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Durchgängiges Sicherheitskonzept
für die Prüfung von
elektronik
Lithium-Ionen-Batteriesystemen
Sonderdruck
aus ATZelektronik 05/2009
Springer Automotive Media
GWV Fachverlage GmbH,
Wiesbaden

ENTWICKLUNGSPROZESSE
Durchgängiges Sicherheitskonzept
für die Prüfung von
Lithium-Ionen-Batteriesystemen
Die Lithium-Ionen-Batteriesystementwicklung für automobile Anwendungen erfordert neue Prüfstandssysteme
für die Entwicklung und Fertigung. SB LiMotive Germany GmbH hat zusammen mit der Robert Bosch GmbH und
Scienlab electronic systems GmbH ein durchgängiges Sicherheitskonzept für die Prüfung von Lithium-Ionen-
Batterie systemen entwickelt. Das Sicherheitskonzept und die Prüfstandssysteme sind in einem modularen und
skalierbaren Baukastensystem realisiert.
1 Einleitung
Der Trend zur Elektrifizierung des Antriebsstranges
resultiert in der Entwicklung
von neuen elektrochemischen Energiespeichersystemen.
Durch ihre höhere
Energie- und Leistungsdichte ersetzen
Lithium-Ionen-Batteriesysteme die der-
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Hochvolt-Sicherheitskonzepte
zeitig eingesetzten Nickelmetall-Hydrid-
Batteriesysteme. Die für Hybridfahrzeuge
und Elektrofahrzeuge erforderlichen hohen
Energie- und Leistungsdaten werden
durch eine serielle und teils parallele
Verschaltung von einzelnen Batteriezellen
erzielt. Damit haben die Batteriesysteme
je nach Anwendung Spannungsla-
gen von mehreren 100 Volt. Des Weiteren
müssen die Batteriesysteme fähig sein,
kurzzeitig hohe Ströme in der Größenordnung
von mehreren 100 Ampere zu
liefern. Für den Automobilbereich bedeutet
dies neue Gefährdungspotenziale
in der Entwicklung (Transport, Lagerung,
Prüfung und Entsorgung) und Fer-

tigung (Musterbau und spätere Serienfertigung).
Zum einen müssen die elektrischen
Gefährdungen durch die hohen
Spannungen und Ströme berücksichtigt
werden, zum anderen weisen Lithium-Ionen-Batteriesysteme
bei Fehlbedienung
potenzielle Gefährdungen auf, die aufgrund
der hohen Energiedichte in Extremfällen
bis zu Brand oder gar Explosion
reichen. Die erforderliche Sicherheitstechnik
für die Batterietester wurde
in [1] beschrieben. Diese Sicherheitstechnik
der Batterietester wurde nun in ein
ganzheitliches Batterie-Prüfstandssystem
eingebunden. Es wurde zusammen mit
Experten aus verschiedenen Bereichen
eine modulare und skalierbare Sicherheitstechnik
für den gesamten Testprozess
entwickelt. Die Basis hierfür waren
weitreichende Versuche zur Versagenscharakteristik
an verschiedensten Lithium-Ionen-Zellen
und der anschließenden
systematischen Gefährdungsanalyse
dieser Batterien.
2 Gefährdungsanalyse
für Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien sind elektrochemische
Energiespeicher mit hohen Energie-
und Leistungsdichten. Werden Lithium-Ionen-Batterien
außerhalb ihrer Spezifikation
betrieben, sind sie potenziell
gefährlich. Zu Gefährdungen können
mechanische Einwirkungen (beispielsweise
während eines Crashs), elektrische
Einwirkungen (Kurzschluss, Tiefentladung,
Überladung, Umpolung) und thermische
Einwirkungen wie Überhitzen
führen. Kommt es zu einer Fehlbedienung
durch die beschriebenen Einwirkungen,
können daraus Gefährdungen
wie Leck einer Zelle, Abblasen des Elektrolyten,
Feuer, bis zu Bersten, Explosion
resultieren. Die verschiedenen Gefährdungen
wurden sowohl durch Freedom-
Car (Abuse levels 1-3) als auch durch EU-
CAR (Hazard-Levels 0-7) klassifiziert [2],
Bild 1. Innerhalb einer Lithium-Ionen-Zelle
kann zum Beispiel eine sich selbstverstärkende
exotherme Reaktion ablaufen
(sogenannter Thermal Runaway), welche
zu einem Brand, einer Explosion führen
kann. Ein möglicher Auslösemechanismus
eines Thermal Runaways kann zum
Beispiel die Überladung einer Zelle sein.
