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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren
Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, wobei man
die Batteriezelle mit einer Stromquelle verbindet und die Verbindung
in Abhängigkeit
von der an der Batteriezelle anliegenden Zellenspannung unterbricht.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Ladegerät
zur Durchführung
des Verfahrens mit einem Gleichspannungsversorgungskreis, an den
eine wiederaufladbare Batteriezelle über einen Ladekreis anschließbar ist.
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Wiederaufladbare
Batteriezellen kommen in zunehmendem Maße zur Energieversorgung elektrischer
Geräte
einschließlich
elektrisch angetriebener Handwerkzeuge und Reinigungsgeräte zum Einsatz. Insbesondere
Lithium-Ionen-Zellen
eigenen sich zur Energieversorgung, da sie eine verhältnismäßig große Energiedichte
und ein relativ geringes Gewicht aufweisen.
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Zum
Wiederaufladen der Batteriezellen sind verschiedene Ladeverfahren
bekannt. Für
Lithium-Ionen-Zellen kommt vor allem das sogenannte I/U-Ladeverfahren
zum Einsatz. Bei diesem wird in einer ersten Ladephase die Batteriezelle
mit einem konstanten, mittels des Ladegerätes geregelten Strom geladen.
Bei Erreichen einer vorgegebenen Ladeschlussspannung wird die erste
Ladephase beendet, es folgt dann die zweite Ladephase, in der die Batteriezelle
mit einer konstanten Spannung versorgt wird, die ebenfalls geregelt
ist. Der Ladestrom nimmt während
der zweiten Ladephase kontinuierlich ab. Das Ladeverfahren wird
beendet, wenn der Ladestrom einen vorgegebenen minimalen Wert unterschreitet.
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Das
I/U-Ladeverfahren hat sich insoweit bewährt, als damit zuverlässig ein
voll aufgeladener Zustand der Batteriezelle erreicht werden kann,
ohne die Batteriezelle zu beschädigen.
Die Bereitstellung einer Strom- und Spannungsregelung erfordert
allerdings ein aufwändiges
Ladegerät
und ist daher mit einem beträchtlichen
Kostenaufwand verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ladeverfahren und ein Ladegerät der eingangs genannten
Art bereitzustellen, das ein kostengünstigeres Wiederaufladen der
Batteriezelle ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass man den zur Batteriezelle fließenden Ladestrom auf einen
Maximalwert begrenzt und während einer
ersten Ladephase den Ladestrom der Batteriezelle so lange zuführt, bis
die Zellenspannung einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat,
und dass man anschließend
während
einer zweiten Ladephase den Ladestrom der Batteriezelle gepulst
zuführt, wobei
man die Dauer der Strompulse und/oder die Dauer der stromlosen Pulspausen
in Abhängigkeit von
der Zellenspannung bemisst.
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Während einer
ersten Ladephase wird der Batteriezelle kontinuierlich Strom zugeführt, der
auf einen Maximalwert begrenzt wird. Die Zellenspannung steigt während der
ersten Ladephase so weit an, bis ein vorgegebener Wert erreicht
wird. Es wird dann die kontinuierliche Stromzuführung beendet und das weitere
Aufladen der Batteriezelle erfolgt mit gepulstem Ladestrom. Hier bei
wird die Dauer der Strompulse und/oder die Dauer der Pulspausen
in Abhängigkeit
von der Zellenspannung bemessen, die während des Ladevorganges erfasst
wird. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Batteriezelle ohne Beschädigung voll
aufgeladen werden kann, ohne dass ein sehr aufwändiges Ladegerät zum Einsatz
kommen muss.
