DE10026835B4 - Circuit arrangement and method for avoiding deep charge states in lead batteries in battery-buffered electrical systems, in particular in rail vehicles - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung
zur Vermeidung von Tiefentladezuständen bei Bleibatterien in batteriegepufferten
elektrischen Anlagen, insbesondere in Schienenfahrzeugen, wobei
der Entladestrom, die Gesamtakkumulatorspannung oder Teilspannungen
sowie die Elektrolyttemperatur erfasst, von einer Auswerteschaltung (2)
ausgewertet und als Abschaltkriterium zum Abschalten von Verbrauchern
genutzt werden, wobei
– zumindest
ein Batterieblock (1.1, 1.2) gebildet ist und eine Mehrzahl von
Batteriezellen aufweist, wobei dem Batterieblock (1.1, 1.2) ein
Blocktransmitter (1.3, 1.4) zugeordnet ist und wobei der Blocktransmitter
(1.3, 1.4) ausgestaltet ist, die Blockspannung bzw. Zellenspannung
sowie die Elektrolyttemperatur der Batteriezelle oder des Batterieblocks
(1.1, 1.2) der Auswerteschaltung (2) zur Verfügung zu stellen,
– ein in
der Batterieleitung angeordneter Batteriestromsensor (1.5) ausgestaltet
ist, den Batteriestrom zu erfassen und der Auswerteschaltung (2)
zur Verfügung
zu stellen,
– die
Auswerteschaltung (2),
a) eine logische Verknüpfungs-
und Zeitschaltung (2.4) aufweist,
b) ausgestaltet ist, den
von dem Batteriestromsensor (1.5) erfassten Batteriestrom hinsichtlich
der Stromrichtung auszuwerten und bei Beginn...Circuit arrangement for avoiding deep discharge in lead batteries in battery-buffered electrical systems, in particular in rail vehicles, the discharge current, the total accumulator voltage or partial voltages and the electrolyte temperature being recorded, evaluated by an evaluation circuit (2) and used as a switch-off criterion for switching off consumers
- At least one battery block (1.1, 1.2) is formed and has a plurality of battery cells, the battery block (1.1, 1.2) being assigned a block transmitter (1.3, 1.4) and the block transmitter (1.3, 1.4) being designed to measure the block voltage or To make cell voltage and the electrolyte temperature of the battery cell or the battery block (1.1, 1.2) available to the evaluation circuit (2),
A battery current sensor (1.5) arranged in the battery line is designed to detect the battery current and to make it available to the evaluation circuit (2),
- the evaluation circuit (2),
a) has a logical combination and timing circuit (2.4),
b) is designed to evaluate the battery current detected by the battery current sensor (1.5) with regard to the current direction and at the beginning ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere zur strom- und temperaturabhängigen Batteriespannungsüberwachung, insbesondere bei Bleibatterien in Hilfsbetriebssystemen von Schienenfahrzeugen.The The invention relates to a circuit arrangement, in particular for current and temperature dependent Battery voltage monitoring, especially for lead acid batteries in auxiliary operating systems of rail vehicles.
Es ist bekannt, für die Batteriespannungsüberwachung in gepufferten elektrischen Anlagen des Schienenfahrzeugbaus zur Vermeidung von Tiefentladungen spannungsabhängige Minimalspannungsabschalter einzusetzen.It is known for the battery voltage monitoring in buffered electrical systems for rail vehicle construction Avoiding deep discharges of voltage-dependent minimum voltage cut-offs use.
Die
Für stationäre Batteriesysteme sind aufwendige rechnergestützte Messanordnungen bekannt, die die Batteriespannung, Batteriestrom sowie den aktuellen Ladezustand überwachen. In der etz, Heft 19/1998, Seite 28 bis 29, wird das System "Batlog" der Firma Digatron zur komplexen Batteriespannungsüberwachung in seiner prinzipiellen Wirkungsweise beschrieben. Hierbei werden die Blockspannungen sowie der Batteriestrom über entsprechende Messmodule erfasst und über eine Datenfernübertragung an den Leitrechner gesendet. Im Leitrechner ist eine Software installiert, die die Daten auswertet und visualisiert.For stationary battery systems are complex computer-based Measuring arrangements known, the battery voltage, battery current and monitor the current state of charge. In the etz, issue 19/1998, pages 28 to 29, the system "Batlog" from Digatron for complex battery voltage monitoring described in its principle mode of action. Here are the block voltages and the battery current via appropriate measuring modules captured and over a remote data transmission sent to the host computer. Software is installed in the host computer which evaluates and visualizes the data.
