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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuer- und Regeleinrichtung für eine Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs.
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Bekannt sind Park- bzw. Feststellbremsen, über die eine das Fahrzeug im Stillstand festsetzende Klemmkraft erzeugt wird. Die Parkbremse ist als eine elektromechanische Bremsvorrichtung mit einem Elektromotor ausgeführt, dessen Motorwelle eine Spindel antreibt, auf der eine Spindelmutter aufsitzt, welche durch die Rotationsbewegung der Spindel in Richtung auf einen Bremskolben verstellt wird. Der Bremskolben ist Träger eines Bremsbelages und wird bei der Antriebsbewegung des Elektromotors gegen eine Bremsscheibe beaufschlagt. Eine derartige elektromechanische Bremsvorrichtung wird beispielsweise in der
DE 10 2012 205 576 A1 beschrieben. Die
WO 2016 206832 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Stellwegs einer elektromechanischen Bremsvorrichtung. Die
WO 2011 018256 A1 betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Klemmkraft einer hydraulisch unterstützten elektromotorischen Feststellbremse.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, sowie durch eine Steuer- und Regeleinrichtung für eine Bremsanlage nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Darüber hinaus finden sich erfindungswesentliche Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Diese Merkmale können dabei sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen erfindungswesentlich sein, ohne dass hierauf nochmals gesondert Bezug genommen wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer beispielsweise elektromechanischen Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs wird ein mit einer Bremse wirkverbundener Elektromotor betrieben, um eine Bremskraft zu verändern. Beispielsweise kann der Elektromotor eine Spindel in Drehung versetzen, durch welche die Position einer Bremsbacke verändert wird, die an einer Bremsscheibe angreift bzw. angreifen kann. Eine Zeit von einer Beendigung eines Betriebs des Elektromotors bis zum Stillstand des Elektromotors wird auf der Basis von mindestens einer Ist-Betriebsgröße durch eine Berechnung abgeschätzt und die berechnete geschätzte Zeit wird bei dem aktuellen Betrieb und/oder einem nachfolgenden Betrieb des Elektromotors berücksichtigt. Die erfindungsgemäße Steuer- und Regeleinrichtung für eine Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Prozessor und einen Speicher. Sie ist zur Ausführung des gerade erwähnten Verfahrens ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Stand der Technik die Zeit vom Abschalten des Elektromotors bis zu seinem Stillstand nicht bekannt ist. Sie wird daher aus Sicherheitsgründen meist länger angenommen als sie tatsächlich ist. Hierdurch werden nachfolgende Verfahrensschritte verzögert. Darüber hinaus kann es zu einer Unklarheit im Hinblick auf die tatsächliche(n) Endlage(n) der Bremse kommen. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Zeit, welche von einem Abschalten einer Bestromung des Elektromotors bis zum Stillstand des Elektromotors verstreicht, auf der Basis von mindestens einer Ist-Betriebsgröße durch eine entsprechende Berechnung abgeschätzt. Somit ist die tatsächliche Endlage der Bremse nach dem Abschalten einer Bestromung des Elektromotors mit höherer Genauigkeit als bisher bekannt, was sowohl beim aktuellen Betrieb als auch bei einem nachfolgenden Betrieb des Elektromotors berücksichtigt werden kann. Hierdurch wird insgesamt der Betrieb der Bremsanlage verbessert.
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Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Zeit abgeschätzt wird unter Berücksichtigung einer Ist-Drehzahl des Elektromotors zum Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs. Die Drehzahl eine Ist-Betriebsgröße, welche bei vielen Elektromotoren zwingend vorliegt oder zumindest auf sehr einfache Art und Weise ermittelt werden kann. Sie hat darüber hinaus einen erheblichen Einfluss auf die Zeit, welche von einer Beendigung eines Betriebs des Elektromotors bis zum Stillstand des Elektromotors verstreicht. Die Berücksichtigung dieser Ist-Betriebsgröße ermöglicht daher eine sehr genaue Abschätzung der besagten Zeit.
