DE102015201405A1 - Motor vehicle and method for warming up a fuel cell system of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem 100 und mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine 200. Während einer Aufwärmphase ta des Brennstoffzellensystems 100 wird die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem 100 während der Aufwärmphase ta bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine 200 und/oder in mindestens einem Stellglied 310 der Antriebsmaschine 200 verbraucht.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having a fuel cell system 100 and at least one electric drive machine 200. During a warm-up phase ta of the fuel cell system 100, the electrical energy provided by the fuel cell system 100 during the warm-up phase ta is at least partially present in the engine 200 and / or consumed in at least one actuator 310 of the engine 200.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle and a method of warming up a fuel cell system of a motor vehicle.
Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden.Fuel cell systems for mobile applications such as motor vehicles are known in the art. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. For example, hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell. The reaction product of the reaction in the fuel cell is, for example, water. The gases are fed into corresponding diffusion electrodes, which are separated by a solid or liquid electrolyte.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart (Start bei einer Umgebungstemperatur von 0°C bis 25°C) sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0°C) problembehaftet. Beispielsweise verfügen bei niedrigen Temperaturen die Moleküle des Katholyten sowie die den Separator durchquerenden Ionen über eine vergleichsweise geringe Kinetik. Dies führt dazu, dass die Polarisationskurven bei einem Kaltstart geringere Werte aufweisen als bei einem Warmstart. Mithin kann das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen weniger effizient betrieben werden. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei der das System einen besseren Wirkungsgrad aufweist.When operating fuel cells in particular, the cold start (start at an ambient temperature of 0 ° C to 25 ° C) and the frost start (start at an ambient temperature below 0 ° C) is problematic. For example, at low temperatures, the molecules of the catholyte and the ions traversing the separator have a comparatively low kinetics. This leads to the polarization curves having lower values during a cold start than during a warm start. Thus, the fuel cell system can be operated less efficiently at low temperatures. For this reason, there is a need to bring the fuel cell system as soon as possible to an operating temperature at which the system has a better efficiency.
Aus der
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Brennstoffzelle schnell und effizient auf ihre Betriebstemperatur zu bringen. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. In particular, it is an object of the technology disclosed herein to bring a fuel cell to its operating temperature quickly and efficiently. The object (s) is / are solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie kann mindestens eine Brennstoffzelle sowie die peripheren Systemkomponenten (Balance-of-Plant Komponenten bzw. BOP-Komponenten) umfassen, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Mit anderen Worten ist die Anode beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Bevorzugte Brennstoffe für das Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Es wird vereinfachend oft ein System mit einer Brennstoffzelle diskutiert.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having a fuel cell system. A fuel cell system according to the technology disclosed herein may include at least one fuel cell and the peripheral system components (balance-of-plant components or BOP components) that may be used in the operation of the at least one fuel cell. A fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated in particular by an ion-selective separator. The anode has a supply for a fuel to the anode. In other words, during operation of the fuel cell system, the anode is in fluid communication with a fuel reservoir. Preferred fuels for the fuel cell system are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode has, for example, a supply of oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®. For simplicity's sake, a system with a fuel cell is often discussed.
Das Kraftfahrzeug umfasst ferner mindestens eine elektrische Traktions-Arbeitsmaschine bzw. Antriebsmaschine (nachstehend und in den Ansprüchen wird für beide Begriffe vereinfachend der Ausdruck „Antriebsmaschine” verwendet). Die Antriebsmaschine dient dem Antrieb des Fahrzeuges und kann bevorzugt motorisch und generatorisch betrieben werden. Die Antriebsmaschine ist elektrisch leitend u. a. mit dem Brennstoffzellensystem verbunden. Die Antriebsmaschine ist ferner bevorzugt mit einer Hochvoltbatterie elektrisch leitend verbunden.The motor vehicle further comprises at least one electric traction working machine (hereinafter and in the claims, the term "prime mover" is used to simplify both terms). The prime mover is used to drive the vehicle and can preferably be operated by motor and generator. The prime mover is electrically conductive u. a. connected to the fuel cell system. The prime mover is also preferably electrically connected to a high-voltage battery.
Das Kraftfahrzeug kann ferner mindestens eine Steuereinrichtung umfassen, die mindestens eine der folgenden Komponenten steuert bzw. regelt: das Brennstoffzellensystem, die mindestens eine Antriebsmaschine, und/oder mindestens ein Stellglied der Antriebsmaschine.The motor vehicle may further comprise at least one control device which controls at least one of the following components: the fuel cell system, the at least one prime mover, and / or at least one actuator of the prime mover.
