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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen allgemein ein Elektroantriebssystem.
Insbesondere betreffen Ausführungsformen des Gegenstands
Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung mehrerer Energiequellen
für das Elektroantriebssystem, wobei die Energiequellen unterschiedliche
Betriebskennlinien aufweisen.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich
immer weiterentwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils
zu wesentlichen Veränderungen bei der Konstruktion von
Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Leistungsverwendung und die Komplexität der
verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere
Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro-
und Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Batterien
werden typischerweise verwendet, um einen Speicher für
elektrische Leistung in den meisten Elektro- und hybriden Elektrofahrzeugen
bereitzustellen. Die Batterietechnologie ist bekannt und auch ihre
Mangel sind wohlverstanden. Ein praktischer Mangel besteht darin,
dass ein gegebener Batterietyp nur für gewisse Betriebsbedingungen
geeignet sein kann. Zum Beispiel sind einige Batterien für einen
Betrieb bei niedrigen Temperaturen geeignet und für einen
Betrieb bei hohen Temperaturen nicht geeignet, während
andere für einen Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet
sind und für einen Betrieb bei niedrigen Temperaturen nicht
geeignet sind. Es ist daher eine technologische Herausforderung, über
eine einzige Batterie zu verfügen, die bei sehr niedrigen
Temperaturen und bei relativ hohen Temperaturen gut arbeitet, welche
für gewöhnlich mit dem Betrieb von Elektro- und
hybriden Elektrofahrzeugen verknüpft sind.
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Als
ein weiteres Beispiel arbeiten einige Batterien am besten, wenn
sie schnelle Hochleistungsimpulse liefern, während andere
Batterien am besten arbeiten, wenn Sie eine niedrigere Leistung über
eine längere Zeitspanne liefern. Diesbezüglich
sind Lithium-Ionen-Batterien für Hochenergieanwendungen ausreichend,
welche eine kontinuierliche Leistung über eine Zeitspanne
benötigen, aber sie haben Schwierigkeiten beim Bereitstellen
von Leistungsimpulsen über eine kurze Zeitspanne. Somit
können Lithium-Ionen-Batterien bei einer Elektro- oder
Hybridfahrzeuganwendung Leistung in angemessener Weise bereitstellen,
sobald das Fahrzeug fährt, aber sie haben Schwierigkeiten
beim Liefern von Leistung für Ereignisse mit kurzer Dauer,
wie etwa Beschleunigung und Kaltstart. Andererseits wurden als eine
Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien Nickelmetallhybrid(NiMH)-
und Bleisäurebatterien für hybride Elektrofahrzeuge
untersucht. Obwohl diese Batterien genügend Leistung zur
Bewältigung von Spitzenlasten bereitstellen können,
senkt eine derartige Verwendung ihren Lebenszyklus dramatisch. Somit
ist es auch eine technologische Herausforderung, über eine
einzige Batterie zu verfügen, die sowohl Energie- als auch
Leistungskennlinien für Elektro- und hybride Elektrofahrzeuganwendungen
zeigt.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein doppelseitiges Wechselrichtersystem für einen
AC-Elektroantriebsmotor eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das doppelseitige
Wechselrichtersystem umfasst eine erste Energiequelle, der erste
Betriebskennlinien zugeordnet sind, und eine zweite Energiequelle,
der zweite Betriebskennlinien zugeordnet sind, wobei sich die ersten
Betriebskennlinien und die zweiten Betriebskennlinien unterscheiden.
Das System umfasst auch ein erstes Wechselrichteruntersystem, das
mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist, und ein zweites Wechselrichteruntersystem,
das mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist. Die zwei Wechselrichteruntersysteme sind
ausgestaltet, um den AC-Elektroantriebsmotor anzutreiben. Das System
umfasst auch einen Controller, der mit dem ersten Wechselrichteruntersystem und
dem zweiten Wechselrichteruntersystem gekoppelt ist. Der Controller
ist ausgestaltet, um einen Betrieb des ersten Wechselrichteruntersystems
und des zweiten Wechselrichteruntersystems zu beeinflussen, um einen
Leistungstransfer zwischen der ersten Energiequelle, der zweiten
Energiequelle und dem AC-Elektroantriebsmotor zu verwalten.