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Ferner ist möglich, dass die Zeit abgeschätzt wird unter Berücksichtigung eines Ist-Stroms zum Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs. Auch diese Ist-Betriebsgröße kann bei üblichen Elektromotoren und den entsprechenden Ansteuerungen sehr einfach ermittelt bzw. erfasst werden. Der Ist-Strom ist üblicherweise äquivalent zum Ist-Drehmoment des Elektromotors. Das zum Zeitpunkt der Beendigung der Bestromung vom Elektromotor erzeugte Drehmoment hat jedoch ebenso wie die Drehzahl einen erheblichen Einfluss auf die „Nachlaufzeit“, also die Zeit, die vom Ende der Bestromung bis zum Stillstand des Elektromotors verstreicht. Beim Ist-Strom handelt es sich also ebenfalls um eine Ist-Betriebsgröße, deren Berücksichtigung die Abschätzung der Zeit mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit der Abschätzung wird ferner vorgeschlagen, dass die Zeit abgeschätzt wird unter Berücksichtigung von spezifischen elektrischen und/oder mechanischen Konstanten des Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Motorwiderstands, einer Massenträgheit mindestens eines rotierenden Elements des Elektromotors (bspw. eines Rotors), sowie mindestens einer elektrischen Maschinenkonstante des Elektromotors. Der elektrische Motorwiderstands sowie die elektrische Maschinenkonstante des Elektromotors können auf aus dem Stand der Technik bekannte Arten berechnet werden.
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Ist erfindungsgemäß die Zeit, die vom Ende der Bestromung bis zum Stillstand des Elektromotors verstreicht, mit hoher Genauigkeit bekannt, kann der Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs, insbesondere ein Zeitpunkt der Beendigung einer Bestromung, von der geschätzten Zeit abhängig gemacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine gewünschte Endlage der Bremse mit hoher Genauigkeit zu erreichen. Beispielsweise kann so beim Schließen der Bremse die zwischen einem Bremsbacken und einer Bremsscheibe wirkende Klemmkraft mit vergleichsweise hoher Genauigkeit eingestellt werden. Beim Öffnen der Bremse kann ein vergleichsweise geringer Abstand zwischen dem Bremsbacken und der Bremsscheibe hergestellt werden, so dass bei einem erneuten Schließen der Bremse der Bremsbacken sofort an der Bremsscheibe angreifen kann, wodurch die gewünschte Bremswirkung schneller eintritt.
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Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, dass ein Zeitraum, über den der Elektromotor nach einer Beendigung des Betriebs aktiv, insbesondere durch eine Kurzschlussschaltung, abgebremst wird, von der geschätzten Zeit abhängt. Somit wird dank der Erfindung abhängig von der vorherigen Ansteuerung und von der aktuellen Last der Elektromotor nur so lange gebremst, bis er tatsächlich steht. Es muss also nicht mehr länger gebremst werden als es eigentlich nötig ist. Der Elektromotor kann daher nach einer Beendigung des Betriebs schneller wieder erneut in Betrieb genommen werden. Mehrfach-Aktuierungen, wie sie beispielsweise bei Rekalibrierungen erforderlich sind, werden somit beschleunigt,
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs;
- 2 ein Ersatzschaltbild eines Elektromotors der Bremsanlage;
- 3 ein schematisches Flussdiagramm eines ersten Verfahrens zum Betreiben der Bremsanlage von 1; und
- 4 ein schematisches Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Betreiben der Bremsanlage von 1.
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Nachfolgend tragen solche Elemente, Bereiche und Funktionsblöcke, die äquivalente Funktionen zu vorab beschriebenen Elementen, Bereichen und Funktionsblöcken haben, die gleichen Bezugszeichen. Sie werden nicht nochmals im Detail erläutert.
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Eine Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Das Kraftfahrzeug selbst ist in 1 nicht gezeigt. Es kann sich hierbei jedoch um ein beliebiges Kraftfahrzeug handeln, also beispielsweise einen Pkw, ein Motorrad, oder einen Lkw.