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Insbesondere
kann man der Batteriezelle den Ladestrom ungeregelt zuführen, so
dass Einrichtungen zur Regelung der Ladespannung und/oder des Ladestroms
vollkommen entfallen können.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bemisst man die Dauer der Strompulse derart, dass man bei Erreichen eines
vorgegebenen Maximalwertes der Zellenspannung den Strompuls jeweils
beendet. Die Zuführung von
Ladestrom zur Batteriezelle erfolgt also jeweils nur so lange, bis
die Zellenspannung einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Ist dies
der Fall, so wird die Stromzufuhr kurzzeitig unterbrochen, um nach
Ablauf einer Pulspause erneut einzusetzen. Während der Pulspause sinkt die
Zellenspannung wieder ab und durch die erneute Zufuhr von Strom
erfolgt wieder ein Anstieg der Zellenspannung, bis bei Erreichen
eines vorgegebenen Wertes die Stromzufuhr erneut unterbrochen wird.
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Die
Dauer der Pulspausen wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
fest vorgegeben.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass für
die gesamte zweite Ladephase eine einheitliche Dauer für die Pulspausen
gewählt
wird.
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Es
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass man die Dauer der Pulspausen
auf 5 Sekunden bis 25 Sekunden bemisst, insbesondere auf einen Wert
von 10 bis 20 Sekunden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine
Pulspause von 15 Sekunden herausgestellt.
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Alternativ
zu einer fest vorgegebenen Dauer für die Pulspausen kann man deren
Dauer auch in Abhängigkeit
von der Zellenspannung bemessen. Insbesondere kann man die Dauer
der Pulspausen derart bemessen, dass man bei Erreichen eines vorgegebenen
Minimalwertes der Zellenspannung die Pulspause beendet. Die Zellenspannung
sinkt während
der Unterbrechung der Stromzufuhr allmählich wieder ab. Erreicht die
Zellenspannung einen vorgegebenen Minimalwert, der beispielsweise
95% oder 97% eines vorgegebenen Maximalwertes betragen kann, so
wird die Stromunterbrechung beendet und der Batteriezelle erneut
Ladestrom zugeführt.
Mit zunehmendem Ladezustand verläuft
der Rückgang
der Zellenspannung während
der Pulspausen immer langsamer, so dass die Dauer der Pulspausen
bei einer derartigen Verfahrensweise zunimmt. Das Ladeverfahren
kann beendet werden, wenn die Dauer der Pulspause einen vorgegebenen
Maximalwert überschreitet.
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Wird
die Dauer der Strompulse in Abhängigkeit
von der Zellenspannung bemessen, so ist es vorteilhaft, wenn man
den Ladevorgang beendet, wenn die Dauer der Strompulse einen Minimalwert
unterschreitet. Mit zunehmendem Ladezustand wird bei einer Stromzufuhr
in immer kürzerer
Zeit ein vorgegebener Maximalwert der Zellenspannung erreicht, das
heißt
die Pulsdauer wird immer kürzer.
Hat die Dauer der Strompulse einen vorgegebenen Minimalwert unterschritten,
so kann das Ladeverfahren beendet werden.
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Der
Minimalwert der Dauer der Strompulse beträgt vorzugsweise weniger als
5 Sekunden, insbesondere weniger als 2 Sekunden. Als besonders vorteilhaft
hat sich ein Minimalwert der Dauer der Strompulse von einer Sekunde
herausgestellt.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass man das Ladeverfahren beendet, wenn
die Differenz der Zellenspannungen zu Beginn und am Ende einer Pulspause
einen Minimalwert unterschreitet. Wie bereits erläutert, sinkt
die Zellenspannung, sobald die Zufuhr von Ladestrom an die Batteriezelle
unterbrochen wird. Mit zunehmendem Ladezustand erfolgt das Absinken
der Ladespannung während
einer Pulspause aber immer langsamer, das heißt der Unterschied der Zellenspannungen
zu Beginn und am Ende einer Pulspause verringert sich. Erreicht
der Unterschied der Zellenspannung einen vorgegebenen Minimalwert, so
kann das Ladeverfahren beendet werden.