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Es
wird auch ein doppelseitiges Wechselrichtersystem für ein
Fahrzeug bereitgestellt. Das doppelseitige Wechselrichtersystem
umfasst: einen AC-Elektroantriebsmotor mit einem Satz von Wicklungen,
wobei jede Wicklung in dem Satz von Wicklungen ein erstes Ende und
ein zweites Ende aufweist; eine Niedertemperatur-Energiequelle mit
einem relativ niedrigen Nennbetriebstemperaturbereich; ein erstes
Wechselrichteruntersystem, das mit der Niedertemperatur-Energiequelle
gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den AC-Elektroantriebsmotor
anzutreiben, wobei das erste Ende jeder Wicklung in dem Satz von
Wicklungen mit dem ersten Wechselrichteruntersystem gekoppelt ist;
eine Hochtemperatur-Energiequelle mit ei nem relativ hohen Nennbetriebstemperaturbereich;
und ein zweites Wechselrichteruntersystem, das mit der Hochtemperatur-Energiequelle
gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den AC-Elektroantriebsmotor
anzutreiben, wobei das zweite Ende jeder Wicklung in dem Satz von Wicklungen
mit dem zweiten Wechselrichteruntersystem gekoppelt ist.
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Es
wird auch eine weitere Ausführungsform eines doppelseitigen
Wechselrichtersystems für ein Fahrzeug bereitgestellt.
Dieses System umfasst einen AC-Elektroantriebsmotor mit einem Satz
von Wicklungen, wobei jede Wicklung in den Satz von Wicklungen ein
erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. Das System umfasst auch
ein Leistungsbatterie-Untersystem mit einer relativ hohen Spannung
und einer relativ niedrigen Amperestundenklassifizierung, und ein
Energiebatterie-Untersystem mit einer relativ mittleren bis hohen
Spannung und einer relativ hohen Amperestundenklassifizierung. Das System
verwendet ein erstes Wechselrichteruntersystem, das mit dem Leistungsbatterie-Untersystem gekoppelt
ist und ausgestaltet ist, um den AC-Elektroantriebsmotor anzutreiben,
wobei das erste Ende jeder Wicklung in dem Satz von Wicklungen mit
dem ersten Wechselrichteruntersystem gekoppelt ist, und es verwendet
ein zweites Wechselrichteruntersystem, das mit dem Energiebatterie-Untersystem
gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den AC-Elektroantriebsmotor
anzutreiben, wobei das zweite Ende jeder Wicklung in dem Satz von
Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichteruntersystem gekoppelt ist.
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Diese
Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten,
welche in der genauen Beschreibung weiter beschrieben werden, in einer
vereinfachten Form vorzustellen. Diese Zusammenfassung ist nicht
dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale
des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie als
ein Hilfs mittel bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten
Gegenstands verwendet werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis des Gegenstands kann durch Bezugnahme
auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung
mit den folgenden Figuren erreicht werden, wobei in den Figuren
gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs, das
eine Ausführungsform eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
beinhaltet;
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2 ist
eine Schaltplandarstellung einer ersten Ausführungsform
eines doppelseitigen Wechselrichtersystems, das zur Verwendung mit
einem Elektro- oder hybriden Elektrofahrzeug geeignet ist; und
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3 ist
eine Schaltplandarstellung einer zweiten Ausführungsform
eines doppelseitigen Wechselrichtersystems, das zur Verwendung mit
einem Elektro- oder hybriden Elektrofahrzeug geeignet ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein veranschaulichender Natur
und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder
die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen
zu beschränken. Bei der Verwendung hierin bedeutet das
Wort ”beispielhaft” ”als ein Beispiel,
eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend”. Jede
hierin als beispielhaft beschriebene Implementierung ist nicht unbedingt
als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen