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Zu der Bremsanlage gehört zunächst ein Bremspedal 12, welches von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs entsprechend dem Pfeil 14 betätigt werden kann. Ferner gehört zu der Bremsanlage ein Betätigungselement 16, beispielsweise in Form eines Druckknopfs oder eines Tasters, das entsprechend dem Pfeil 18 betätigt werden kann. Die Kraft, die der Fahrer auf das Bremspedal 12 ausübt, wird von einem Sensor 20 erfasst, welcher ein der gewünschten Verzögerung entsprechendes Signal an eine Steuer- und Regeleinrichtung 22 leitet. Bei dieser kann es sich um eine Steuer- und Regeleinrichtung 22 speziell der Bremsanlage 10 handeln, oder aber auch um eine Steuer- und Regeleinrichtung 22 einer anderen Einrichtung, beispielsweise eines ESP oder ABS. Die Stellung des Betätigungselements 16 wird von einem Sensor 24 erfasst, welcher ein entsprechendes Signal ebenfalls an die Steuer- und Regeleinrichtung 22 leitet. Die Steuer- und Regeleinrichtung 22 umfasst einen µProzessor 26 und einen Speicher 28. Auf dem Speicher 28 ist ein Computerprogramm gespeichert, welches auf dem Prozessor 26 verarbeitet und ausgeführt werden kann, wie weiter unten ebenfalls noch stärker im Detail dargelegt werden wird.
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Die Bremsanlage 10 verfügt über zwei voneinander im wesentlichen unabhängige Bremssysteme. Ein erstes elektrohydraulisches Bremssystem 30 ist in 1 auf der linken Seite gezeichnet, ein zweites elektromechanisches Bremssystem 32 ist in 1 auf der rechten Seite gezeichnet. Beide Bremssysteme 30 und 32 werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 22 angesteuert. Das erste hydraulische Bremssystem 30 umfasst einen Elektromotor 34, der beispielsweise über einen mit dem Elektromotor 34 verbundenen, jedoch nicht gezeichneten Kolben in einem Hydrauliksystem 36 einen bestimmten Hydraulikdruck erzeugen kann. Dieser Hydraulikdruck wirkt auf eine Bremse 38, die beispielsweise durch den Hydraulikdruck bewegbare Bremsbacken umfasst. Die Bremse 38 wiederum wirkt auf ein Radsystem 40, welches beispielsweise ein Rad und eine mit diesem starr verbundene Bremsscheibe umfasst, an der die erwähnten Bremsbacken angreifen können. Das zweite elektromechanische Bremssystem 32 umfasst ebenfalls einen Elektromotor 42, welcher beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Spindel und eine Spindelmutter unmittelbar ebenfalls auf die Bremse 38 bzw. auf die zu dieser gehörenden Bremsbacken wirkt.
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Bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform wirkt der Elektromotor 42 des elektromechanischen Bremssystems 32 also auf die gleiche Bremse 38 wie der Elektromotor 34 des hydraulischen Bremssystems 30. Dies wird auch als „Motor-on-Caliper“ System bezeichnet. Bei einem solchen System werden also für das elektromechanische Bremssystem 32 und für das elektrohydraulische Bremssystem 30 dieselben Bremssättel, Bremsscheiben, Bremskolben, etc. verwendet.
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Das zweite elektromechanische Bremssystem 32 ist an sich als elektrische und gegebenenfalls auch automatisch arbeitende Parkbremse (APB) vorgesehen. Diese kann entweder automatisch bei einem Stillstand des Fahrzeugs aktiviert werden, oder manuell auf Anforderung des Fahrers, indem dieser das Betätigungselement 16 entsprechend dem Pfeil 18 betätigt. Ferner kann das zweite elektromechanische Bremssystem 32 aber auch als Notbremssystem dienen, wenn das erste elektrohydraulische Bremssystem 30 fehlerhaft oder überhaupt nicht arbeitet.