Die Überladung kann zu einer Kathoden-
zersetzung unter Freisetzung von starken
Oxidationsmitteln mit daraus folgender
stark exothermen Reaktion mit
dem Elektrolyten führen [3, 4, 5]. Dabei
wird eine große Menge an heißen Gasen
entwickelt, die zum Öffnen der Zelle mit
Herausschleudern von gegebenenfalls
brennenden Zellkomponenten führt. Eine
Anforderung an Lithium-Ionen-Zellen
für automobile Anwendungen ist deshalb,
dass sie die Abuse Tests nach FreedomCar
bestehen [2]. Neben der Fehlbedienung
der Lithium-Ionen-Zellen ist eine
weitere Fehlerquelle eine fehlerhafte
Produktion der Lithium-Ionen-Zellen.
Ein Beispiel hierfür sind durch eine fehlerhafte
Elektrodenherstellung in den
Elektrodenwickel eingeschlossene Metallpartikel,
die im späteren Betrieb der
Lithium-Ionen-Zellen einen internen
Kurz schluss auslösen können. Die potenziellen
Gefährdungen durch die Lithium-Ionen-Batterie
erfordern deshalb ein
ganzheitliches Sicherheitskonzept, welches
den gesamten Entwicklungs- und
Fertigungsprozess einschließt: beginnend
mit der Verwendung von sicherheitsoptimierten
Zellmaterialien, der
Entwicklung eines bezüglich Sicherheit
optimierten Zelldesigns, einer hocheffizienten
Massenfertigung von Lithium-Ionen-Zellen
mit optimierten Fertigungsprozessen,
der Verwendung eines Batteriemanagementsystems
für die Einhaltung
der elektrischen und thermi schen
Grenzen der Lithium-Ionen-Zellen im Betrieb,
bis zur Einbindung des Lithium-Ionen-Batteriesystems
in die Sicherheitsfunktionen
des Fahrzeugs [6, 7, 8].
Bei der Entwicklung von Lithium-
Ionen-Batteriesystemen für automobile
Anwendungen muss berücksichtigt werden,
dass während des Entwicklungsprozesses
zum einen die Entwicklungsmuster
in unterschiedlichen Reifegraden vor-
Bild 1: Hazard-Level-Spezifikation
nach EUCAR [2]
Die Autoren
Dr. Rainer Kern
ist Manager Environmental
& Abuse Testing
bei der SB LiMotive
Germany GmbH in
Stuttgart.
Dr.-Ing. Ralf Bindel
ist Abteilungsleiter
Prüftechnik bei der
Robert Bosch GmbH
in Stuttgart.
Dr.-Ing.
Roger Uhlenbrock
ist Leiter des Bereichs
Hybrid bei der Scienlab
electronic systems
GmbH in Bochum.
liegen (A bis D Muster), zum anderen
unterschiedliche Tests an den Li-Ionen-
Batteriesystemen durchgeführt werden
müs sen. So werden Tests innerhalb der
Spezifikation, Robustheitstests zeitweise
über den Grenzen der Spezifikation, als
auch Abuse Tests durchgeführt. Die Sicherheitsvorkehrungen
müssen an die
jeweiligen Erfordernisse der Tests als
auch an den Reifegrad des Entwicklungsmusters
angepasst werden.
Es wurde ein gesamtheitliches und
abgesichertes Sicherheitskonzept für die
Prüfung von Li-Ionen-Batteriesystemen
unter Einbindung von externen wissen-
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Bild 2: Berechnete Temperaturverteilungen bei einem Thermal Runaway in einer Klimakammer nach 0,5 s, 5 s und 10 s
schaftlichen Instituten, sowie TÜV, Brandschutzexperten,
Werksfeuerwehr, Sicherheitsingenieuren
und Werksarzt entwickelt.
