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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion eines Lichtbogens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bordnetz eines Fahrzeugs.
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In Bordnetzen von Fahrzeugen besteht insbesondere bei elektrischen Spannungen von mehr als 20 V und Isolationsschäden im Bordnetz die Gefahr stabil brennender Lichtbögen. Lichtbögen in elektrischen Komponenten oder Leitungssätzen lassen sich grundsätzlich optisch oder mit Strom- und Spannungsmessungen erkennen.
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Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, ein von einem Lichtbogen erzeugtes hochfrequentes Rauschsignal in dem Bordnetz durch einen separaten Hochfrequenz-Sensor zu erfassen. Ein serieller Lichtbogen kann dabei durch eine Strommessung, ein paralleler Lichtbogen durch eine Spannungsmessung detektiert werden. Wird ein Lichtbogen detektiert, wird eine das Bordnetz versorgende Energiequelle unterbrochen, so dass der Lichtbogen gelöscht wird.
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Aus der
DE 10 2012 020 718 A1 ist ein Verfahren zur Detektion und zum Abschalten eines elektrischen Kurzschlusses oder eines Lichtbogens für ein Fahrzeug mit einem Mehrspannungsbordnetz bekannt. Hierbei werden innerhalb eines als Mehrspannungsbatterie ausgebildeten Energiespeichers Strom- und Spannungsverläufe einer ersten Spannungslage mit einer elektrischen ersten Betriebsspannung und einer zweiten Spannungslage mit der elektrischen Summenbetriebsspannung erfasst, wobei
- - die zweite Spannungslage größer als die erste Spannungslage ist,
- - bei sinkendem ersten Strom in der ersten Spannungslage und gleichbleibender erster Betriebsspannung und gleichzeitig steigendem zweiten Strom in der zweiten Spannungslage und sinkender Betriebsspannung ein Kurzschluss oder Lichtbogen zwischen den Spannungslagen detektiert wird,
- - bei detektiertem Kurzschluss oder Lichtbogen ein innerhalb der zweiten Spannungsebene angeordnetes Schaltelement derart angesteuert wird, dass ein Stromfluss innerhalb der zweiten Spannungsebene unterbrochen wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2010 053 816 A1 ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs durch Messen einer Spannung und eines Stroms eines Verbrauchers des Bordnetzes. Dabei werden ungewöhnliche Messwerte der Spannung und des Stroms durch ein Auswertemittel erkannt. Bei einem Auftreten ungewöhnlicher Messwerte wird eine Spektrumanalyse zum Erfassen breitbandiger Signale mittels eines Radioempfängers des Kraftfahrzeugs durchgeführt.
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Die
DE 10 2020 004 444 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erfassung von kritischen Zuständen in einzelnen Batteriezellen eines Zellmoduls, wobei ein Messsignal in einer Einrichtung zur Detektion von hochfrequenten durch einen Lichtbogen verursachten Störimpulsen gefiltert und aufintegriert wird. Ab einem vorgegeben Schwellenwert wird ein Alarmsignal erzeugt.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2020 112 908 A1 ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Empfangen eines Zeitsignals, welches einen über einen Strompfad des Bordnetzes fließenden Strom beschreibt,
- - Bestimmen eines Frequenzspektrums des Zeitsignals,
- - Erkennen von Spitzen in dem Frequenzspektrum und Bereinigen des Frequenzspektrums um die Spitzen durch Begrenzen von Amplitudenwerten der Spitzen auf eine vorbestimmte Amplitudengrenze,
- - Bestimmen eines einen Integralwert aufweisenden Analysesignals durch Integrieren von Amplitudenwerten des um die Spitzen bereinigten Frequenzspektrums über die Frequenz,
- - Erkennen eines Lichtbogens in dem Bordnetz durch Vergleichen des Analysesignals mit einer Auslöseschwelle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Vorrichtung zur Detektion eines Lichtbogens in einem Bordnetz eines Fahrzeugs und ein neuartiges Bordnetz eines Fahrzeugs anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und ein Bordnetz, welches die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Vorrichtung zur Detektion eines Lichtbogens in einem Bordnetz eines Fahrzeugs mittels einer Frequenzanalyse weist das Bordnetz zumindest eine elektrische Energiequelle und zumindest einen elektrischen Verbraucher auf, wobei mit zumindest einer elektrischen Anschlussleitung der Energiequelle und/oder des Verbrauchers jeweils zumindest ein, zumindest einen Ferritkern aufweisender EMI-Filter gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- - der Ferritkern zumindest abschnittweise von einer elektrischen Spule umgeben ist,
- - durch einen sich ändernden elektrischen Strom in der Anschlussleitung in dem Ferritkern ein magnetischer Fluss erzeugt wird, welcher eine Induktion einer elektrischen Spulenspannung in die Spule und einen elektrischen Spulenstrom durch die Spule bewirkt,
- - die Spule elektrisch mit einer Auswerteschaltung gekoppelt ist, welche ausgebildet ist,
- - eine Frequenz der Spulenspannung und des Spulenstroms zu erfassen und
- - anhand eines Mustererkennungs-Algorithmus Betriebsrauschsignale und Betriebsstörsignale in der Spulenspannung und dem Spulenstrom von mittels eines Lichtbogens erzeugten hochfrequenten Rauschsignalen in der Spulenspannung und dem Spulenstrom zu unterscheiden und
- - bei Vorliegen von für einen Lichtbogen typischen hochfrequenten Rauschsignalen einen solchen zu detektieren.