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Wie
eingangs erwähnt,
betrifft die Erfindung auch ein Ladegerät zur Durchführung des
voranstehend erläuterten
Verfahrens. Das Ladegerät
umfasst einen Gleichspannungsversorgungskreis, an den eine wiederaufladbare
Batteriezelle über
einen Ladekreis anschließbar
ist. Um ein kostengünstiges
Wiederaufladen der Batteriezelle zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass das Ladegerät
ein Strombegrenzungsteil und ein elektrisch steuerbares Schaltteil
aufweist, wobei ein der Batteriezelle zuführbarer Ladestrom mittels des
Strombegrenzungsteils auf einen Maximalwert begrenzbar und mittels
des Schaltteiles ein- und ausschaltbar ist und wobei das Schaltteil
in Abhängigkeit
von der an der Batteriezelle anliegenden Zellenspannung steuerbar ist.
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Die
Batteriezelle kann vom Gleichspannungsversorgungskreis über das
elektrisch steuerbare Schaltteil mit Ladestrom versorgt werden,
solange über
das Schaltteil die Verbindung zum Gleichspannungsversorgungskreis
besteht. Diese Verbindung kann vom elektrisch steuerbaren Schaltteil
unterbrochen werden, und zwar in Abhängigkeit von der an der Batteriezelle
anliegenden Zellenspannung. Der Ladestrom ist mittels des Strombegrenzungsteils
auf einen Maximalwert beschränkt,
d. h. er kann einen Maximalwert nicht überschreiten. Der Maximalwert kann
herstellerseitig vorgegeben sein.
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Das
erfindungsgemäße Ladegerät zeichnet sich
durch einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau aus, insbesondere
können
aufwändige
Regelungseinrichtungen zur Strom- und Spannungsregelung entfallen.
Es ist lediglich erforderlich, den der Batteriezelle zuführbaren
Ladestrom auf einen Maximalwert zu beschränken, um eine Beschädigung der Batteriezelle
zu vermeiden. Der Ladestrom kann der Batteriezelle somit ungeregelt
zugeführt
werden. Während
einer ersten Ladephase kann das steuerbare Schaltteil seinen geschlossenen
Schaltzustand einnehmen, so dass der Batteriezelle Strom zugeführt werden
kann. Die Stromzufuhr wird unterbrochen, wenn die Zellenspannung
einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat. Ist dies der Fall,
so erfolgt ein Übergang
in einen Pulsbetrieb dergestalt, dass das Schaltteil fortlaufend
zwischen seinem geschlossenen und seinem geöffneten Schaltzustand pendelt. Die
Dauer der Schaltzustände
kann in Abhängigkeit von
der an der Batteriezelle anliegenden Zellenspannung gesteuert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ladegerätes weist
dieses eine mit dem Schaltteil verbundene Steuereinrichtung auf, wobei
die an der Batteriezelle abfallende Zellenspannung von der Steuereinrichtung erfassbar
und in Abhängigkeit
von der erfassten Zellenspannung mittels der Steuereinrichtung das
Schaltteil steuerbar ist.
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Die
Steuereinrichtung ist bei einer bevorzugten Ausführungsform programmierbar.
Dies gibt die Möglichkeit,
der Steuereinrichtung beispielsweise einen bestimmten Maximalwert
der Zellenspannung vorzugeben. Wird dieser Maximalwert erreicht,
so kann die Stromzufuhr unterbrochen werden. Der Maximalwert der
Zellenspannung kann bei einer Lithium-Ionen-Zelle 4,2 V betragen.
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Bevorzugt
ist die Steuereinrichtung als Mikrocomputer ausgestaltet. Sie kann
in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sein.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn der Ladekreis eine Verbindungsleitung
aufweist, über
die eine Elektrode der Batteriezelle direkt mit einem Ausgang des
Gleichspannungskreises verbindbar ist.
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Der
Gleichspannungsversorgungskreis kann beispielsweise einen Spannungswandler
und einen Gleichrichter umfassen. Zusätzlich können noch Glättungselemente,
insbesondere Kondensatoren, vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
ist der Spannungswandler als Transformator ausgestaltet. Der Transformator
kann das Strombegrenzungsteil ausbilden. Der Transformator kann
hierzu derart ausgestaltet sein, das er nur einen begrenzten Strom
abgeben kann. Beispielsweise kann zwischen den Kernen der Primärwicklung und
der Sekundärwicklung
des Transformators ein relativ breit gewählter Luftspalt vorgesehen
sein, so dass der Transformator einen eher geringen Kopplungsfaktor
aufweist.