anzusehen. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch
irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die
in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung
oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Techniken
und Technologien können hierin mit Hilfe von funktionalen
und/oder logischen Blockkomponenten und mit Bezug auf symbolische
Darstellungen von Operationen, Verarbeitungsaufgaben und Funktionen
beschrieben sein, die von verschiedenen Rechenkomponenten oder Einrichtungen
ausgeführt werden können. Der Kürze wegen
kann es sein, dass herkömmliche Techniken mit Bezug auf Gleichrichter/Wechselrichter,
die im Folgenden nur als Wechselrichter bezeichnet werden, eine
AC-Motorsteuerung, den Betrieb eines Elektro- und hybriden Elektrofahrzeugs
und weitere funktionale Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten
der Systeme) hierin nicht im Detail beschrieben sind. Darüber
hinaus sind die Verbindungslinien, die in den verschiedenen hierin
enthaltenen Figuren gezeigt sind, zur Darstellung beispielhafter
funktionaler Beziehungen und/oder physikalischer Kopplungen zwischen
den verschiedenen Elementen gedacht. Es wird angemerkt, dass viele
alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder
physikalische Verbindungen bei einer Ausführungsform des Gegenstands
vorhanden sein können.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder
Merkmale, die miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind.
Bei der Verwendung hierin bedeutet ”verbunden”,
sofern es nicht ausdrücklich anderweitig angegeben ist,
dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal
direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar
nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet ”gekoppelt”,
sofern es nicht ausdrücklich anderweitig angegeben ist,
dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal
direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert),
und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Obwohl die in 1 gezeigte
schematische Zeichnung eine beispielhafte Anordnung von Elementen
darstellt, können daher zusätzliche dazwischenkommende
Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer Ausführungsform des
dargestellten Gegenstands vorhanden sein.
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Mit
Bezug auf 1–3 ermöglicht
eine beispielhafte Ausführungsform, welche ein doppelseitiger
Wechselrichter ist, dass ein einziger Elektromotor von zwei unterschiedlichen
Leistungsquellen angetrieben wird. Dies kann nützlich sein,
wenn es zwei Leistungsquellen mit unterschiedlichen Betriebskennlinien,
Klassifizierungen, optimierten Betriebsbedingungsbereichen, Temperaturbereichen oder
dergleichen gibt. Ein Beispiel wäre ein Lithium-Ionen-Batteriestapel
mit einem begrenzten Temperaturbereich, der es erforderlich macht,
dass der Batteriestapel in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs montiert
wird. Ein Verwenden des doppelseitigen Wechselrichters mit einer
zusätzlichen Leistungsquelle mit einem breiteren Temperaturbereich
ermöglicht einen Betrieb jenseits der Grenzen des Lithium-Ionen-Batteriestapels,
speziell bei Kalt- oder Warmstarts, wenn der Batteriestapel für
eine lange Zeit thermisch durchdrungen wurde und eine Fahrgastzellenheizung/-kühlung
die Temperatur des Batteriestapels nicht in seinen normalen Betriebsbereich bewegt
hat.
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Der
doppelseitige Wechselrichter kann daher verwendet werden, um zwei
Batterien mit unterschiedlichen Betriebstemperaturbereichen zu kombi nieren.
Zum Beispiel kann ein Lithium-Ionen-Batteriestapel mit einem relativen
hohen Nennbetriebstemperaturbereich von –20°C
bis +80°C zusammen mit einer Bleisäurebatterie
mit einem relativ niedrigen Nennbetriebstemperaturbereich von –40°C
bis +95°C verwendet werden. Bei Kaltstarts unter –20°C kann
die Bleisäurebatterie den Motor betreiben, bis sich die
Lithium-Ionen-Batterie erwärmt hat. Bei alternativen Ausführungsformen
kann das doppelseitige Wechselrichtersystem mit anderen Energiespeichereinrichtungen
verwendet werden, die unterschiedliche Betriebstemperaturbereiche
aufweisen, wie etwa verschiedenen Typen von Ultrakondensatoren.