Das Kraftfahrzeug bzw. die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems die elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem während der Aufwärmphase bereitgestellt wird, zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine verbraucht bzw. umgewandelt wird. Insbesondere wird die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte Energie verbraucht bzw. umgewandelt, ohne dass dadurch mindestens ein Antriebsrad das Kraftfahrzeug in Bewegung versetzt. Bevorzugt wird die bereitgestellte Energie zumindest teilweise in der Antriebsmaschine und/oder in dem mindestens einen Stellglied der Antriebsmaschine in Wärmeenergie umgewandelt.The motor vehicle or the control device may be configured such that during a warm-up phase of the fuel cell system, the electrical energy that is provided by the fuel cell system during the warm-up phase is consumed or converted at least partially in the prime mover and / or in the at least one actuator of the prime mover , In particular, the energy provided by the fuel cell system is consumed or converted without causing at least one drive wheel to move the motor vehicle in motion. Preferably, the energy provided is at least partially converted into thermal energy in the engine and / or in the at least one actuator of the engine.
Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeuges auf die (optimale) Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Betriebstemperatur, ab welcher der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeug bzw. einer Steuerung zugelassen wird.The warm-up phase is the phase in which the fuel cell system of the motor vehicle is heated to the (optimal) operating temperature. The warm-up phase begins with the activation of the fuel cell system and ends with the reaching of the operating temperature, from which the driving operation of the motor vehicle from the vehicle or a control is permitted.
Besonders bevorzugt wird die Aufwärmphase der Brennstoffzelle bereits vor der Betätigung des Zündschlüssels bzw. des Starterknopfs aktiviert. Beispielsweise kann die Aufwärmphase durch ein Funksignal oder durch eine Zeitschaltuhr initiiert werden. In einer Ausgestaltung kann der Fahrzeugführer bspw. über eine entsprechende Software eines Mobiltelefons die Aufwärmung des Brennstoffzellensystems starten. Alternativ kann die Aufwärmphase mit dem Signal zum Entriegeln der Zentralverriegelung beginnen.Particularly preferably, the warm-up phase of the fuel cell is activated before the ignition key or the starter button is actuated. For example, the warm-up phase can be initiated by a radio signal or by a timer. In one embodiment, the driver may, for example, start the warming up of the fuel cell system via an appropriate software of a mobile telephone. Alternatively, the warm-up phase may begin with the signal to unlock the central lock.
Das mindestens eine Stellglied der Antriebsmaschine ist bevorzugt mindestens eines der folgenden Stellglieder: Leistungsschalter, Schütz, Sanftstarter, Stelltransformator, Stellwiderstand, Wechsel-/Drehstromsteller, Gleich- und/oder Wechselrichter, Gleichstromsteller und/oder Umrichter. Das Stellglied der Antriebsmaschine dient zum Zu- bzw. Abschalten des Energieflusses zur elektrischen Antriebsmaschine. In vielen Fällen dient das Stellglied zur Steuerung bzw. Regelung dieses Energieflusses und wird zur Realisierung verschiedener Betriebszustände, wie Anlauf, Drehzahlstellung und Bremsen eingesetzt. Der Aufbau und Einsatz von Stellgliedern zur Steuerung bzw. Regelung des Energieflusses ist allgemein bekannt. Stellglieder werden der elektrischen Antriebsmaschine und der geforderten Regelgüte entsprechend ausgestaltet. Das mindestens eine Stellglied kann beispielsweise Teil der Leistungselektronik sein.The at least one actuator of the drive machine is preferably at least one of the following actuators: circuit breaker, contactor, soft starter, variable transformer, variable resistor, AC / AC power controller, DC and / or inverter, DC-DC converter and / or inverter. The actuator of the prime mover is used to connect or disconnect the energy flow to the electric drive machine. In many cases, the actuator is used to control or regulate this energy flow and is used to implement various operating conditions, such as start-up, speed setting and braking. The construction and use of actuators for controlling the flow of energy is well known. Actuators are designed according to the electric drive machine and the required control quality. The at least one actuator may be part of the power electronics, for example.