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Alternativ
oder ergänzend
kann ein Strombegrenzungsteil in Form eines Ohmschen Widerstandes
zum Einsatz kommen.
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Das
Strombegrenzungsteil kann in Reihe am steuerbaren Schaltteil geschaltet
sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Gleichspannungsversorgungskreis
einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf, an die die Batteriezelle über eine
erste Verbindungsleitung und eine zweite Verbindungsleitung angeschlossen
ist. In die erste Verbindungsleitung kann ein Strombegrenzungsteil,
beispielsweise ein Ohmscher Widerstand, geschaltet sein. Vorzugsweise
in Reihe zum Strombegrenzungsteil kann das elektrisch steuerbare Schaltteil
geschaltet sein, mit dessen Hilfe die Verbindung zwischen dem Gleichspannungsversorgungskreis
und der Batteriezelle in Abhängigkeit
von der an der Batteriezelle abfallenden Spannung wahlweise hergestellt
und unterbrochen werden kann.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.
Es zeigen:
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1:
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ladegerätes;
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2:
eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Ladestroms
und der Zellenspannung während
einer ersten Ladephase und
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3:
eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Ladestroms
und der Zellenspannung während
einer zweiten Ladephase.
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In 1 ist
schematisch ein erfindungsgemäßes Ladegerät dargestellt,
das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegt ist. Es umfasst
einen Gleichspannungsversorgungskreis 12 und einen Ladekreis 14.
Der Gleichspannungsversorgungskreis 12 weist einen Spannungswandler
in Form eines Transformators 16 auf, der primärseitig
mit einem ersten Eingang 17 und einem zweiten Eingang 18 des
Ladegerätes 10 und
sekundärseitig
mit einem Brückengleichrichter 20 verbunden
ist. Der Brückengleichrichter 20 weist
einen ersten Ausgang 21 und einen zweiten Ausgang 22 auf,
an die der Ladekreis 14 angeschlossen ist.
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Der
Ladekreis 14 umfasst eine erste Verbindungsleitung 24,
die den ersten Ausgang 21 des Brückengleichrichters 20 mit
einem ersten Batterieanschluss 26 verbindet, und eine zweite
Verbindungsleitung 28, die den zweiten Ausgang 22 des
Brückengleichrichters 20 mit
einem zweiten Batterieanschluss 30 verbindet. An die beiden
Batterieanschlüsse 26 und 30 kann
eine wiederaufzuladende Batteriezelle 32, wie in 1 dargestellt,
angeschlossen werden. In die erste Verbindungsleitung 24 ist
ein elektrisch steuerbares Schaltteil 36 geschaltet, mit
dessen Hilfe die Verbindung zwischen der Batteriezelle 32 und
dem Gleichspannungsversorgungskreis 12 wahlweise hergestellt
und unterbrochen werden kann.
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Zur
Steuerung des Schaltteils 36 weist der Ladekreis 14 eine
Steuereinrichtung in Form eines Mikrocomputers 38 auf,
der über
eine Steuerleitung 39 mit einem Steuereingang 40 des
Schaltteiles 36 verbunden ist. Der Mikrocomputer 38 greift
mittels einer ersten Messleitung 42 und einer zweiten Messleitung 43 die
zwischen den Batterieanschlüssen 26 und 30 und
damit an der Batteriezelle 32 abfallende Zellenspannung
ab. In Abhängigkeit
von der Zellenspannung steuert der Mikrocomputer 38 das
Schaltteil 36.
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Über die
beiden Eingänge 17 und 18 kann das
Ladegerät 10 mit
einer Netzspannung versorgt werden, die dann vom Transformator 16 transformiert und
vom Brückengleichrichter 20 gleichgerichtet wird.
