DE102020100600A1 - Method for the optimized operation of a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät (134) umfassenden Brennstoffzellensystems, das einen Gleichspannungswandler (100) mit einem integrierten Lastregler (130) zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler (100) elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit (102) und ein ausgangsseitig angeschlossenes oder anschließbares Traktionsnetz (106) zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor umfasst, wobei der Gleichspannungswandler (100) einen Speicher (136) aufweist, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers (130) für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit (102) zeitweise speicherbar ist, umfassend die Schritte des Auswählens, des Ermittelns oder des Zusammenstellens eines für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatzes mittels des Steuergeräts (134), des Übermittelns des Parametersatzes mittels einer Kommunikationsschnittstelle (132) zwischen dem Steuergerät (134) und dem Gleichspannungswandler (100), des Ladens des Parametersatzes in den Speicher (136) des Gleichspannungswandlers (100) und der Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit (102) mit dem den Parametersatz verwendenden Lastregler (130). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device (134), which has a DC voltage converter (100) with an integrated load regulator (130) for regulating load requirements on a fuel cell unit (102) electrically connected on the input side to the DC voltage converter (100) comprises a traction network (106) connected or connectable on the output side for providing power to a traction motor, the DC / DC converter (100) having a memory (136) in which at least one parameter set of the load regulator (130) for regulating the load requirements on the fuel cell unit (102) is temporarily storable, comprising the steps of selecting, determining or compiling a parameter set required for an optimized operating mode by means of the control device (134), transmitting the parameter set by means of a communication interface (132) between Chen the control unit (134) and the DC voltage converter (100), the loading of the parameter set into the memory (136) of the DC voltage converter (100) and the regulation of the load requirement on the fuel cell unit (102) with the load regulator (130) using the parameter set. The invention also relates to a fuel cell system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät umfassenden Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt ist. Um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinrichtung, insbesondere des eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapels zu regeln, ist eine Steuer- und Regelungseinrichtung notwendig, welche insbesondere als ein Brennstoffzellensteuergerät (FCU für „Fuel Cell Control Unit“) vorliegt, das mit einem Leistungsregler ausgestattet ist. Zudem ist ein Stellglied notwendig, um die gewünschte Leistung einzuregeln, wobei als Führungsgröße typischerweise die von der Brennstoffzelleneinrichtung zur liefernde Spannung oder der zu liefernde Sollstrom gewählt ist. Als Regelgröße liegt also im Brennstoffzellensteuergerät meist der Stromfluss vor.The invention relates to a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device and to a fuel cell system which is designed to carry out the method. In order to regulate the output power of the fuel cell device, in particular of the fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells connected in series, a control and regulating device is necessary, which is present in particular as a fuel cell control unit (FCU for "Fuel Cell Control Unit") equipped with a power regulator is. In addition, an actuator is necessary in order to regulate the desired output, the voltage to be supplied by the fuel cell device or the setpoint current to be supplied typically being selected as the reference variable. The current flow is usually the control variable in the fuel cell control unit.