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Ferritkerne bestehen aus Ferriten, die sich einerseits durch hohe magnetische Leitkraft auszeichnen, jedoch elektrisch isolierend wirken. Dadurch sind sie ausgebildet, unerwünschte elektromagnetische Wellen zu dämpfen. Feldlinien eines Magnetfelds sind bestrebt, durch das magnetisch leitende Ferrit zu verlaufen, lösen dort jedoch aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften keine Wirbelströme aus. Die Folge ist, dass der Ferritkern umliegende elektromagnetische Wellen absorbiert und somit verhindert, dass sie mit anderen elektrischen Komponenten wechselwirken. Dadurch werden unerwünschte Störsignale minimiert, die durch Induktion in unterschiedlichen Leitern entstehen könnten. Aus den vorgenannten Gründen finden EMI-Filter (EMI = Electromagnetic Interference, Elektromagnetische Störung) mit Ferritkernen in Bordnetzen von Fahrzeugen häufig Anwendung, um Störungen im Betrieb von Bordnetzkomponenten zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Durch Nutzung zumindest eines Ferritkerns zumindest eines EMI-Filters gemäß der vorliegenden Vorrichtung ist im Gegensatz zum Stand der Technik kein separater Hochfrequenz-Sensor zur Erfassung des durch den Lichtbogen erzeugten hochfrequenten Rauschsignals erforderlich, so dass eine zuverlässige Lichtbogendetektion in dem Bordnetz mit verringertem Hardware- und somit Material- und Kostenaufwand realisierbar ist.
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Eine Filterwirkung bzw. Dämpfung von EMI-Filtern in dem Bordnetz liegt normativ zwischen 150 kHz und 30 MHz. Ein Lichtbogen erzeugt im Allgemeinen ein hochfrequentes Rauschsignal im Bereich von bis zu 100 kHz. Da sich somit der Frequenzbereich der Lichtbogendetektion und des EMI-Filters nicht überschneiden, führt die Nutzung des Ferritkerns aus dem EMI-Filter nicht zu Beeinträchtigungen der Detektion und Auswertung eines Lichtbogens.
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Somit ermöglicht die vorliegende Vorrichtung auch bei langen Anschlussleitungen und einer großen Anzahl von Bordnetz-Komponenten eine zuverlässige Lichtbogendetektion mit geringem Aufwand, so dass ein Lichtbogen schnell und zuverlässig gelöscht werden kann und durch den Lichtbogen hervorgerufene Beschädigungen des Fahrzeugs verhindert oder zumindest verringert werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Ausschnitts eines Bordnetzes eines Fahrzeugs,
- 2 schematisch ein Blockschaltbild eines Ausschnitts eines Bordnetzes eines Fahrzeugs,
- 3 schematisch einen Aufbau eines EMI-Filters und
- 4 schematisch ein Magnitudenspektrum eines elektrischen Signals.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein Blockschaltbild eines Ausschnitts eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 1 eines Fahrzeugs dargestellt.
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Das Bordnetz 1 weist beispielsweise eine Nennspannung von mehr als 20 V, zum Beispiel 48 V auf. Auch kann das Bordnetz 1 ein Hochvoltbordnetz mit höherer Nennspannung sein.
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Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug, ein batterieelektrisch betriebenes Fahrzeug oder ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, welches ein solches Bordnetz 1 aufweist, sein.
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Das Bordnetz 1 weist eine elektrische Energiequelle 2 und mehrere elektrische Verbraucher 3 bis 6 sowie eine Bordnetz-Steuereinheit 7 und eine Auswerteschaltung 8 auf. Die Energiequelle 2 und die Verbraucher 3 bis 6 sind mittels Anschlussleitungen 9, 10 mit dem Bordnetz 1 gekoppelt. Die Energiequelle 2 und die Verbraucher 3 bis 6 weisen jeweils einen, zumindest einen in 2 näher dargestellten Ferritkern 16 bis 18 aufweisenden EMI-Filter 11 bis 15 auf, welcher mit zumindest einer elektrischen Anschlussleitung 9, 10 der Energiequelle 2 bzw. des jeweiligen Verbrauchers 3 bis 6 gekoppelt ist.