Grundgedanke der hier offenbarten Technologie ist es, viel Eigenwärme in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems während der Aufwärmphase zu erzeugen. Hierzu wird gemäß der hier offenbarten Technologie das Brennstoffzellensystem bei hoher Leistung und schlechtem Wirkungsgrad betrieben. Die von den Brennstoffzellen bereitgestellte Energie muss dann allerdings auch verbraucht werden. Hierzu reichen andere Nebenverbraucher, wie bspw. Innenraumtemperierung, Heckscheibenheizung, Kühlkreislauf-Heizgerät etc. nicht aus. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird nun vorgeschlagen, die von dem Brennstoffzellensystem während der Aufwärmphase bereitgestellte Energie in der elektrischen Antriebsmaschine bzw. in dessen Stellglied(ern) zu verbrauchen bzw. umzuwandeln. Die elektrischen Antriebsmaschinen dienen dem Antrieb des Kraftfahrzeuges und sind dementsprechend groß ausgelegt. Für gewöhnliche Kraftfahrzeuge können dabei bspw. Antriebsmaschinen mit einer Leistung von ca. 30 kW bis ca. 300 kW eingesetzt werden. Geht man von einem Wirkungsgrad von ca. 95% aus, so lassen sich in diesen Komponenten Verlustleistungen von ca. 1,5 kW bis 15 kW realisieren. Da diese Komponenten ohnehin im Fahrzeug verbaut sind, können also zusätzliche Verbraucher während der Aufwärmphase eingesetzt werden, ohne dass hierzu zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Die meisten Hardware-Komponenten sind ohnehin vorhanden, so dass die Herstellkosten sich nicht oder nur unwesentlich erhöhen.The basic idea of the technology disclosed here is to generate a lot of self-heat in the fuel cells of the fuel cell system during the warm-up phase. For this purpose, according to the technology disclosed here, the fuel cell system is operated at high power and poor efficiency. However, the energy provided by the fuel cells must then also be consumed. For this purpose, other auxiliary consumers, such as. Interior temperature, rear window heating, cooling circuit heater, etc. are not enough. According to the technology disclosed herein, it is now proposed to consume or convert the energy provided by the fuel cell system during the warm-up phase in the electric drive machine or in its actuator (s). The electric drive machines are used to drive the motor vehicle and are designed accordingly large. For ordinary motor vehicles, for example, prime movers with an output of about 30 kW to about 300 kW can be used. Assuming an efficiency of approx. 95%, losses of approx. 1.5 kW to 15 kW can be achieved in these components. Since these components are installed in the vehicle anyway, so additional consumers can be used during the warm-up, without requiring additional space is required. Most hardware components are present anyway, so that the manufacturing costs are not or only slightly increase.
Neben dem Verbrauch von elektrischer Energie während der Aufwärmphase ist es selbstverständlich auch möglich, die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt Energie in einem Hochvoltspeicher, bspw. einer Hochvoltbatterie oder in Superkondensatoren, zu speichern.In addition to the consumption of electrical energy during the warm-up phase, it is of course also possible to store the energy provided by the fuel cell system in a high-voltage storage, for example a high-voltage battery or in supercapacitors.
Prinzipiell kann jede elektrische Antriebsmaschine sowie jedes hierfür geeignete Stellglied eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Stellglied ein Umrichter und die mindestens eine Antriebsmaschine eine Drehstrommaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine.In principle, any electric drive machine and any actuator suitable for this purpose can be used. Particularly preferably, the at least one actuator is a converter and the at least one drive machine is a three-phase machine, in particular a permanent-magnet synchronous machine.
Bevorzugt sind die elektrische Antriebsmaschine bzw. das mindestens eine Stellglied derart angesteuert, dass an der Antriebswelle der elektrischen Antriebsmaschine kein bzw. nur ein geringes Antriebsmoment erzeugt wird. Das geringe Antriebsmoment der elektrischen Antriebsmaschine ist dabei so gering, dass das mindestens eine Antriebsrad des Fahrzeuges das Kraftfahrzeug nicht in Bewegung versetzt. Mit anderen Worten verweilt das Kraftfahrzeug während der Aufwärmphase an seinem Ort. Beispielsweise kann die Massenträgheit des an der Welle der elektrischen Antriebsmaschine angeschlossenen Antriebsstrangs derart groß sein, dass das Moment der elektrischen Antriebsmaschine nicht ausreicht, um den Rotor der elektrischen Antriebsmaschine in Bewegung zu versetzen. Das Gegenmoment zum geringen Antriebsmoment kann alternativ oder zusätzlich durch eine Feststellbremse aufgebracht werden.Preferably, the electric drive machine or the at least one actuator are controlled such that on the drive shaft of the electric drive machine no or only a small drive torque is generated. The low drive torque of the electric drive machine is so small that the at least one drive wheel of the vehicle does not set the motor vehicle in motion. In other words, the motor vehicle stays in place during the warm-up phase. For example, the inertia of the drive train connected to the shaft of the electric drive machine can be so great that the torque of the electric drive machine is insufficient to set the rotor of the electric drive machine in motion. The counter-torque to the low drive torque can alternatively or additionally be applied by a parking brake.
Die elektrische Antriebsmaschine kann von der Steuerung und dem Stellglied derart gesteuert werden, dass die elektrische Antriebsmaschine als ohmscher und induktiver Verbraucher eingesetzt wird.The electric drive machine can be controlled by the controller and the actuator such that the electric drive machine is used as a resistive and inductive load.