Zudem ist es bekannt, die Brennstoffzelleneinrichtung in einem hybriden System über einen Gleichspannungswandler in ein gemeinsames Bordnetz mit einer Batterie einzubinden, wobei das Bordnetz elektrisch mit einem Traktionsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Solche hybriden Systeme mit Batterie und Brennstoffzelle sind aus den Druckschriften
Bei solchen Systemen kann es im schlimmsten Falle dazu führen, dass der Leistungsregler des Steuergeräts der Brennstoffzelleneinrichtung sich intern gegen den vom Gleichspannungswandler bereitgestellten Regler aufschwingt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn versucht wird, einen für unterschiedlichste Betriebszustände allgemeingültigen Regelsatz im Gleichspannungswandler zu verwenden, um alle Betriebszustände mit diesem Regelsatz abzudecken. Ein solcher allgemein gültiger Regelparametersatz ist nicht an die gegebenen Betriebszustände (zum Beispiel normaler Start/Luft-Luft-Start/Kaltbetrieb/Heißbetrieb/Luft verarmter Betrieb / Normalbetrieb / Sportmodus etc.) angepasst, und schränkt daher die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems insgesamt in seinen Bereichen Dynamik, Verbrauch Geräuschemission und Alterung des Brennstoffzellensystems ein.In such systems, in the worst case, the power regulator of the control unit of the fuel cell device can swing up internally against the regulator provided by the DC voltage converter. This is particularly the case when an attempt is made to use a rule set that is generally valid for a wide variety of operating states in the DC / DC converter in order to cover all operating states with this rule set. Such a generally valid set of control parameters is not adapted to the given operating states (for example normal start / air-air start / cold operation / hot operation / air-depleted operation / normal operation / sport mode etc.) and therefore restricts the overall performance of the fuel cell system in its areas Dynamics, consumption, noise emissions and aging of the fuel cell system.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum optimierten Betreiben eines ein Steuergerät umfassenden Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem selbst anzugeben, die zumindest einem der vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method for the optimized operation of a fuel cell system comprising a control device and a fuel cell system itself which take into account at least one of the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem mit einem Steuergerät versehenen Brennstoffzellensystem aus, welches einen Gleichspannungswandler mit einem integrierten Lastregler zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit umfasst. Ausgangsseitig ist ein Traktionsnetz angeschlossen oder anschließbar zur Leistungsbereitstellung an einen Traktionsmotor. Der Gleichspannungswandler weist einen Speicher auf, in den mindestens ein Parametersatz des Lastreglers für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit zumindest zeitweise, insbesondere dauerhaft, speicherbar ist. Das Verfahren umfasst dabei insbesondere die Schritte des Auswählens, des Ermittelns oder des Zusammenstellens eines für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatzes mittels des Steuergeräts, des Übermittelns des Parametersatzes mittels einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Steuergerät und dem Gleichspannungswandler, des Ladens des Parametersatzes in den Speicher des Gleichspannungswandlers und der Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit mit dem den Parametersatz verwendenden Lastregler.The method according to the invention is based on a fuel cell system provided with a control device, which comprises a DC voltage converter with an integrated load regulator for regulating load requirements on a fuel cell unit electrically connected to the DC voltage converter on the input side. On the output side, a traction network is connected or can be connected to a traction motor to provide power. The DC / DC converter has a memory in which at least one parameter set of the load regulator for regulating the load requirements on the fuel cell unit can be stored at least temporarily, in particular permanently. The method comprises in particular the steps of selecting, determining or compiling a parameter set required for an optimized operating mode by means of the control device, transmitting the parameter set by means of a communication interface between the control device and the DC / DC converter, loading the parameter set into the memory of the DC / DC converter and the regulation of the load requirement on the fuel cell unit with the load regulator using the parameter set.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass kein gegenseitiges Aufschwingen der Regler des Steuergeräts des Brennstoffzellensystems und des Lastreglers des Gleichspannungswandlers auftritt. Durch die optimierte Einstellung der Regelungsparameter ergibt sich eine optimale Dynamik des Brennstoffzellensystems über alle seine Betriebszustände hinweg, sodass auch optimierte Alterungs- und Verbrauchseigenschaften beim Betreiben des Brennstoffzellensystems aufgrund optimaler Strom- bzw. Spannungsgradienten erzielt werden können.