Um die Verfügbarkeit von Batterien für USV (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) zu sichern und die Lebensdauerkosten zu senken, ist in der etz, Heft 4/1996, Seite 18 bis 22, ein rechnergestütztes Batteriemanagement beschrieben, das ein optimales Betriebsregime für die Ladung und die Minimalspannungsabschaltung durch die Erfassung der Betriebs- und Umweltparameter ermöglicht. Die mit den Messmodulen erfassten Daten werden über Lichtwellenleiter einem Zentralrechner zur Auswertung zugeleitet und in diesem ausgewertet.Around the availability of batteries for Secure UPS (uninterruptible power supplies) and lifetime costs in the etz, issue 4/1996, pages 18 to 22, is a computer-aided battery management described that an optimal operating regime for charging and the minimum voltage shutdown by capturing the operational and Enables environmental parameters. The data recorded with the measuring modules is sent to one of the Central computer fed for evaluation and evaluated in this.
Betrachtet man die bisher in Schienenfahrzeugen häufig angewendete gesamtspannungsabhängige ein- oder mehrstufige Minimalspannungsabschaltung, so haben die bekannten Systeme den Nachteil, dass der Entladestrom sowie eine Reihe von Umweltparametern keinen Einfluss auf den Abschaltwert haben und somit Schäden durch Tiefentladung einzelner Zellen und Blöcke eintreten können, obwohl der vorgegebene Schwellwert exakt eingehalten wurde. Weiterhin werden Unsymmetrien der einzelnen Zellen bzw. Blöcke nicht erfasst.considered the total voltage-dependent, previously used in rail vehicles or multi-stage minimum voltage shutdown, so have the known Systems have the disadvantage that the discharge current as well as a number of Environmental parameters have no influence on the switch-off value and thus damage can occur through deep discharge of individual cells and blocks, though the specified threshold was met exactly. Continue to be Asymmetry of the individual cells or blocks not recorded.
In stationären Anlagen werden die Batterien mit entsprechendem Aufwand überwacht. Messmodule für die relevanten Parameter der Zelle oder der Blöcke werden elektrisch aufbereitet und in einem zentralen Rechner mittels einer entsprechenden Software ausgewertet. Sinnvollerweise sind diese Systeme mit einem steuerbaren Ladegerät gekoppelt, um ein optimales Gesamtbetriebsregime für den Akkumulator zu gewährleisten.In stationary Systems monitor the batteries with the corresponding effort. Measuring modules for the relevant parameters of the cell or blocks are prepared electrically and in a central computer using appropriate software evaluated. It makes sense to have these systems with a controllable one charger coupled to an optimal overall operating regime for the accumulator to ensure.
Diese Systeme ermöglichen zwar das optimale Laderegime und eine komplexe Überwachung, sind jedoch im Schienenfahrzeug im Fall hoher Entladebeanspruchung durch den hohen Eigenenergieverbrauch ungünstig. Mit dem Ansprechen des Tiefentladeschutzes muss der Verbraucherstrom Werte in der Größenordnung der Entladeströme aufweisen. Diese Entladeströme sind aber in Schienenfahrzeugen aufgrund verschiedener Betriebsregime, wie z. B. Sommer-, Winter-, Tag- und Nachtbetrieb sehr unterschiedlich.This Enable systems the optimal charging regime and complex monitoring, but are in the Rail vehicle in the event of high unloading stress due to the high Own energy consumption unfavorable. With the activation of the deep discharge protection, the consumer current Values of the order of magnitude of the discharge currents exhibit. These discharge currents but are in rail vehicles due to different operating regimes, such as B. Summer, winter, day and night operation very different.