Bevorzugt liegt an der elektrischen Antriebsmaschine zumindest während der Aufwärmphase eine periodische Aussetzspannung an, insbesondere eine periodische Pulsspannung. Ein periodischer Aussetzbetrieb kann bspw. eine Folge identischer Spannungspulse sein, die so bemessen sind, dass der Motor infolge der fließenden Ströme nicht die thermische Grenze erreicht, bei der die Isolation der Motorwicklung versagt.Preferably, at least during the warm-up phase, a periodic intermittent voltage is applied to the electric drive machine, in particular a periodic pulse voltage. For example, a periodic intermittent operation may be a series of identical voltage pulses sized such that, due to the currents flowing, the motor does not reach the thermal limit at which the insulation of the motor winding fails.
Ferner bevorzugt ist die periodische Aussetzspannung derart gestaltet, dass der Antriebsmotor in einen schwingenden Zustand gebracht wird. Further preferably, the periodic intermittent voltage is designed such that the drive motor is brought into a vibrating state.
Insbesondere kann die Aussetzspannung derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine in der Aufwärmphase nicht in Rotation versetzt wird. Insbesondere kann die Aussetzspannung derart ausgebildet sein bzw. die Antriebsmaschine derart angesteuert sein, dass ein Rotor der Antriebsmaschine in der Aufwärmphase eine Pendelbewegung durchführt. Bevorzugt ist die Pendelbewegung dergestalt, dass durch diese Pendelbewegung das mindestens eine Antriebsrad des Kraftfahrzeuges nicht in Bewegung versetzt wird.In particular, the intermittent voltage can be designed in such a way or the drive machine can be controlled in such a way that a rotor of the drive machine is not set in rotation in the warm-up phase. In particular, the intermittent voltage can be designed in such a way or the drive machine can be controlled such that a rotor of the drive machine in the warm-up phase performs a pendulum motion. Preferably, the pendulum motion is such that the at least one drive wheel of the motor vehicle is not set in motion by this oscillating movement.
Die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann im gleichen Kühlkreislauf angeordnet sein wie die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und/oder das mindestens eine Stellglied. Beispielsweise kann es sich um einen flüssigkeitsgekühlten Umrichter und/oder eine flüssigkeitsgekühlte Antriebsmaschine handeln. Bevorzugt sind die Antriebsmaschine und/oder das Stellglied zumindest während der Aufwärmphase stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzellen im gleichen Kühlkreislauf angeordnet. Somit kann die Wärmeenergie, die während der Aufwärmphase in der elektrischen Antriebsmaschine und/oder im Umrichter erzeugt wird, zur Erwärmung des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Somit kann die Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems weiter reduziert werden.The at least one fuel cell of the fuel cell system may be arranged in the same cooling circuit as the at least one electric drive machine and / or the at least one actuator. For example, it may be a liquid-cooled converter and / or a liquid-cooled drive machine. Preferably, the prime mover and / or the actuator are arranged at least during the warm-up phase upstream of the at least one fuel cell in the same cooling circuit. Thus, the heat energy generated during the warm-up phase in the electric drive machine and / or in the inverter can be used to heat the fuel cell system. Thus, the warm-up time of the fuel cell system can be further reduced.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems wie es hier offenbart ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen von elektrischer Energie durch ein Brennstoffzellensystem während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems, und
- – Verbrauchen bzw. Umwandeln von zumindest einem Teil der elektrischen Energie in einer Antriebsmaschine und/oder in einem Stellglied der Antriebsmaschine, ohne dass ein Antriebsdrehmoment auf einen der Fahrzeugreifen übertragen wird, insbesondere ohne dass dadurch mindestens ein Antriebsrad das Kraftfahrzeug in Bewegung versetzt.
- Providing electrical energy through a fuel cell system during a warm-up phase of the fuel cell system, and
- Consuming or converting at least part of the electrical energy in a drive machine and / or in an actuator of the drive machine, without a drive torque is transmitted to one of the vehicle tires, in particular without thereby at least one drive wheel, the motor vehicle in motion.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigenThe technology disclosed here will now be explained in more detail with reference to the figures. Show it
In
Bevorzugt werden die einzelnen Stränge der Drehstrom-Antriebsmaschine derart angesteuert, dass der Rotor eine periodische Pendelbewegung um eine Nulllage ausführt. Hierzu können beispielsweise die einzelnen Strangspannungen Uai der einzelnen Wicklungsstränge i hinsichtlich ihrer Phasenlage und ihrer Ansteuerzeiten variiert werden. Bevorzugt ist die Pendelbewegung so gering, dass sie nicht zu einer Bewegung des gesamten Fahrzeugs führt.Preferably, the individual strands of the three-phase drive machine are driven in such a way that the rotor carries out a periodic oscillating movement about a zero position. For this purpose, for example, the individual phase voltages Uai of the individual phase windings i can be varied with respect to their phase position and their drive times. Preferably, the pendulum movement is so small that it does not lead to a movement of the entire vehicle.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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