Bei Brennstoffzellensystemen kann es zudem durch sogenannte Luft-Luft-Starts zu Schäden an dem Brennstoffzellenstapel kommen, wobei ein Luft-Luft-Start dann vorliegt, wenn beim Start sowohl im Anodenbereich als auch im Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels Luft bzw. Sauerstoff vorhanden ist. Bei einer Zuführung von Wasserstoff im Zuge des Starts kommt es zu einer Wasserstoffluft-Front, welche über die elektrochemisch aktive Fläche der Anoden streicht. Somit liegen unmittelbar vor der Front und unmittelbar nach der Front unterschiedlich hohe Potenziale vor, da die Brennstoffzelle in einem Bereich bereits die Elektrolyse betreibt und in einem anderen Bereich noch nicht. Dies führt zu einer Schädigung oder Degradation der Brennstoffzelle, insbesondere zu einer Korrosion des Katalysators bzw. seines Trägermaterials. Um eine Schädigung der Brennstoffzellensysteme zu reduzieren und um eine lange Lebensdauer der Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen, ist es daher notwendig, Luft-Luft-Starts zu verhindern bzw. ihre Anzahl zu reduzieren. Auch gilt es, zu hohe Spannungsspitzen zu vermeiden, da auch diese zur Degradation beitragen. Die Zeit, in der der Wasserstoff im Anodenbereich gehalten werden kann, also die Zeit nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems, in der im Anodenbereich noch Wasserstoff vorliegt, wird im Allgemeinen auch Wasserstoffschutzzeit (Hydrogen-Protection-Time) bezeichnet. Ist diese Wasserstoffschutzzeit überschritten, also Luft in den Anodenbereich diffundiert, sind wiederum die Bedingungen für einen Luft-Luft-Start gegeben und es sind Verfahren bekannt, um die Luft möglichst schnell aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, wobei dies konstruktiv bedingt häufig ungleichmäßig geschieht.This has the advantage that the regulators of the control device of the fuel cell system and the load regulator of the DC voltage converter do not oscillate towards one another. The optimized setting of the control parameters results in optimal dynamics of the fuel cell system across all of its operating states, so that optimized aging and consumption properties can also be achieved when operating the fuel cell system on the basis of optimal current or voltage gradients.
In fuel cell systems, so-called air-air starts can also cause damage to the fuel cell stack, with air-air starts when air or oxygen is present both in the anode area and in the cathode area of the fuel cell stack during start-up. When hydrogen is supplied during start-up, a hydrogen air front occurs, which sweeps over the electrochemically active surface of the anodes. Thus are immediately available The front and immediately after the front face different levels of potential, since the fuel cell is already operating the electrolysis in one area and not yet in another area. This leads to damage or degradation of the fuel cell, in particular to corrosion of the catalyst or its carrier material. In order to reduce damage to the fuel cell systems and to enable the fuel cell systems to have a long service life, it is therefore necessary to prevent air-air starts or to reduce their number. It is also important to avoid excessive voltage peaks, as these also contribute to degradation. The time in which the hydrogen can be kept in the anode area, i.e. the time after the fuel cell system has been switched off, in which hydrogen is still present in the anode area, is generally also referred to as hydrogen protection time. If this hydrogen protection time is exceeded, i.e. air diffuses into the anode area, the conditions for an air-air start are again given and methods are known to remove the air from the fuel cell stack as quickly as possible, which often occurs unevenly for structural reasons.
Aus diesem Grund ist die Möglichkeit eröffnet, ein Startspannungsmodell vorzusehen, welches anhand der Abstellzeit des Brennstoffzellensystems das U-I-Verhalten beeinflusst, welches der Regelstreckenfunktion beim Start des Brennstoffzellensystems entspricht. Es ist daher von Vorteil, wenn das Steuergerät die Abstelltzeit seit dem Abstellen des Systems erfasst und die erfasste Abstellzeit im Zeitpunkt des Neustarts des Brennstoffzellensystems beim Auswählen, beim Ermitteln oder beim Zusammenstellen des Parametersatzes berücksichtigt. Auf diese Weise kann ein optimierter Reglerparametersatz ermittelt werden, womit eine optimierte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems erzielbar ist.For this reason, it is possible to provide a starting voltage model which, based on the shutdown time of the fuel cell system, influences the U-I behavior, which corresponds to the controlled system function when the fuel cell system is started. It is therefore advantageous if the control device records the shutdown time since the system was shut down and takes into account the recorded shutdown time at the time of restart of the fuel cell system when selecting, determining or compiling the parameter set. In this way, an optimized set of controller parameters can be determined, with which an optimized operating mode of the fuel cell system can be achieved.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die im Steuergerät hinterlegten Parametersätze mittels eines eine Mehrzahl an U-I-Kennlinien umfassenden und von der Abstellzeit abhängigen Startspannungsmodells festgelegt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass keine Spannungsspitzen entstehen, die über die Maximalspannung des Brennstoffzellensystems hinausgehen, und dieses damit ungewollt altert.It is advantageous here if the parameter sets stored in the control device are defined by means of a starting voltage model which includes a plurality of U-I characteristics and is dependent on the shutdown time. In this way it can be achieved that there are no voltage peaks that go beyond the maximum voltage of the fuel cell system and that the fuel cell system unintentionally ages.