Um die potenzielle Gefahren während
den Tests der Lithium-Ionen-Batterien
zu bestimmen, wurden Lithium-Ionen-Zellen
kontrolliert zu einem Thermal
Runway gebracht und die dabei austretenden
Stoffe, Gase, Gasmengen und
Drücke bestimmt. Die Experimente wurden
durch Computational Fluid Dynamics
(CFD)-Simulationen und analytischen
Berechnungen nachgebildet. Dabei
wurden die zeitlichen und räumlichen
Druck- und Temperaturverteilungen
für unterschiedliche Atmosphären
als Folge eines Thermal Runaways
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Hochvolt-Sicherheitskonzepte
innerhalb einer Temperaturkammer bestimmt.
Bild 2 zeigt die berechnete Temperaturverteilung
während eines Thermal
Runaways in einer Klimakammer
nach 0,5 s, 5 s und 10 s. Aufbauend auf
den Ergebnissen dieser Analyse wurden
entsprechende Konzepte erarbeitet.
3 Sicherheitskonzept für die Prüfung
von Lithium-Ionen-Batteriesystemen
Bei der elektrischen Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien
werden verschiedene
Prüfaufgaben unterschieden: einerseits
Prüfaufgaben zur Parameterbestimmung
und zur Charakterisierungen der Batte-
Bild 3: Modulbaukasten
Batterie-Prüfstandssysteme
riesysteme sowie andererseits kalendarische
und zyklische Alterungstests. Diese
Prüfungen sind während der Entwicklung
der verschiedenen Muster, für die
Erprobung und Freigabe der Muster, sowie
bei der Entwicklung und Parametrierung
von Applikationen durchzuführen.
Die Batterien werden als Zelle ohne Verbindung,
als Modul (mehrere Zellen sind
zu einer Einheit verbunden) und als komplettes
Batteriesystem in Verbindung mit
dem Batterie-Management-System (BMS)
geprüft.
Weiterhin müssen, wie in Kapitel 2
dargestellt, die Sicherheitsanforderungen
sowohl an die Reifegrade der Muster
als auch an die Erfordernisse der Tests
angepasst werden. Um diese verschiedenen
Anforderungen mit einem Prüfstandssystem
abdecken zu können, wurde
ein modulares und skalierbares Konzept
entwickelt, das im Folgenden beschrieben
wird.
3.1 Systemaufbau
Das Prüfstandssystem ist in die Subsysteme
Prüfraum, Prüfkammer, Batterietester,
Sicherheitstechnik und Erweiterungen
gegliedert. Für jedes Subsystem
gibt es verschiedene Ausbaustufen. Aus
dem so entstandenen Modulbaukasten
wird das für den jeweiligen Anwendungsfall
geeignete Gesamtsystem konfiguriert.
Der prinzipielle Aufbau ist im Bild 3
dargestellt. Durch die Modularisierung
des Systemaufbaus wird erreicht und sichergestellt,
dass jedes kundenspezifische
Prüfsystem aus erprobten und stabilen
Einzelmodulen aufgebaut wird. Mit
dem vorhandenen Baukasten kann ein
breites Anwendungsspektrum abgedeckt
werden, Bild 4:

Bild 4: Anwendungsspektrum der Batterie-Prüfstandssysteme
Bild 5: Systemaufbau bei Prüflingen gemäß Hazard-Level 4-7
– Der Prüfraum kann in Form einer
transportablen Safety-Box für die Außen-
oder Innenaufstellung realisiert
werden. Des Weiteren ist die Nutzung
vorhandener Labor- und Testräume
möglich.
– Es stehen Prüf- und Temperaturkammern
mit Prüfvolumen von 50 l bis zu
5000 l zur Verfügung, jeweils mit unterschiedlichen
Kühl- und Wärmeleistungen.
Damit kann das gesamte
Spektrum von Zellen bis zu kompletten
Batteriesystemen, auch in
Sonderbauformen und für Sonderanwendungen,
abgedeckt werden.
– Für den elektrischen Batterietest stehen
Batterietester in verschiedenen
Spannungs- und Leistungsklassen zur
Verfügung. Die Batterietester sind
rückspeisefähig und sicherheits- und
softwaretechnisch in das Gesamtsystem
integriert.