Der Tiefentladeschutz sowie die abgestufte Verbraucherschaltung werden in Schienenfahrzeugen als sicherheitsrelevante Baugruppe mit einem Höchstmass an Zuverlässigkeit und schaltungstechnischer Unabhängigkeit gefordert, damit die Vermeidung von Tiefentladungszuständen sicher gewährleistet ist.The Deep discharge protection as well as the graduated consumer circuit in rail vehicles as a safety-relevant assembly with the highest dimensions in reliability and circuit independence required so that the avoidance of deep discharge conditions is safe guaranteed is.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Batteriespannungsüberwachung zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden, wobei die Tiefentladung von Bleiakkumulatoren mit einem Minimum an schaltungstechnischem Aufwand bei extrem geringem Eigenstrombedarf verhindert wird, wobei bei relativ intakten Batterien eine in relativ kurzer Zeit vorsichgehende Tiefentladung, die mit den bisher bekannten Anordnungen nicht ausgeschlossen und bei der die Gefahr der vorzeitigen Zerstörung der Batterie nicht abgewendet werden kann vermieden wird und die Schaltungsanordnung mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet und mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden kann und der Einsatz dieser Schaltungsanordnung störunanfällig und robust sein soll.The object of the invention is to provide a circuit arrangement and a method for monitoring the battery voltage, with which the disadvantages of the prior art are eliminated, the deep discharge of lead-acid batteries being prevented with a minimum of circuitry outlay with an extremely low internal power requirement, with relatively intact batteries a precautionary deep discharge in a relatively short time, which is not excluded with the previously known arrangements and in which the risk of premature Zer Malfunction of the battery can not be avoided and the circuit arrangement works with high reliability and can be produced at low cost and the use of this circuit arrangement should be robust and robust.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.The Object is by a circuit arrangement according to claim 1 and by a method according to claim 6 solved. Refinements are the subject of the respective dependent claims.
Eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung von Tiefentladezuständen bei Bleibatterien, insbesondere solcher in Hilfsbetriebssystemen von Schienenfahrzeugen, kann insbesondere folgendermaßen ausgestaltet sein: Die Schaltungsanordnung ist ausgestaltet, den Entladestrom, die Gesamtakkumulatorspannung oder Teilspannungen sowie die Elektrolyttemperatur als Abschaltkriterium zu nutzen. Bei einer konkreten Ausgestaltung sind Batterieblöcke über Blocktransmitter und ein in der Batterieleitung eingeschlossener Batteriestromsensor an einer Auswerteschaltung angeschlossen. Die Auswerteschaltung besteht aus Analogwerterfassern, einer logischen Verknüpfungs- und Zeitschaltung sowie Treibern. Die Verknüpfungs- und Zeitschaltung besteht aus Zeitschaltern, aus einer Verknüpfungslogik und einer CAN-BUS Schnittstelle. Nichtnegierte Ausgänge der Analogwerterfasser sind mit einem Setzeingang des ersten Zeitschalters und ein negierter Ausgang der Analogwerterfasser ist mit Blockiereingängen des ersten Zeitschalters verbunden, wobei der Ausgang des letzten Setzeinganges und der Ausgang des letzten Blockiereinganges jeweils mit der Verknüpfungslogik verbunden sind und die Verknüpfungslogik über einen CAN-BUS an ein Leitsystem angeschlossen ist und die Verknüpfungs- und Zeitschaltung über die Treiber und einen Direktbus mit Verbrauchergruppen, Vorwarnsignal und Schauzeichensetzung verbunden sind. Ein Treiber ist zusätzlich mit einem Batteriehauptschütz verbunden. Durch diese Verknüpfungen bestimmen die Spannung, der Strom, die Temperatur sowie der Füllstand der Zellen und das installierte Zeitregime die Hauptkriterien für die Abschaltung, und es wird eine Vorentscheidung für den Tiefentladezustand getroffen.A Circuit arrangement to avoid deep discharge Lead batteries, especially those in auxiliary operating systems from Rail vehicles, can be designed in particular as follows be: The circuit arrangement is designed, the discharge current, the total accumulator voltage or partial voltages as well as the electrolyte temperature to use as a switch-off criterion. With a concrete design are battery blocks via block transmitters and a battery current sensor enclosed in the battery lead connected to an evaluation circuit. The evaluation circuit consists of analog value detectors, a logical link and timer and drivers. The logic and timing circuit consists of Timers, from a logic logic and a CAN-BUS interface. Non-negated exits of the Analog value detectors are with a set input of the first timer and a negated output of the analog value detector is with blocking inputs of the first timer connected, the output of the last set input and the output of the last blocking input with the logic logic are connected and the link logic via a CAN-BUS is connected to a control system and the link and timer over the drivers and a direct bus with consumer groups, warning signal and flagging are connected. A driver is also included a main battery contactor connected. Through these links determine the voltage, current, temperature and level the cells and the installed time regime the main criteria for the shutdown, and a preliminary decision is made for the deep discharge state.