Es ist von Vorteil, wenn der Parametersatz außerdem in Abhängigkeit eines gewählten Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird, da auch so die unterschiedlichen Betriebsarten, wie „Kaltbetrieb“, „Heißbetrieb“, „Luft verarmter Betrieb“, „Normalbetrieb“, „Sportmodus“ etc., Berücksichtigung finden können.It is advantageous if the parameter set is also selected, determined or compiled as a function of a selected operating mode of the fuel cell system, since the different operating modes such as "cold operation", "hot operation", "air-depleted operation", "normal operation", " Sport mode ”etc., can be taken into account.
In diesem Zusammenhang ist es daher von Vorteil, wenn in dem Steuergerät der Brennstoffzelleneinrichtung eine Mehrzahl das Funktionsverhalten beeinflussende Brennstoffzellensystemmodelle hinterlegt sind, aus denen der optimierte Parametersatz ausgewählt, ermittelt oder zusammengestellt wird, bevor er dann dem Gleichspannungswandler übergeben wird. Brennstoffzellensystemmodelle können Informationen über die Dynamik, den Verbrauch oder die Geräuschemissionen des Brennstoffzellensystems betreffen. Dabei werden Parameter vorgegeben, die auch die Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems betreffen, also beispielsweise den Verdichter, die Befeuchter, die Kühlmittelpumpe eines Kühlkreislaufs, das Rezirkulationsgebläse oder dergleichen.In this context, it is therefore advantageous if a plurality of fuel cell system models influencing the functional behavior are stored in the control unit of the fuel cell device, from which the optimized parameter set is selected, determined or compiled before it is then transferred to the DC voltage converter. Fuel cell system models can relate to information about the dynamics, consumption or noise emissions of the fuel cell system. In this case, parameters are specified which also relate to the auxiliary units of the fuel cell system, for example the compressor, the humidifier, the coolant pump of a cooling circuit, the recirculation fan or the like.
Als zuverlässige Kommunikationsschnittstelle haben sich solche eines seriellen Bussystems als vorteilhaft erwiesen, wobei insbesondere der Einsatz einer CAN-Schnittstelle, oder einer LIN-Schnittstelle oder einer FlexRay-Schnittstelle sich als sinnvoll erwiesen haben.Those of a serial bus system have proven to be advantageous as reliable communication interfaces, with the use of a CAN interface, or a LIN interface or a FlexRay interface, in particular, having proven to be useful.