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Durch
ein Kombinieren einer Batterie mit einem breiteren Temperaturbereich
mit einer Batterie mit einem begrenzten Temperaturbereich kann der Gesamtbetriebstemperaturbereich
des Systems erweitert werden. Der doppelseitige Wechselrichter ist ein
sehr guter Weg zur Kombination zweier Leistungsquellen mit niedrigen
Kosten und auch zur Bereitstellung einer Batterielade- und Ladezustandsregelung
(SOC-Regelung) ohne zusätzliche Kosten.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein doppelseitiger
Wechselrichter ausgestaltet, um es einem einzigen Elektromotor zu ermöglichen,
von zwei unterschiedlichen Leistungsquellen mit verschiedenen Energieentlade/-ladekennlinien
angetrieben zu werden. Dies kann nützlich sein, wenn es
gewünscht ist, zwei verschiedene Batterien zu verwenden,
anstelle die Leistungsfähigkeit mit einer einzigen Batterie
zu beeinträchtigen. Somit kann durch die doppelseitige
Wechselrichtertopologie eine Energiebatterie mit einer Leistungsbatterie gekoppelt
werden.
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Zum
Beispiel kann eine Lithium-Ionen-Batterie kontinuierliche Lastanforderungen
handhaben (welche auftreten, wenn das Fahrzeug mit einer in etwa
stetigen Geschwindigkeit fährt). Die Verwendung eines doppelseitigen
Wechselrichters mit einer Bleisäurebatterie als der sekundären
Leistungsquelle wird Leistung für Spitzenleistungsereignisse
mit kurzer Dauer, wie etwa eine Beschleunigung, liefern. Dies wird
den Bedarf für eine einzige Batterie mit kombinierten Energie-
und Leistungskennlinien wesentlich verringern oder beseitigen.
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Diese
Ausführungsform weist zahlreiche Vorteile auf. Zum Beispiel
kombiniert sie zwei Typen von Batterien, verwaltet beide Batteriestapel,
verringert den Bedarf für eine einzige Batterie mit kombinierten
Energie- und Leistungskennlinien wesentlich oder beseitigt ihn und
ermöglicht die Verwendung existierender Batterietechnologien.
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Insbesondere
ist mit Bezug auf 1 eine schematische Darstellung
eines beispielhaften Fahrzeugs 100 dargestellt. Das Fahrzeug 100 enthält
vorzugsweise eine Ausführungsform eines doppelseitigen
Wechselrichtersystems, wie es nachstehend genauer beschrieben wird.
Das Fahrzeug 100 umfasst allgemein ein Chassis 102,
eine Karosserie 104, vier Räder 106 und
ein elektronisches Steuerungssystem 108. Die Karosserie 104 ist
auf dem Chassis 102 angeordnet und umhüllt im
Wesentlichen die anderen Komponenten des Fahrzeugs 100.
Die Karosserie 104 und das Chassis 102 können
gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 106 sind
in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 104 jeweils
mit dem Chassis 102 drehbar gekoppelt.
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Das
Fahrzeug 100 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener
Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie zum Beispiel eine Limousine,
ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann
ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb),
ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das
Fahrzeug 100 kann auch einen be liebigen oder eine Kombination
aus einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen und/oder Antriebssystemen
beinhalten, wie zum Beispiel eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine,
die Maschine eines ”Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff” (FFV,
FFV von Flex Fuel Vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin
und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen Gemisch
(z. B. Wasserstoff und Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride
Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor.