D. h., dass die Blockspannung bzw. Zellenspannung sowie die Elektrolyttemperatur der Zelle oder des Blockes und der Gesamtstrom einer Auswerteschaltung zugeführt werden, wobei die Spannung, der Strom, die Temperatur sowie der Füllstand der Zellen als ein signifikantes Signal die Hauptkriterien für die Abschaltung bestimmen und damit eine Vorentscheidung für den Tiefladezustand getroffen wird.D. that is, the block voltage or cell voltage and the electrolyte temperature the cell or block and the total current of an evaluation circuit supplied the voltage, the current, the temperature and the Level of Cells as a significant signal are the main criteria for shutdown determine and a preliminary decision is made for the low load condition.
Mit dieser Schaltungsanordnung werden folgende Abläufe bestimmt und möglich:
- – Bei Ausfall des Ladekriteriums werden zumindest zwei aufeinanderfolgende, den jeweiligen Verbrauchergruppen zugeordnete Zeitstufen geschaltet, die durch das Tiefentladekriterium der Blocktransmitter priorisiert werden, d. h., dass der zeitliche Ablauf beim Erreichen des Tiefentladezustandes verkürzt oder abgebrochen wird und somit die jeweilige Stufe die entsprechende Verbrauchergruppe abschaltet.
- – Der Tiefentladezustand wird äusserlich durch Schauzeichen signalisiert und vor dem Abschalten des Batteriehauptschützes wird eine Schaltfunktion ausgelöst, durch die das Zugschlusssignal gesetzt wird.
- – Die Wartungsmassnahmen werden durch eine Eingabetastatur der Auswerteschaltung für eine Dokumentation in einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Historienspeicher abrufbar abgelegt.
- – Nach dem Erreichen des Tiefentladezustandes ist der nächste Ladezyklus zwangsweise als Ausgleichsladung ausgeprägt.
- – Über eine Bus-Schnittstellenschaltung kann der Inhalt des Historienspeichers der Auswerteschaltung abgerufen werden.
- – Die Steuerstromversorgung generiert in an sich bekannter Weise Signale zur Datensicherung und danach nimmt die Abschaltung aller Schaltungsteile der Auswerte- und Transmitterschaltung mit Ausnahme eines stromarmen Freigabetriggers vor.
- – Ein Freigabetrigger aktiviert mit dem Erscheinen des richtigen Ausgleichsladestromes eine Zeitschleife für die erforderliche Ausgleichsladezeit und ein Betriebsfreigabesignal erfolgt erst nach Ablauf dieser Zeit.
- – Vor der Abschaltung durch die Merkmale der Tiefentladung wird ein Vorankündigungssignal generiert, das die Ausgabe einer Warnmeldung zum Einleiten einer Normalladung ermöglicht.
- – Nach dem Erreichen des Tiefentladekriteriums wirkt eine Verriegelung bis zum Ende der Ausgleichsladung.
- - If the charging criterion fails, at least two consecutive time stages assigned to the respective consumer groups are switched, which are prioritized by the deep discharge criterion of the block transmitters, i.e. the time sequence is shortened or aborted when the deep discharge state is reached and the respective stage thus switches off the corresponding consumer group.
- - The deep discharge status is indicated externally by indicators and a switching function is triggered before the main battery contactor is switched off, by means of which the train termination signal is set.