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Bei einer Betätigung des elektromechanischen Bremssystems 32 wird, wie soeben erwähnt wurde, der Elektromotor 42 in Betrieb genommen. Hierzu wird der Elektromotor 42 mit einem Strom bestromt. In der Folge wird ein Rotor (nicht gezeichnet) des Elektromotors 42 mit einem bestimmten Drehmoment in Drehung versetzt. Hierdurch wird wiederum beispielsweise die bereits oben erwähnte Spindel in Drehung versetzt, wodurch die mit der Spindel wirkverbundenen Bremsbacken bei einem Schließen der Bremse 38 auf die Bremsscheibe des Radsystems 40 gedrückt werden, wodurch eine Klemmkraft zwischen den Bremsbacken und der Bremsscheibe erzeugt wird. Wird der Elektromotor 42 für ein Öffnen der Bremse 38 bewegt, wird er mit umgekehrten Vorzeichen bestromt, so dass er sich in entgegengesetzter Richtung als zuvor dreht, wodurch die mit der Spindel wirkverbundenen Bremsbacken von der Bremsscheibe des Radsystems 40 weg bewegt werden. Sowohl beim Öffnen der Bremse 38 als auch beim Schließen der Bremse 38 wird zu einem gewünschten Zeitpunkt die Bestromung des Elektromotors 42 und somit die Bewegung der Bremsbacken beendet.
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Aufgrund verschiedener bekannter physikalischer Randbedingungen bleibt der Elektromotor 42 jedoch nicht unmittelbar mit dem Ende der Bestromung stehen. Vielmehr läuft der Elektromotor 42 noch für eine - wenn auch kurze - Zeit nach, ehe er zum Stillstand kommt. Diese Zeit wird daher auch als „Nachlaufzeit“ bezeichnet. Auch die mit dem Elektromotor 42 verbundene Spindel und die mit dieser wiederum wirkverbundenen Bremsbacken werden somit nach dem Ende der Bestromung des Elektromotors 42 noch für eine gewisse Zeit weiterbewegt, ehe sie zum Stillstand kommen. Um jedoch diese Nachlaufzeit möglichst kurz zu machen, wird der Elektromotor 42 nach Beendigung des Betriebs bzw. nach dem Ende der Bestromung aktiv abgebremst. Hierzu wird er kurzgeschlossen. Der dabei induzierte Strom bewirkt ein vergleichsweise schnelles Abbremsen.
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Der Elektromotor 42 kann als lineares System angesehen werden, welches aus einem Kondensator 44, einem Widerstand 46 und einer Stromsenke 48 besteht, entsprechend der Darstellung eines Ersatzschaltbilds in 2. Über die Entladekurve des Kondensators 44 kann eine Zeit t berechnet werden, die zwischen einer Beendigung des Betriebs bzw. einer Bestromung des Elektromotors 42 und dessen Stillstand verstreicht (Spannung zu Null).
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Für die Zeit t ergibt sich dann die folgende Formel:
wobei die folgenden Ist-Betriebsgrößen und elektrischen bzw. mechanischen Konstanten verwendet werden:
- J =
- Trägheitsmoment der rotierenden Elemente bzw. in erster Näherung eines Rotors des Elektromotors 42,
- RM =
- elektrischer Widerstand des Elektromotors 42,
- KM =
- Maschinenkonstante des Elektromotors 42,
- IL =
- Ist-Strom durch den Elektromotor 42 zum Zeitpunkt der Beendigung der Bestromung bzw. unmittelbar davor, und
- WOFF =
- Ist-Drehzahl des Elektromotors 42 zum Zeitpunkt der Beendigung der Bestromung bzw. unmittelbar davor.
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Die auf diese Art abgeschätzte bzw. berechnete Zeit t kann dann sowohl bei dem aktuellen Betrieb des Elektromotors 42 als auch bei einem nachfolgenden Betrieb des Elektromotors 42 berücksichtigt werden. Dies wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die 3-4 erläutert werden.