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Bei
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
ist das Fahrzeug 100 ein vollständiges Elektro-
oder ein hybrides Elektrofahrzeug und das Fahrzeug 100 umfasst
ferner einen Elektromotor (oder Antriebsmotor) 110, eine
erste Energiequelle 112, der erste Betriebskennlinien zugeordnet
sind, eine zweite Energiequelle 114, der zweite Betriebskennlinien
zugeordnet sind, ein doppelseitiges Wechselrichtersystem 116 und
einen Radiator 118. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen
sind die erste Energiequelle 112 und die zweite Energiequelle 114 Batterien
mit unterschiedlichen Typen, Klassen, Kategorien, Klassifizierungen
etc. Tatsächlich ist das doppelseitige Wechselrichtersystem 116 geeignet
derart ausgestaltet, dass die ersten Betriebskennlinien der ersten
Energiequelle 112 verschieden von (und möglicherweise
nicht kompatibel mit) den zweiten Betriebskennlinien der zweiten
Energiequelle 114 sein können. Wie gezeigt ist,
stehen die erste Energiequelle 112 und die zweite Energiequelle 114 in
wirksamer Verbindung mit dem elektronischen Steuerungssystem 108 und
dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 116 und/oder sind
mit diesen elektrisch verbunden. Es wird auch angemerkt, dass das
Fahrzeug 100 bei der dargestellten Ausführungsform
keinen Gleichstrom/Gleichstrom-Leistungswandler (DC/DC-Leistungswandler) als
einen integralen Bestandteil des Antriebs/Vortriebsystems des Fahrzeugs
enthält.
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Bei
einer Ausführungsform ist der Motor 110 ein dreiphasiger
Wechselstrom-Elektroantriebsmotor (AC-Elektroantriebsmotor). Wie
in 1 gezeigt ist, kann der Motor 110 auch
ein Getriebe umfassen oder damit derart zusammenwirken, dass der
Motor 110 und das Getriebe mit wenigstens einigen der Räder 106 durch
eine oder mehrere Antriebswellen 120 mechanisch gekoppelt
sind. Der Radiator 118 ist mit dem Rahmen an einem äußeren
Abschnitt desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht
ist, mehrere Kühlkanäle, die ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel), wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol
(d. h. Frostschutz) enthalten. Der Radiator 118 ist mit
dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 116 und dem Motor 110 zum
Zweck des Leitens des Kühlmittels an diese Komponenten gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform empfängt das doppelseitige
Wechselrichtersystem 116 ein Kühlmittel und teilt
dieses mit dem Motor 110. Bei anderen Ausführungsformen
kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 116 luftgekühlt
sein.
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Das
elektronische Steuerungssystem 108 steht in wirksamer Verbindung
mit dem Motor 110, der ersten Energiequelle 112,
der zweiten Energiequelle 114 und dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 116.
Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das elektronische
Steuerungssystem 108 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule
oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul
(d. h. den in 2 und 3 gezeigten
Controller) und einen Fahrzeugcontroller, und mindestens einen Prozessor
und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren
Medium) gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren
wie nachstehend beschrieben auszuführen.
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2 ist
eine Schaltplandarstellung einer Ausführungsform eines
doppelseitigen Wechselrichtersystems 200, das zur Verwendung
mit einem Elektro- oder einem hybriden Elektrofahrzeug geeignet ist.
Bei gewissen Ausführungsformen kann das (in 1 gezeigte)
doppelseitige Wechselrichtersystem 116 auf diese Weise
implementiert sein. Wie in 2 dargestellt
ist, ist das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 mit
einem AC-Elektroantriebsmotor 202, einem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 und
einem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 gekoppelt
und arbeitet mit diesen zusammen. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 umfasst
allgemein, ohne es zu beschränken: ein erstes Wechselrichteruntersystem 208,
das mit dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 gekoppelt
ist; ein zweites Wechselrichteruntersystem 210, das mit
dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 gekoppelt ist,
und einen Controller 212, der mit dem ersten Wechselrichtersystem 208 und
dem zweiten Wechselrichtersystem 210 gekoppelt ist. Obwohl
es in 2 nicht gezeigt ist, können jeweilige
Kondensatoren parallel zu dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 und
dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 gekoppelt sein,
um eine Stromrestwelligkeit im Betrieb zu glätten.