– Die Sicherheitstechnik genügt allen
Anforderungen bis Hazard-Level 4-7
und schließt somit personengefährdende
Risiken bei sachgemäßem Umgang
aus. Die Sicherheitstechnik kann
für Prüflinge mit Hazard-Level 0-3 reduziert
werden.
– Im Bereich der Prüfstandserweiterungen
wurden verschiedene Lösungen realisiert,
um einen sicheren und reproduzierbaren
Betrieb der Prüfsysteme sicherzustellen,
wie zum Beispiel spezielle
Durchführungen und Kontaktierungen
an den Prüfkammern, sowie kostengünstige
Transport- und Hebevorrichtungen
zum Be- und Entladen der Batteriesysteme.
Weiterhin können die Prüfstandssysteme
mit einem Thermomanage-
ment ausgerüstet werden, welches dieselben
thermischen Randbedingungen
wie im Fahrzeug nachbildet.
3.2 Sicherheitstechnik
Für die in Kapitel 2 aufgeführten Gefährdungen
und Risiken wurden entsprechende
Sicherheitstechnologien realisiert
und in einem Baukasten strukturiert.
Durch Auswahl entsprechender Module
der Sicherheitstechnik können die Prüfstandssysteme
für die Hazard-Levels 0 bis 7
ausgestattet werden. Für Prüfungen im
Hazard-Level 0-3 sind Meldeleuchten, Sicherheitstürverriegelung
und Sicherheitstrenneinrichtung
notwendig. Die Steuerung
der sicherheitstechnischen Signale
und Abläufe wird bereits für diese Hazard-
Levels durch eine Sicherheitssteuerung
übernommen. Ab dem Hazard-Level 4 sind
Sicherheits elemente gegen Abblasen, Feuer
oder Flamme, Bersten und Explosion
realisiert. Der Gesamtaufbau des Prüfstandssystem
ist dazu mit einer Brandbarriere
F30 ausgerüstet. Zur Detektion eines
Bran des sind Gassensoren eingesetzt. Die
Schwere eines Brandes wird durch eine
Flüssiggasvereisung reduziert. Zur Vermeidung
beziehungsweise Abschwächung einer
Explosion ist eine geregelte Inertisierung
eingesetzt. Ggf. auftreten der Überdruck
wird über eine Berstscheibe und die
Überdruckableitung abgeführt. Die Prüfkammer
ist druckfest ausgeführt. Auftretende
Reaktionsprodukte können durch
die Gaswäsche im Prüf raum gebunden
werden. In Bild 5 ist der prinzipielle Prüfaufbau
mit einer für Hazard-Level 4-7 geeignete
Sicherheitstechnik dargestellt. Gesteuert
und überwacht wird die gesamte
Prüfanlage durch eine Sicher heitssteuerung.
Diese überwacht den Zustand
der Anlage auf Basis der Sicherheitssensoren
und Rückmeldungen von Prüfkammer
und Tester und aktiviert bei auftretenden
Gefährdungen die entsprechenden
Sicherheitssysteme. Die Sicherheitssteuerung
stellt weiterhin sicher, dass während
dem regulären und störungsfreien Betrieb
des Prüfsystems keine personengefährdende
Betriebszustände auftreten können.
Die Anbindung an ein übergeordnetes Meldesystem
wird ebenfalls von der Sicherheitssteuerung
übernommen. Eingesetzt
wird eine durch TÜV, BG und UL zertifizierte
Sicherheits-Steuerung nach EN 954-1
Kategorie 4, ISO 13849-1, sowie IEC 62061
SIL3. Die Realisierung des Steuerungspro-
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Bild 6: Typischer Stromsprung des Batterietesters von -600 A auf 600 A
grammes ist entsprechend diesen Anforderungen
ausgeführt.
3.3 Batterietester
Eingebettet in die Sicherheitstechnik ermöglicht
der Batterietester unter definierten
Randbedingungen den Prüfling zu
charakterisieren und für die vorgesehene
Applikation zu evaluieren. Hierbei steht
nicht nur die flexible und einfache Definition
von Prüfabläufen zur Belastung der
Batterie im Vordergrund, sondern ebenso
die exakte messtechnische Erfassung von
Kenngrößen. Diese müssen direkt im Testablauf
mathematisch verarbeitet und im
weiteren Verlauf verwendet werden können.