Der Gleichspannungsversorgungskreis 12 stellt somit an
seinen beiden Ausgängen 21 und 22 eine Gleichspannung
bereit zum Wiederaufladen der Batteriezelle 32. Hierbei
wird während
einer ersten Ladephase die Batteriezelle 32 fortlaufend
mit Ladestrom versorgt. Der Transformator 16 kann nur einen
begrenzten Ladestrom abgeben und bildet dadurch ein Strombegrenzungsteil.
Ergänzend
kann ein in 1 gestrichelt dargestellter
Ohmscher Widerstand 34 zum Einsatz kommen, der in Reihe
zum Schaltteil 36 geschaltet ist und ebenfalls als Strombegrenzungsteil
für den
Ladestrom wirkt. Ausgehend vom ersten Ausgang 21 fließt der Ladestrom über das
Schaltteil 36 zur Batteriezelle 32 und von dieser
zurück
zum zweiten Ausgang 22. Der Ladestrom wird vom Transformator 16 und/oder
vom Ohmschen Widerstand 34 auf einen Maximalwert begrenzt.
In der ersten Ladephase befindet sich das Schaltteil 36 im
geschlossenen Schaltzustand. Der Verlauf des Ladestroms und der
Zellenspannung während
der ersten Ladephase ist in 2 schematisch
dargestellt. Es wird deutlich, dass der Ladestrom während der
ersten Ladephase ausgehend von einem Maximalwert all mählich absinkt
und dass gleichzeitig die Zellenspannung ansteigt. Erreicht die
Zellenspannung einen Maximalwert Umax, so
geht das Schaltteil aufgrund eines entsprechenden Steuersignals
des Mikrocomputers 38 in seinen geöffneten Schaltzustand über. Die
erste Ladephase ist damit abgeschlossen. Anschließend wird
der Ladestrom der Batteriezelle 32 gepulst zugeführt. Der
Verlauf des Ladestroms und der Zellenspannung während der zweiten Ladephase
ist in 3 schematisch dargestellt.
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Die
Dauer der Strompulse verringert sich während der zweiten Ladephase
allmählich,
wohingegen die Dauer der Pulspausen im dargestellten Ausführungsbeispiel
fest vorgegeben ist und 15 Sekunden beträgt. Die Zellenspannung, dies
wird aus 3 deutlich, erhöht sich
während
eines Strompulses, der so lange andauert, bis die Zellenspannung den
vorgegebenen Maximalwert Umax erreicht hat. Anschließend wird
die Stromzufuhr für
die Dauer einer Pulspause wieder unterbrochen. Während dieser Zeit sinkt die
Zellenspannung, um anschließend
während
eines erneuten Strompulses wieder anzusteigen. Mit zunehmendem Ladezustand
der Batteriezelle 32 sinkt die Zellenspannung während einer
Pulspause immer weniger ab und der Anstieg der Batteriespannung
während
eines Strompulses auf den vorgegebenen Maximalwert Umax erfolgt
in immer kürzerer
Zeit. Der vorgegebene Maximalwert beträgt 4,2 V.
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Während der
zweiten Ladephase verkürzt sich
also zunehmend die Dauer der Strompulse. Unterschreitet die Strompulsdauer
einen vorgegebenen Minimalwert tmin, so
wird der Ladevorgang beendet, das heißt das Schaltteil 36 verbleibt
anschließend dauerhaft
in seinem geöffneten
Schaltzustand. Damit wird eine Überladung
der Batteriezelle 32 vermieden. Der Minimalwert tmin kann beispielsweise 1 Sekunde betragen.
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Das
Ladegerät 10 weist
einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau auf. Die gepulste Stromzufuhr in
Abhängigkeit
von der Zellenspannung ermöglicht es,
die Batteriezelle 32, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle,
aufzuladen, ohne dass der Ladestrom und/oder die Ladespannung geregelt
werden müssten.
Es ist lediglich dafür
Sorge zu tragen, dass der Ladestrom einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.