- - The maintenance measures are stored on an input keyboard of the evaluation circuit for documentation in a history memory, not shown in the drawing.
- - After the deep discharge state has been reached, the next charging cycle is forced to take the form of a compensating charge.
- - The content of the history memory of the evaluation circuit can be called up via a bus interface circuit.
- - The control power supply generates signals for data backup in a manner known per se and then switches off all circuit parts of the evaluation and transmitter circuit with the exception of a low-current release trigger.
- - With the appearance of the correct equalization charging current, an enable trigger activates a time loop for the required equalization charging time and an operating enable signal only takes place after this time has expired.
- - Before being switched off by the characteristics of deep discharge, a pre-announcement signal is generated which enables the issuing of a warning message to initiate a normal charge.
- - After reaching the deep discharge criterion, a lock is active until the end of the equalization charge.
Für jede Verbrauchergruppe wird im Schienenfahrzeug eine bestimmte Mindestbetriebszeit gefordert. Entsprechend der Schaltungsanordnung werden bei Entladebetrieb (keine Ladung) Zeitschaltungen aktiviert, welche aufeinanderfolgend die Verbraucher der entsprechenden Komfortstufen nach dem Ablauf der erforderlichen Betriebszeit abschalten.For every consumer group a certain minimum operating time is required in the rail vehicle. According to the circuit arrangement during discharge operation (none Charge) timers activated, which sequentially the Consumers of the corresponding comfort levels after the expiry of the Switch off the required operating time.
Die letzte Verbrauchergruppe wird von dem eigentlichen Tiefentladeschutz abgeschaltet. Erreicht eine der Zellen bzw. Blöcke unter Einbeziehung des Gesamtstromes, der Elektrolyttemperatur und der Spannung das akkumulatorspezifische Abschaltkriterium, so erfolgt die Abschaltung aller noch gespeisten Verbraucher. Bevor diese endgültige Abschaltung ausgelöst wird, sendet die Schaltung ein Warnsignal aus, um dem Betreiber eine Reaktion zu ermöglichen (Vorwarnstufe).The last consumer group is switched off by the actual deep discharge protection. If one of the cells or blocks reaches the accumulator-specific switch-off criterion, taking into account the total current, the electrolyte temperature and the voltage, all those that are still supplied are switched off Consumer. Before this final shutdown is triggered, the circuit sends out a warning signal to enable the operator to react (pre-warning level).
Sollten Zeitabläufe der höheren Komfortstufen noch nicht beendet sein, so werden diese durch die Vorwarnstufe beendet.Should timings the higher Comfort levels have not yet ended, they are replaced by the Prewarning stage ended.
Mit dem Abschalten der Tiefentladestufe werden Schauzeichen gesetzt, welche dem Betreiber den Tiefentladezustand signalisieren. Diese Schauzeichen verbrauchen nach dem Setzen keine elektrische Energie. Im Falle der Tiefentladung ist eine Ausgleichsladung erforderlich. Deshalb werden die gesetzten Schauzeichen erst zurückgesetzt, wenn durch die Auswerteschaltung der erforderliche Ausgleichsladestrom über einen entsprechend langen Zeitraum detektiert wird. Nach der Ausgleichsladung werden die einzelnen Verbrauchergruppen wieder freigegeben. Während der Ausgleichsladung werden die Verbraucher von der Batterie getrennt.With when the deep discharge stage is switched off, indicators are set, which signal the deep discharge status to the operator. This Indicators do not consume any electrical energy after setting. In the event of deep discharge, an equalizing charge is required. Therefore the set indicators are only reset, if the required equalization charging current via a is detected for a correspondingly long period of time. After the equalization charge the individual consumer groups released again. During the Equalization charges separate the consumers from the battery.