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Die Energiequelle 2 ist beispielsweise eine Hochvolt-Batterie und die Verbraucher 3 bis 6 umfassen beispielsweise einen Onboard-Lader, einen Glechspannungswandler, einen Inverter, einen elektrischen Kältemittelverdichter und/oder einen elektrischen Hochvolt-Heizer.
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Die Auswerteschaltung 8 weist einen analogen Messwandler 8.1, beispielsweise einen Stromwandler, und eine Auswerteeinheit 8.2, beispielsweise einen Mikrocontroller, auf.
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Die Auswerteschaltung 8 ist mittels einer Datenverbindung 19 datentechnisch mit der Bordnetz-Steuereinheit 7 gekoppelt und die Bordnetz-Steuereinheit 7 ist mittels einer Datenverbindung 20 datentechnisch mit der Energiequelle 2 und den Verbrauchern 3 bis 6 gekoppelt.
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Der Ferritkern 16 des EMI-Filters 11 der Energiequelle 2 ist, wie in 3 näher dargestellt, zumindest abschnittweise von einer elektrischen Spule 21 umgeben, wobei elektrische Zuleitungen 22, 23 der Spule 21 mit dem Messwandler 8.1 der Auswerteschaltung 8 gekoppelt sind. Hierbei kann der Ferritkern 16 beispielsweise als ein sogenannter CM-Ferritkern ausgeführt sein, wobei CM für „Common Mode“ oder zu Deutsch für „Gleichtaktsignale“ steht. Alternativ kann allgemein ein CM-Kern des EMI-Filters 11 gemäß dem bekannten Stand der Technik auch als Ringbandkern ausgeführt sein und muss kein Ferritkern sein. Durch einen sich ändernden elektrischen Strom in den Anschlussleitungen 9, 10 wird in dem Ferritkern 16 ein magnetischer Fluss erzeugt, welcher eine Induktion einer elektrischen Spulenspannung in die Spule 21 und einen elektrischen Spulenstrom durch die Spule 21 bewirkt.
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Tritt in dem Bordnetz 1, beispielsweise aufgrund eines Isolationsfehlers, ein Lichtbogen LB auf, erzeugt dieser ein hochfrequentes Rauschsignal RS in den Anschlussleitungen 9, 10, woraus eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Ferritkern 16 resultiert. Daraus folgend ändern sich auch der Spulenstrom und die Spulenspannung der Spule 21, insbesondere deren Frequenz.
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Der Spulenstrom und die Spulenspannung werden von dem Messwandler 8.1 jeweils in ein von der Auswerteeinheit 8.2 auswertbares und 4 näher dargestelltes elektrisches Signal SI umgewandelt und dieser zugeführt. Mittels der Auswerteeinheit 8.2 werden dann anhand eines Mustererkennungs-Algorithmus Betriebsrauschsignale und Betriebsstörsignale in der Spulenspannung und dem Spulenstrom, welche während eines Normbetriebs des Bordnetzes 1 und dessen Komponenten auftreten, von den mittels des Lichtbogens LB erzeugten hochfrequenten Rauschsignalen RS in der Spulenspannung und dem Spulenstrom unterschieden, wobei die Auswerteeinheit 8.2 bei Vorliegen von für einen Lichtbogen LB typischen hochfrequenten Rauschsignalen RS einen solchen detektiert. Dabei kann ein serieller Lichtbogen LB durch eine Strommessung, ein paralleler Lichtbogen LB durch eine Spannungsmessung detektiert werden.
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Detektiert die Auswerteeinheit 8.2 einen Lichtbogen LB, sendet diese über die Datenverbindung 19 eine entsprechende Information I an die Bordnetz-Steuereinheit 7, welche dann ein Steuersignal S erzeugt zur Ansteuerung von Schaltmitteln der Energiequelle 2, beispielsweise HV-Batterieschütze, derart ansteuert, dass eine elektrische Kopplung der Energiequelle 2 mit dem Bordnetz 1 getrennt und somit der Lichtbogen LB gelöscht wird.
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Alternativ oder zusätzlich zu der dargestellten Nutzung des EMI-Filters 11 der Energiequelle 2 kann auch zumindest einer der EMI-Filter 12 bis 15 der Verbraucher 3 bis 6 in analoger Weise zur Detektion des Rauschsignals RS des Lichtbogens LB verwendet werden.
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In einer nicht näher dargestellten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung 8 in eine Steuereinheit bzw. Steuerelektronik der jeweiligen Energiequelle 2 und/oder des jeweiligen Verbrauchers 3 bis 6 integriert ist.