Die das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem betreffenden Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen sind dabei dieselben wie diejenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Brennstoffzellensystem mit seinem Steuergerät ist dabei also zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Steuergerät und einen Gleichspannungswandler mit einem integrierten Lastregler zur Regelung von Lastanforderungen an eine eingangsseitig an den Gleichspannungswandler elektrisch angeschlossene Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels. Außerdem ist ausgangsseitig an den Gleichspannungswandler ein Traktionsnetz angeschlossen zur Leistungsbereitstellung der elektrischen Leistung an einen Traktionsmotor, wobei der Gleichspannungswandler einen Speicher aufweist, in den mindestens ein Parametersatz für die Regelung der Lastanforderungen an die Brennstoffzelleneinheit zeitweise, vorzugsweise dauerhaft, speicherbar ist. Das Steuergerät der Brennstoffzelleneinrichtung ist ausgebildet, einen für eine optimierte Betriebsweise erforderlichen Parametersatz auszuwählen, zu ermitteln oder zusammenzustellen, den Parametersatz mittels einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Steuergerät und dem Gleichspannungswandler zu übermitteln, und den Parametersatz in den Speicher des Gleichspannungswandlers zu laden und somit den Lastregler dazu zu veranlassen, den Parametersatz zur Regelung der Lastanforderung an die Brennstoffzelleneinheit zu verwenden.The advantages and advantageous configurations relating to the fuel cell system according to the invention are the same as those of the method according to the invention. The fuel cell system with its control device is thus designed to carry out the method explained above. The fuel cell system comprises a control device and a DC voltage converter with an integrated load regulator for regulating load requirements for a fuel cell unit, in particular a fuel cell stack, which is electrically connected to the DC voltage converter on the input side. In addition, a traction network is connected on the output side of the DC voltage converter to provide the electrical power to a traction motor, the DC voltage converter having a memory in which at least one parameter set for regulating the load requirements on the fuel cell unit can be temporarily, preferably permanently, stored. The control unit of the fuel cell device is designed to select, determine or compile a parameter set required for an optimized operating mode, to transmit the parameter set by means of a communication interface between the control unit and the DC voltage converter, and to load the parameter set into the memory of the DC voltage converter and thus the load regulator to cause the parameter set to be used to regulate the load requirement on the fuel cell unit.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as those mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures Features and combinations of features can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Spannungswandleranordnung, die die Brennstoffzelleneinheit mit einem eine Batterie umfassenden Traktionsnetz elektrisch verbindet, an welches zwei Verbraucher angeschlossen sind, und -
2 eine zeitabhängige Darstellung der von der Brennstoffzelleneinheit generierten Spannung (U) für vier unterschiedliche lange Abstellzeiten, wobei A den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von weniger als 5 Minuten, B den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von ca. 10 Stunden, C den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von ca. 20 Stunden und D den Spannungsverlauf für eine Abstellzeit von deutlich mehr als 20 Stunden beschreibt.
-
1 a schematic representation of a fuel cell system with a voltage converter arrangement, which electrically connects the fuel cell unit with a traction network comprising a battery, to which two consumers are connected, and -
2 a time-dependent representation of the voltage (U) generated by the fuel cell unit for four different long shutdown times, where A is the voltage curve for a shutdown time of less than 5 minutes, B the voltage curve for a shutdown time of approx. 10 hours, C the voltage curve for a shutdown time of approx. 20 hours and D describes the voltage curve for a shutdown time of significantly more than 20 hours.
In
Der Verbraucher
Der zweite Verbraucher
Nachstehend wird näher auf den Aufbau des Gleichspannungswandlers
Der Gleichspannungswandler
Der Gleichspannungswandler
Das Steuergerät
In
Aus diesem Grund ist das Steuergerät
Im Ergebnis zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem durch eine verbesserte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems aus, das einer geringeren Alterung, einem geringeren Verbrauch während des Betriebs sowie einer verminderten Geräuschemission unterliegt.As a result, the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention are distinguished by an improved mode of operation of the fuel cell system, which is subject to less aging, less consumption during operation and less noise.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- GleichspannungswandlerDC voltage converter
- 102102
- BrennstoffzelleneinheitFuel cell unit
- 104104
- HochvoltbatterieHigh voltage battery
- 106106
- TransaktionsnetzTransaction network
- 108108
- MesseinheitMeasuring unit
- 110110
- VergleichseinheitComparison unit
- 112112
- ReglereinheitControl unit
- 114114
- Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
- 116116
- Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
- 118118
- Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (pair of connections on the output side)
- 120120
- Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (pair of connections on the output side)
- 122122
- Verbraucherconsumer
- 124124
- (zweiter) Verbraucher(second) consumer
- 126126
- WechselrichterInverter
- 128128
- AntriebsaggregatDrive unit
- 130130
- LastreglerLoad regulator
- 132132
- KommunikationsschnittstelleCommunication interface
- 134134
- SteuergerätControl unit
- 136136
- SpeicherStorage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- CN 101786413 A [0002]CN 101786413 A [0002]
- CN 105253139 A [0002]CN 105253139 A [0002]
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