Die Erfindung kann vorteilhaft vorzugsweise im Bahnbetrieb bei unterschiedlichsten Betriebsregimen, wie Sommer-, Winter-, Tag- und Nachtbetrieb eingesetzt werden.The The invention can advantageously be used in railroad operation with the most varied Operating regimes, such as summer, winter, day and night operation become.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention is based on an embodiment explained in more detail. In the associated drawings demonstrate:
Ein
für die
Fahrzeug-Pufferbatterien typisches Kennlinienfeld zeigt die
Gemäß
Die
Ausgänge
der Blocktransmitter
Gemäß
Die
Die
Auswertung der Signale der Blocktransmitter
Diese
Schaltungsanordnung beinhaltet ein System, mit dem ermöglicht wird,
daß bei
Ausfall des Ladekriteriums zumindest zwei aufeinanderfolgende, den
jeweiligen Verbrauchergruppen I, II, III zugeordnete Zeitstufen
geschaltet werden, die durch das Tiefentladekriterium der Blocktransmitter
- 11
- Batteriekastenbattery box
- 1.11.1
- Batterieblockbattery pack
- 1.21.2
- Batterieblockbattery pack
- 1.31.3
- Blocktransmitterblock transmitter
- 1.41.4
- Blocktransmitterblock transmitter
- 1.51.5
- BatteriestromsensorBattery Current Sensor
- 22
- Auswerteschaltungevaluation
- 2.12.1
-
Messwerterfasser
(für Blocktransmitter
1.3 )Data logger (for block transmitters1.3 ) - 2.2 2.2
-
Messwerterfasser
(für Blocktransmitter
1.4 )Data logger (for block transmitters1.4 ) - 2.32.3
-
Messwerterfasser
(für Batteriestromsensor
1.5 )Data logger (for battery current sensor1.5 ) - 2.42.4
- logische Verknüpfungs- und Zeitschaltunglogical Verknüpfungs- and timer
- 2.4.12.4.1
- CAN-BUS SchnittstelleCAN-BUS interface
- 2.4.22.4.2
- Zeitschalter (t1)Timer (t 1 )
- 2.4.32.4.3
- Zeitschalter (t2)Timer (t 2 )
- 2.4.42.4.4
- Zeitschalter (tn)Timer (t n )
- 2.4.52.4.5
- VerknüpfungslogikO logic
- 2.52.5
- Treiber (für Batterieschütz und Schauzeichensetzung)driver (for battery protection and indicator)
- 2.62.6
- Treiber (für Vorwarnsignal)driver (for pre-warning signal)
- 2.72.7
- Treiber (für Verbrauchergruppen A, B, C)driver (for consumer groups A, B, C)
- 33
- Direktbusdirect bus
- 44
- CAN-BUSCAN-BUS
- 55
- BatteriehauptschützBattery main contactor
- 66
- LeitsystemControl System
- 77
- Ladegerät (mit CAN-Schnittstelle)Charger (with CAN interface)
- 8.18.1
-
Mehrdrahtleitungen
(Blocktransmitter
1.3 ) Multi-wire lines (block transmitter1.3 ) - 8.28.2
-
Mehrdrahtleitungen
(Blocktransmitter
1.4 )Multi-wire lines (block transmitter1.4 ) - 8.38.3
-
Mehrdrahtleitungen
(Batteriestromsensor
1.5 )Multi-wire lines (battery current sensor1.5 ) - 99
- Steuerstromversorgung (mit Energiesparmodus)Control power supply (with energy saving mode)
- 10 10
- Freigabetriggerrelease trigger
- AA
-
nicht
negierter Ausgang (von Messwerterfasser
2.3 )non-negated output (from data logger2.3 ) -
AA -
negierter
Ausgang (von Messwerterfasser
2.3 )negated output (from data logger2.3 ) - RL R L
- Widerstandresistance
- R1R1
- Blockiereingangblocking input
- R2R2
- Blockiereingangblocking input
- SS
- Setzeingangsetting input
- II
- Verbrauchergruppeconsumer group
- IIII
- Verbrauchergruppeconsumer group
- IIIIII
- Verbrauchergruppeconsumer group
Claims (7)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10026835A DE10026835B4 (en) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | Circuit arrangement and method for avoiding deep charge states in lead batteries in battery-buffered electrical systems, in particular in rail vehicles |
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DE10026835B4 true DE10026835B4 (en) | 2004-12-30 |
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R071 | Expiry of right |