Insbesondere für die zeitintensiven
Langzeittests ist ein hoher Automatisierungsgrad,
der alle externen Komponenten
wie Temperaturkammer, Datalogger
und Batteriemanagementsystem in den
Testablauf integriert, für eine effektive Arbeitsweise
notwendig. Realisiert wird dies
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durch eine robuste Leistungsendstufe, deren
Ausgangssignale außergewöhnlich
schnell veränderbar sind und gleichzeitig
eine sehr hohe Güte aufweisen [1]. Ein
typische Stromänderung von -600 A auf
600 A ist in Bild 6 gezeigt. Durch eine integrierte
Impedanzspektroskopie sind nicht
nur Untersuchungen im Zeitbereich, sondern
ebenso im Frequenzbereich möglich.
Koordiniert wird dies durch eine echtzeitfähige,
autonom arbeitende Steuerungseinheit,
die auch die Schnittstelle zur übergeordneten
Sicherheitssteuerung realisiert.
4 Sicherheitskonzept für die Lagerung
von Lithium-Ionen-Batterien
Für die Lagerung von Li-Ionen-Batterien
wird zwischen drei verschiedenen Batterielager
für Zellen, Module und komplette
Batteriesysteme unterschieden:
– Lager Typ A: unbeschädigte, unbe-
nutzte Zellen
– Lager Typ B: benutzte Batterien (Zellen,
Module, Batteriesysteme)
– Lager Typ C: beschädigte Batterien
(Zellen, Module, Batteriesysteme).
Unbeschädigte und unbenutzte Batteriezellen
kommen direkt aus der Lithium-Ionen-
Zellproduktion und werden bis zur Weiterverwendung
in der Prüfung oder im
Musterbau im Lager A zwischengelagert.
Benutze Batterien im Lager B sind Lithium-
Ionen-Zellen, welche im Mus terbau zu Modulen
oder kompletten Batteriesystemen
zusammengebaut wurden sowie Batterien,
an welchen Charakterisierungs- oder Alterungstests
durchgeführt wurden, dabei
aber innerhalb ihrer Spezifikation betrieben
und nicht beschädigt wurden. Durch
Alterungs- und andere elektrische Charakterisierungstests
im frühen Musterstadium
der Entwicklung ist es allerdings potenziell
möglich, dass sich durch irreversible Reaktionen
von Zellkomponenten Gas in der
Zelle entwickelt, das zu einem Öffnen des
Überdruckventils der Lithium-Ionen-Zelle
führen kann. Deshalb ist es erforderlich,
vor der Lagerung von benutzten Batterien
im Lager B eine Sicht- und Spannungskontrolle
durchzuführen. Im Lager C werden
beschädigte Batterien bis zur Entsorgung
zwischengelagert.
Für die Lagerung der Lithium-Ionen-
Batterien in Lager A, B und C werden Gefahrgutschränke
verwendet. Die Lagerschränke
sind in der Feuerwiderstandsklasse
nach DIN 4102 Teil 2 von 90 Minuten
(F90/T90) ausgeführt und mit einer
Überdruckentlastung sowie Branddetektoren
ausgestattet, welche direkt mit der
Brandmeldezentrale verbunden sind. In
einem Brandfall verschweißen sich weiterhin
die Türen der Lagerschränke selbstständig,
so dass gewährleistet ist, dass ein
potenzieller Brand auf das Innere der Lagerschränke
beschränkt bleibt. Für Lager
A und B sind die Lagerschränke klimatisiert
und werden somit unter einer konstanten
Temperatur und Luftfeuchtigkeit
gehalten. Diese Lagerbedingungen ermöglichen
die Einhaltung von konstanten
Umweltbedingungen innerhalb der Spezifikation
der Lithium-Ionen-Batterien,
womit nahezu keine Alterung der Lithium-Ionen-Batterien
während der Lagerung
erfolgt und damit reproduzierbare
Prüfbedingungen in der Entwicklung erzielt
werden. Für Lager C ist keine Klimatisierung
erforderlich.

