann es sich beispielsweise um ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug 13 um ein vollständig oder teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel einen Personenkraftwagen (PKW) oder einen Lastkraftwagen (LKW) handeln. Die Ladestation umfasst eine Positionierungsvorrichtung 22 und eine Einführvorrichtung 16 mit einem Kontaktkopf 14. Mittels der Positionierungsvorrichtung 22 kann die Einführvorrichtung 16 und somit auch der an der Einführvorrichtung 16 angeordnete Kontaktkopf 14 entlang vorbestimmter Richtungen bewegt werden. Somit kann der Kontaktkopf 14 an einer vorbestimmten Position in Bezug auf die Ladebuchse 12 des Fahrzeugs 13 positioniert werden. Beispielsweise kann die Positionierungsvorrichtung 22 eine erste Positionierungseinrichtung 23 und eine zweite Positionierungseinrichtung 24 aufweisen. Die erste Positionierungseinrichtung 23 kann dabei beispielsweise eine horizontale Bewegung ausführen und somit die Einführvorrichtung 16 mit dem Kontaktkopf 14 horizontal, also parallel oder zumindest annähernd parallel zu einer Abstellfläche für das Fahrzeug 13 bewegen. Die zweite Positionierungseinrichtung 24 kann mit der ersten Positionierungseinrichtung 23 mechanisch verbunden sein und eine Bewegung in einer vertikalen Raumrichtung ausführen. Die Bewegungsrichtung der zweiten Positionierungseinrichtung 24 ist somit senkrecht zu der Bewegungsrichtung der ersten Positionierungseinrichtung 23. Auf diese Weise kann die Einführvorrichtung 16 mit dem Kontaktkopf 14 durch die ersten Positionierungseinrichtung 23 beispielsweise seitlich bewegt werden. Hierdurch können mehrere nebeneinander abgestellte Fahrzeuge 13 angesteuert werden. Beispielweise können auf den drei Abstellflächen I, II und III nebeneinander drei Fahrzeuge 13 abgestellt werden, die bezüglich des Freiheitsgrads der Positionierungsvorrichtung durch seitliches Bewegen der Einführvorrichtung 16 mit dem Kontaktkopf 14 mittels der ersten Positionierungseinrichtung 23 der Positionierungsvorrichtung 24 angesteuert werden können. Darüber hinaus kann der Kontaktkopf 14 der Einführvorrichtung 16 dabei auch an eine Position gebracht werden, die mit der Position der Ladebuchse 12 des entsprechenden Fahrzeugs 13 übereinstimmt. Dabei wird bei dieser Positionierung zunächst die Höhe der Ladebuchse 12, sowie die Höhe des Kontaktkopfs 14 außer Acht gelassen. Die Positionierung des Kontaktkopfs 14 auf der gleichen, oder zumindest annähernd der gleichen Höhe wie die Höhe der Ladebuchse 12 des entsprechenden Fahrzeugs 13 erfolgt separat mittels der zweiten Positionierungseinrichtung 24.
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Die horizontale und vertikale Ausrichtung des Kontaktkopfs 14 in Bezug auf die Ladebuchse 12 muss dabei während der Positionierung durch die Positionierungsvorrichtung 22 nicht exakt mit der Position der Ladebuchse 12 des entsprechenden Fahrzeugs 13 übereinstimmen. Vielmehr ist es ausreichend, den Kontaktkopf 14 innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs in Bezug auf die Ladebuchse 12 des Fahrzeugs 13 zu positionieren. Die genaue Ausrichtung des Kontaktkopfs 14 in Bezug auf die Ladebuchse 12 erfolgt dabei während des Einführens des Kontaktkopfs 14 in die Ladebuchse 12. Die Ladestation 11 ist dabei mit einer Sensorhaut 17 überzogen. Dabei kann die gesamte Ladestation 11 mit der Sensorhaut 17 überzogen sein oder lediglich einzelne Teile der Ladestation wie z.B. die Positionierungsvorrichtung 22 oder die erste und zweite Positionierungsvorrichtung 23, 24 oder der Kontaktkopf 14 mit der Sensorhaut überzogen sein. Die Sensorhaut 14 selbst ist biegsam ausgeführt und kann auch durchsichtig sein. Sie kann aus Einzelsensoren 17.1, 17.2, 17.3, ... 17.n aufgebaut sein, wobei die Einzelsensoren beispielsweise als Piezoelemente 18 arbeiten. Zu diesem Zweck arbeiten die Piezoelemente 18 beispielsweise mit Hilfe von Nanotechnologie. Sie enthalten Nanodrähte 19, die einen Durchmesser im Bereich von 100–600 nm, vorzugsweise 500 nm aufweisen und beispielsweise aus Zinkoxid, Aluminiumnitrid oder Polyvinylidenflourid bestehen. Die resultierenden Stäbchen stehen in gitterförmiger Anordnung senkrecht von der Unterlage ab und sind am oberen und unteren Ende mit Elektroden versehen. Werden sie bei Berührung gebogen, sorgt ein piezoelektrischer Effekt dafür, dass sich der Stromfluss zwischen den Elektroden verändert. Dieses Signal