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Das
doppelseitige Wechselrichtersystem 200 ermöglicht
es, dass der AC-Elektroantriebsmotor 202 von verschiedenen
Batterietypen mit weit auseinanderliegenden Nennbetriebstemperaturbereichen
mit Leistung versorgt wird. Diese Topologie ermöglicht
es dem Fahrzeug, bessere Leistungskennlinien verschiedener Batterietypen
auszunutzen, ohne durch die Verwendung einer einzigen Batterie Kompromisse
schließen zu müssen. Bei dieser speziellen Ausführungsform
ist das Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 als ein
Niedertemperaturbatteriestapel realisiert, der einen relativ niedrigen
Nennbetriebstemperaturbereich aufweist. Mit anderen Worten kann
der Niedertemperaturbatteriestapel bei Niedertemperaturbedingungen,
welche den Betrieb des Hochtemperaturbatterie- Untersystems 206 gegenteilig
beeinflussen könnten, dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 200 eine
zuverlässige Betriebsleistung liefern.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst das Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 einen
Bleisäure-Batteriestapel mit einem Nennbetriebstemperaturbereich
von etwa –40°C bis +95°C und einer Nenn-DC-Spannung
von etwa 200–350 Volt (typischerweise etwa 300 Volt). Im
Gegensatz dazu ist das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 als
ein Hochtemperaturbatteriestapel realisiert, der einen relativ hohen
Nennbetriebstemperaturbereich aufweist. Somit kann der Hochtemperaturbatteriestapel
bei hohen Temperaturbedingungen eine zuverlässige Betriebsleistung
an das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 liefern,
die den Betrieb des Niedertemperaturbatterie-Untersystems 204 gegenteilig
beeinflussen könnten. Bei einer Ausführungsform
umfasst das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 einen Lithium-Ionen-Batteriestapel,
der einen Nennbetriebstemperaturbereich von etwa –20°C
bis +80°C und eine Nenn-DC-Spannung von etwa 200 bis 350
Volt (typischerweise etwa 300 Volt) aufweist. Es ist zu beachten,
dass ein Lithium-Ionen-Batteriestapel für Temperaturen
unter etwa –20°C nicht geeignet ist und daher
der Bleisäurebatteriestapel für derart extrem
niedrige Temperaturen besser geeignet ist. Obwohl es keine Anforderung
ist, ist bei der bevorzugten Ausführungsform die Spannung
des Niedertemperaturbatteriestapels in etwa gleich der Spannung
des Hochtemperaturbatteriestapels.
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Bei
gewissen Ausführungsformen ist ein Lithium-Ionen-Batteriestapel
in einer Kabine des Fahrzeugs (z. B. innerhalb der Fahrgastzelle)
angeordnet, sodass er der Heizung und/oder Kühlung der
Kabine ausgesetzt sein kann. Entsprechend kann selbst bei extrem
kalten Umgebungen die Temperatur des Lithium-Ionen-Batteriestapels
unter Verwendung des fahrzeugeigenen Heizungssystems des Host-Fahrzeugs
in seinen Nennbe triebstemperaturbereich gebracht werden. Zudem wird
ein Betrieb des doppelseitigen Wechselrichtersystems 200 die
Temperatur des Lithium-Ionen-Batteriestapels erhöhen, nachdem
das Fahrzeug in kalten Umgebungen gestartet wurde.