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2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Ausschnitts eines möglichen weiteren Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes 1 eines Fahrzeugs.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu der Spule 21 eine in 3 näher dargestellte weitere Spule 24 vorgesehen, welche den Ferritkern 16 des EMI-Filters 11 zumindest abschnittweise umgibt. Elektrische Zuleitungen 25, 26 der weiteren Spule 24 sind mit dem Messwandler 8.1 der Auswerteschaltung 8 gekoppelt.
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Mittels des Messwandlers 8.1 wird die weitere Spule 24 derart mit einem definierten hochfrequenten Stromsignal beaufschlagt, dass ein durch dieses in dem Ferritkern 16 erzeugter magnetischer Fluss den durch den Strom in den Anschlussleitungen 9, 10 in dem Ferritkern 16 erzeugten magnetischen Fluss und somit den Spulenstrom und die Spulenspannung der Spule 21 überlagert.
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Entsteht ein Lichtbogen LB in dem Bordnetz 1, verzerrt dessen hochfrequentes Rauschsignal RS das mittels der weiteren Spule 24 erzeugte definierte und somit bekannte hochfrequente Stromsignal, wodurch eine präzisere Auswertung und zuverlässige Erfassung eines Lichtbogenereignisses ermöglicht wird.
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Im Übrigen entsprechen der Aufbau und die Funktion des Bordnetzes 1 und der durchgeführten Lichtbogendetektion dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Bordnetzes 1 und der in diesem Zusammenhang beschriebenen Funktion der Lichtbogendetektion.
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In 3 ist schematisch ein Aufbau eines möglichen Ausführungsbeispiels des EMI-Filters 11 gemäß 2 dargestellt. Die weiteren EMI-Filter 12 bis 15 können bei einer Nutzung dieser zur Lichtbogendetektion analog ausgebildet sein.
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Der EMI-Filter 11 umfasst drei Ferritkerne 16 bis 18, welche als Ringkerne ausgebildet sind und Abschnitte der Anschlussleitungen 9, 10 ringförmig umgeben.
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Die Ferritkerne 16 bis 18 bestehen aus Ferriten, die sich einerseits durch hohe magnetische Leitkraft auszeichnen, jedoch elektrisch isolierend wirken. Dadurch sind sie ausgebildet, unerwünschte elektromagnetische Wellen zu dämpfen. Feldlinien eines Magnetfelds sind bestrebt, durch das magnetisch leitende Ferrit zu verlaufen, lösen dort jedoch aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften keine Wirbelströme aus. Die Folge ist, dass die Ferritkerne 16 bis 18 umliegende elektromagnetische Wellen absorbieren und somit verhindern, dass sie mit anderen elektrischen Komponenten des Bordnetzes 1 wechselwirken. Dadurch werden unerwünschte Störsignale minimiert, die durch Induktion in unterschiedlichen Leitern entstehen könnten. Eine Filterwirkung bzw. Dämpfung von EMI-Filtern 11 bis 15 in dem Bordnetz 1 liegt normativ zwischen 150 kHz und 30 MHz.
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Der Ferritkern 16 ist dabei zumindest abschnittweise von der elektrischen Spule 21 und von der Spule 24 umgeben, um die in der Beschreibung zu den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen des Bordnetzes 1 beschriebene Lichtbogendetektion durchzuführen.
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4 zeigt ein mögliches Magnitudenspektrum eines beispielsweise in einer Fast-FourierTransformation erzeugten elektrischen Signals SI in Abhängigkeit von der Frequenz f.
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Ein Lichtbogen LB erzeugt im Allgemeinen ein hochfrequentes Rauschsignal RS im Bereich von bis zu 100 kHz. Da sich somit der Frequenzbereich der Lichtbogendetektion und der Frequenzbereich des EMI-Filters 11, welcher wie oben beschrieben normativ zwischen 150 kHz und 30 MHz liegt, nicht überschneiden, führt die Nutzung des Ferritkerns 16 aus dem EMI-Filter 11 nicht zu Beeinträchtigungen der Detektion und Auswertung eines Lichtbogens LB.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Energiequelle
- 3 bis 6
- Verbraucher
- 7
- Bordnetz-Steuereinheit
- 8
- Auswerteschaltung
- 8.1
- Messwandler
- 8.2
- Auswerteeinheit
- 9, 10
- Anschlussleitung
- 11 bis 15
- EMI-Filter
- 16 bis 18
- Ferritkern
- 19, 20
- Datenverbindung
- 21
- Spule
- 22, 23
- Zuleitung
- 24
- Spule
- 25, 26
- Zuleitung
- f
- Frequenz
- I
- Information
- LB
- Lichtbogen
- RS
- Rauschsignal
- S
- Steuersignal
- SI
- Signal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2012 020 718 A1 [0005]
- DE 10 2010 053 816 A1 [0006]
- DE 10 2020 004 444 A1 [0007]
- DE 10 2020 112 908 A1 [0008]