kann von einem Computer 26 ausgelesen und interpretiert werden und somit die Kollision / Berührung mit einem sich bewegenden Objekt erkannt werden. Im Falle einer Objektdetektion (sei es ein Mensch oder ein anderes Lebewesen) wird die Bewegung der Vorrichtung 10 bzw. Ladestation 11 in einen sicheren Zustand überführt, was beispielsweise ein sofortiger Halt sein kann. Auch sind zusätzliche Schutzmaßnahmen für Passanten möglich. So kann die Vorrichtung 10 oder die Ladestation 11 oder Teile davon mit einem Airbag 25 überzogen sein, der Kollisionen wirkungsvoll abpuffert. Weiterhin weist die Ladestation 11 und/oder das Fahrzeug 13 einen Nahfeldsensor 20 auf. Dieser Nahfeldsensor 20 arbeitet berührungslos und funktioniert optisch, induktiv, mittels Ultraschall, mittels eines Infrarotsensors oder mittels Radar. Es ist durchaus möglich, dass der Nahfeldsensor selektiv eines der genannten Funktionsprinzipien erfüllt. Allerdings ist auch vorstellbar, dass der Nahfeldsensor 20 mehrere der genannten Funktionsweisen in Kombination verwendet (z.B. Radar und Infrarot). Über den Nahfeldsensor 20 werden bevorzugt bewegte Objekte detektiert und bzgl. ihres Gefahrenpotentials klassifiziert. Der Nahfeldsensor 20 kann dabei Teil der fahrzeugexternen Vorrichtung 10 oder der Ladestation 11 sein oder kann Teil der Umfeldsensorik des Fahrzeugs 13 sein und für Überwachungsaufgaben mitgenutzt bzw. genutzt werden. Sollte durch eine Kollision eine Gefahr für das Objekt oder Teile der Vorrichtung 10 ausgehen, werden geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen. Dies kann die Unterbrechung des Positioniervorgangs sein oder eine Unterbrechung des Ladevorgangs beinhalten. Zusätzlich können Warnsignale erzeugt werden, um auf die drohende Kollision hinzuweisen. Diese Warnsignale können optisch (z.B. blinkendes Licht) oder akustisch (Warnton) abgegeben werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf eine Vorrichtung 10 zum elektrischen Verbinden einer Ladestation 11 mit einer Ladebuchse 12 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. Die Vorrichtung 10 kann dabei eine Kommunikationsvorrichtung 27 umfassen, die Daten von dem Fahrzeug empfängt. Die Datenübertragung kann dabei unidirektional von dem Fahrzeug 13 in Richtung der Kommunikationsvorrichtung 27 erfolgen. Alternativ ist auch eine bidirektionale Datenübertragung zwischen Fahrzeug 13 und Kommunikationsvorrichtung 27 möglich. Die Kommunikationsvorrichtung 27 kann zum Beispiel eine Funkschnittstelle 28 umfassen. Mittels dieser Funkschnittstelle 28 ist eine kabellose Datenübertragung zwischen Kommunikationsvorrichtung 27 und Fahrzeug 13 möglich. Beispielsweise kann die Funkschnittstelle 28 eine WLAN-Verbindung mit dem Fahrzeug 13 aufbauen. Alternativ ist auch eine Verbindung über ein Mobilfunknetz möglich, zum Beispiel GSM, UMTS oder LTE. Ferner kann auch ein kabelloser Datenaustausch mittels Nahfeldkommunikation (NFC/RFID) erfolgen. Weitere kabellose Kommunikationsverfahren sind darüber hinaus ebenso möglich. Zusätzlich oder alternativ kann die Kommunikationsvorrichtung 27 auch einen optischen Sensor oder eine optische Schnittstelle umfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Sensor 29 um eine Kamera, einen Barcodescanner oder einen QR-Code-Scanner handeln. Weitere Vorrichtungen zum Empfangen von Daten von dem Fahrzeug 13 bzw. zum Datenaustausch zwischen Fahrzeug 13 und Vorrichtung 10 zum automatischen Verbinden bzw. zur Weitergabe der Information, dass ein sich bewegendes Objekt detektiert wurde, sind darüber hinaus ebenso möglich. Die Kommunikationsvorrichtung 27 kann von dem Fahrzeug 13 fahrzeugspezifische Daten empfangen, insbesondere Daten, die für das Aufladen des Energiespeichers 30 in dem Fahrzeug 13 relevant sind. Diese Daten können beispielsweise Autorisierungsdaten, Abrechnungsparameter, Ladespannung, Ladestrom, Batteriekapazität und weitere Ladeparameter umfassen. Darüber hinaus können in den übertragenen Daten auch Informationen über die Position der Ladebuchse 12 an dem Fahrzeug 13 enthalten sein. Ferner kann die Kommunikationsvorrichtung 27 auch Daten über die abgestellte Position des Fahrzeugs 13 in Bezug auf die Ladestation 11 empfangen und auch Daten enthalten, die der Nahfeldsensor 20 bzgl. detektierter sich bewegender Objekte (Lebewesen, Tiere, Mensch, etc.) weiterzugeben hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001080 A1 [0002]