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Bei
einer Ausführungsform ist der AC-Elektroantriebsmotor 202 ein
dreiphasiger Motor, der einen Satz von drei Wicklungen (oder Spulen) 214 umfasst,
von denen jede einer Phase des AC-Elektroantriebsmotors 202 entspricht,
wie allgemein verstanden wird. Bei einer Ausführungsform
ist der Neutralpunkt des AC-Elektroantriebsmotors 202 aufgetrennt,
um ihn zu einem dreiphasigen Motor mit sechs Anschlüssen
zu machen. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, umfasst der AC-Elektroantriebsmotor 202 eine
Statoranordnung (welche die Spulen umfasst) und eine Rotoranordnung
(welche einen ferromagnetischen Kern umfasst), wie der Fachmann feststellen
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform umfasst das erste Wechselrichteruntersystem 208 und
das zweite Wechselrichteruntersystem 210 jeweils sechs
Schalter (z. B. Halbleitereinrichtungen, wie etwa Transistoren)
mit antiparallelen Dioden (d. h. die Richtung eines Stroms durch
den Transistorschalter ist entgegengesetzt zu der Richtung eines
zulässigen Stroms durch die jeweilige Diode). Wie gezeigt
ist, sind die Schalter in einem Abschnitt 216 des ersten
Wechselrichteruntersystems 208 in drei Paaren (oder Schenkeln)
angeordnet: Paare 218, 220 und 222. Auf ähnliche
Weise sind die Schalter in einem Abschnitt 224 des zweiten
Wechselrichteruntersystems 210 in drei Paaren (oder Schenkeln)
angeordnet: Paare 226, 228 und 230. Eine
erste Wicklung in dem Satz von Wicklungen 214 ist an entgegengesetzten
Enden derselben zwischen die Schalter des Paars 218 (im Abschnitt 216)
und die Schalter des Paars 226 (im Abschnitt 224)
elektrisch gekoppelt. Eine zweite Wicklung in dem Satz von Wicklungen 214 ist
zwischen die Schalter des Paars 220 (im Abschnitt 216) und
die Schalter des Paars 228 (im Abschnitt 224) gekoppelt.
Eine dritte Wicklung in dem Satz von Wicklungen 214 ist
zwischen die Schalter des Paars 222 (im Abschnitt 216)
und die Schalter des Paars 230 (im Abschnitt 224)
gekoppelt. Somit ist ein Ende jeder Wicklung mit dem ersten Wechselrichteruntersystem 208 gekoppelt
und das entgegengesetzte Ende jeder Wicklung ist mit dem zweiten
Wechselrichteruntersystem 210 gekoppelt.
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Das
erste Wechselrichteruntersystem 208 und das zweite Wechselrichteruntersystem 210 sind ausgestaltet,
um den AC-Elektroantriebsmotor 202 einzeln oder gemeinsam
anzutreiben (in Abhängigkeit von den speziellen Betriebsbedingungen).
Diesbezüglich ist der Controller 212 geeignet
ausgestaltet, um den Betrieb des ersten Wechselrichteruntersystems 208 und
des zweiten Wechselrichteruntersystems 210 zu beeinflussen,
um einen Leistungstransfer zwischen dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204,
dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 und dem AC-Elektroantriebsmotor 202 zu
verwalten. Der Controller 212 spricht auf Befehle an, die
von dem Fahrer des Fahrzeugs erhalten werden (z. B. über
ein Gaspedal), und liefert Steuerungssignale oder -befehle an den
Abschnitt 216 des ersten Wechselrichteruntersystems 208 und
den Abschnitt 224 des zweiten Wechselrichteruntersystems 210,
um den Ausgang der Abschnitte 216 und 224 zu steuern.
Hochfrequente Pulsbreitenmodulationstechniken (PWM-Techniken) können
eingesetzt werden, um die Abschnitte 216 und 224 zu
steuern und die Spannung zu verwalten, die von den Abschnitten 216 und 224 erzeugt
wird.
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Mit
Bezug auch auf 1 wird das Fahrzeug 100 betrieben,
indem Leistung an die Räder 106 über den
AC-Elektroantriebsmotor geliefert wird, welcher seine Betriebsenergie
von dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 und/oder
dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 empfängt.
Um den Motor mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von dem
Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 und dem Hochtemperaturbattere-Untersystem 206 an
das erste Wechselrichteruntersystem 208 bzw. das zweite
Wechselrichteruntersystem 210 bereitgestellt, welche die
DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik allgemein
verstanden wird. Wenn der Motor bei gewissen Ausführungsformen
die maximale Leistungsausgabe des Niedertemperaturbatterie-Untersystems 204 nicht
benötigt, kann die zusätzliche Leistung von dem
Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 verwendet werden, um
das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 aufzuladen.