5 Datenmanagement
Der Entwicklungsprozess für Li-Ionen- Batterien
basierend auf dem V-Modell ist im
Bereich der Entwicklung von automobilen
Komponenten ein wohldefinierter Standard.
Der Entwicklungsprozess beinhaltet
das Anforderungsmanagement, gefolgt von
Design, Implementierung und Integration,
sowie Verifikation und Validierung. Der
Prozess ist sowohl auf Gesamtsystemniveau,
als auch in einem top-down Ansatz für jedes
Subsystem (Zelle, Modul, BMS-Hardware,
BMS-Software) definiert. Die Entwicklung
und Fer tigung der einzelnen Subsysteme
des Lithium-Ionen-Batteriesystems
sowie des gesamten Batteriesystems findet
an örtlich verteilten Standorten statt. Zum
Beispiel findet die Lithium-Ionen-Zellenentwicklung
und -fertigung oft in Asien statt,
die Batteriesystementwicklung und Batteriesystemfertigung
in Europa oder USA. Für
das Management der Entwicklungsdaten
innerhalb des Entwicklungsprozesses bedeutet
dies, dass ein durchgängiges Datenmanagement
erforderlich ist, so dass die
Nachverfolgbarkeit der Entwicklungsdaten
sowohl innerhalb der einzelnen V-Modelle
der Subsysteme und des Gesamtsystems, als
auch über die Schnittstellen der Subsysteme
und des Gesamtsystems gewährleistet
ist. Für die Verifikations- und Validierungstests
wurde ein Leitrechnerprinzip
entwickelt, welches die Rückverfolgbarkeit
der Messdaten gewährleistet und diese mit
dem restlichen Entwicklungsprozess verknüpft
und damit die Anforderungen der
ISO 26262 erfüllt. Der Leitrechner erfüllt
die folgenden Anforderungen:
– Generierung von einer Kennung (Datamatrix-Code/
Bar-Code) für jede indi-
viduelle Komponente (Zelle, Modul,
BMS-HW, et cetera) beziehungsweise
für jedes komplette Batteriesystem
– Zuordnung der verbauten einzelnen
Komponenten zum gesamten Batteriesystem
– Warenbestands- und Warenflussverwaltung
(an welchem Ort befindet sich
welche Komponente/welches System)
– zentrale Versionsverwaltung von Prüfprogrammen
und Prüfaufträgen
– Verwaltung und Auswertung von Messdaten.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Durch ihre hohen Energie- und Leistungsdichten
haben Lithium-Ionen-Batterien
das Potenzial, der Elektrifizierung des Antriebsstranges
zum Durchbruch zu verhelfen.
Das vorgestellte modulare und skalierbare
Sicherheitskonzept für die Prüfung
von Lithium-Ionen-Batteriesystemen berücksichtigt,
dass zum einen während der
Entwicklung die Entwicklungsmuster in
unterschiedlichen Reifegraden vorliegen,
zum anderen Tests innerhalb der Spezifikation
als auch außerhalb der Spezifikation
der Batterien durchgeführt werden. Je
nach Anforderung kann das Prüfstandskonzept
für unterschiedliche Gefährdungspotenziale
(EUCAR Hazard level 0-7) ausgelegt
werden. Damit können für das Testen
von Lithium-Ionen-Batteriesystemen flexible
kundenspezifische Prüfsysteme realisiert
werden, die genau den Kundenanforderungen
genügen und dennoch auf bewährte
und erprobte Einzellösungen zurückgreifen.
Das entwickelte Sicherheits-
und Prüfstandskonzept wird für Prüfstän-
de für die Umwelterprobung erweitert
werden. Weiterhin ist eine Weiterentwicklung
der Prüftechnik zum Einsatz bei der
Musterbau- und Serienfertigung geplant.
Die Sicherheitstechnik wurde für Batteriesysteme
für automobile Anwendungen
entwickelt, kann jedoch analog auch als
Basis für Prüfsysteme in andere Anwendungsfelder,
zum Beispiel für Powertools
und Energietechnik eingesetzt werden.
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ATZelektronik 05I2009 Jahrgang 4 7

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