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In 3 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem ein Zeitraum, über den der Elektromotor 42 nach einer Beendigung des Betriebs aktiv, nämlich durch die erwähnte Kurzschlussschaltung abgebremst wird, von der mittels der obigen Formel berechneten Zeit t abhängt. Das Verfahren beginnt in 50. Der Elektromotor 42 ist in Betrieb und wird bestromt. Im Block 52 werden die Ist-Betriebsgrößen bereitgestellt, nämlich die Ist-Drehzahl WOFF und der Ist-Strom IL. Im Block 54 wird nun mit der obigen Formel die Zeit t berechnet. Im Block 56 wird der Betrieb des Elektromotors 42 beendet, also die Bestromung abgeschaltet und der Elektromotor 42 zur Abbremsung kurzgeschlossen. In dem Block 58 wird nach Ablauf der Zeit t nach der Beendigung des Betriebs des Elektromotors 42 die Abbremsung durch den besagten Kurzschluss beendet, da davon ausgegangen werden kann, dass nach Ablauf der Zeit t der Elektromotor 42 stillsteht. Das Verfahren endet im Block 60. Die gewählte Abbremszeit entspricht also der berechneten Zeit t.
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In 4 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem der Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs des Elektromotors 42 von der errechneten Zeit t abhängt. Das Verfahren beginnt wiederum im Block 50. Der Elektromotor 42 ist in Betrieb und wird bestromt. Im Block 62 wird eine Soll-Endlage der Bremsbacken ermittelt. Diese Soll-Endlage kann bei einem Schließen der Bremse 38 einer gewünschten Klemmkraft zwischen Bremsbacken und Bremsscheibe und bei einem Öffnen der Bremse einem gewünschten (minimalen) Abstand zwischen den Bremsbacken und der Bremsscheibe entsprechen. Es versteht sich, dass die Soll-Endlage auch schon vorab ermittelt werden kann. Im anschließenden Block 52 werden wiederum die Ist-Betriebsgrößen IL und WOFF erfasst. Im Block 54 wird hieraus, wie oben im Zusammenhang mit 3 beschrieben, die Zeit t berechnet. Im Block 64 wird dann unter Berücksichtigung der Zeit t der Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Betrieb des Elektromotors 42 beendet werden muss, damit der Elektromotor 42 und mit ihm die Bremsbacken in der gewünschten Position (Endlage) stehen bleiben. Im Block 66 wird dann zu dem ermittelten Zeitpunkt die Bestromung beendet, der Elektromotor 42 also ausgeschaltet. Das Verfahren endet wiederum im Block 58.
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Es versteht sich, dass die oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschriebenen Verfahren keineswegs sich gegenseitig ausschließende Alternativen darstellen, sondern auch miteinander kombiniert werden können. Ferner versteht sich, dass die obigen im Zusammenhang mit dem Elektromotor 42 gemachten Ausführungen genauso auch auf den Elektromotor 34 des elektrohydraulischen Bremssystems 30 angewendet werden können.
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Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist selbstverständlich, dass die für die Berechnung der Zeit t, die von der Beendigung des Betriebs des Elektromotors 42 bis zum Stillstand verstreicht, erforderlichen Ist-Betriebsgrößen zur Verfügung stehen. Beispielsweise sollten am Elektromotor 42 entsprechende Spannungsmessungen und Strommessungen möglich sein.
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Für die Ermittlung des elektrischen Widerstands RM des Elektromotors 42 und der Maschinenkonstanten KM des Elektromotors 42 können übliche Berechnungsverfahren verwendet werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Aus diesen Betriebsgrößen kann die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl WOFF des Elektromotors 42 berechnet werden. Eine Zeitkonstante des Elektromotors 42 kann aus den elektrischen und mechanischen Konstanten des Elektromotors 42 und aus dem Trägheitsmoment J des Rotors des Elektromotors 42 ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012205576 A1 [0002]
- WO 2016206832 A1 [0002]
- WO 2011018256 A1 [0002]