Wenn der Motor auf ähnliche Weise die maximale Leistung,
die von dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 ausgegeben
wird, nicht benötigt, kann die zusätzliche Leistung
von dem Hochtemperaturbattere-Untersystem 206 verwendet
werden, um das Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 aufzuladen.
Selbstverständlich kann der Controller 212 bei
gewissen Betriebsbedingungen verwendet werden, um den Motor unter
Verwendung von Energie von beiden Energiequellen anzutreiben.
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Im
Betrieb empfängt der Controller
212 einen Drehmomentbefehl
für den AC-Elektromotor
202 und ermittelt, wie
der Leistungsfluss zwischen dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem
204 und
dem ersten Wechselrichteruntersystem
208 und zwischen dem
Hochtemperaturbatterie-Untersystem
206 und dem zweiten
Wechselrichteruntersystem
210 am besten verwaltet werden
kann. Auf diese Weise regelt der Controller
212 auch die
Weise, in welcher das erste Wechselrichteruntersystem
208 und
das zweite Wechselrichteruntersystem
210 den AC-Elektromotor
202 antreiben.
Das doppelseitige Wechselrichtersystem
200 kann beliebige
geeignete Methodiken, Protokolle, Schemata oder Techniken zur Steuerung
verwenden. Zum Beispiel können von dem doppelseitigen Wechselrichtersystem
200 einige
Aspekte der Techniken und Technologien verwendet werden, welche in
den
US-Patenten mit den Nummern
7,154,237 und
7,199,535 beschrieben
sind (beide gehören der General Motors Corporation). Der relevante
Inhalt dieser Patente ist durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Bei
der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Controller 212 auch
geeignet ausgestaltet, um zu regeln, ob das Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 die
primäre Energiequelle ist, ob das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 die
primäre Energiequelle ist, oder ob beide Energie zum Antreiben
des AC-Elektroantriebsmotors 202 beitragen. Zum Beispiel
arbeitet bei gewissen Umständen der Controller 212,
um den AC-Elektroantriebsmotor 202 primär mit
dem Niedertemperaturbatterie-Untersystem 204 anzutreiben,
bis das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 seinen normalen
Betriebstemperaturbereich erreicht hat. Diese Situation tritt auf, wenn
die Temperatur des Hochtemperaturbatterie-Untersystems 206 unter
seinem normalen Betriebsbereich liegt, und wenn die Temperatur des
Niedertemperaturbatterie-Untersystems 204 in seinem normalen
Betriebsbereich liegt. Nachdem das Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 seinen
normalen Betriebstemperaturbereich erreicht hat (z. B. durch Heizen
der Fahrgastzelle des Fahrzeugs oder durch interne Betriebswärme),
kann der Controller 212 den AC-Elektroantriebsmotor 202 primär
mit dem Hochtemperaturbatterie-Untersystem 206 antreiben.
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In
der Praxis kann das Fahrzeug einen Batteriecontroller umfassen,
welcher von dem Controller 212 getrennt oder mit diesem
zusammengebaut sein kann (typischerweise wird er getrennt sein).
Der Batteriecontroller ist geeignet ausgestaltet, um die Temperatur
und die Ladezustandsinformation (zusammen mit weiteren Informationen,
wie etwa einem Zellenausgleich) zu überwachen. Der Batteriecontroller kann
derartige Informationen analysieren und/oder verarbeiten und eine
Leistungskapazität an den Fahrzeugcontroller liefern. Der
Fahrzeugcontroller verarbeitet die von dem Batteriecontroller erhaltene Information
zusammen mit Fahrerbefehlen, um zu ermitteln, wie die Anforderung
des Fahrers am besten erfüllt werden kann und irgendwelche
Untersystemanforderungen, wie etwa ein Leistungsausgleich zwischen
den zwei Energiequellen, erfüllt werden können.
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3 ist
eine Schaltplandarstellung einer alternativen Ausführungsform
eines doppelseitigen Wechselrichtersystems 300, das zur
Verwendung mit einem Elektro- oder hybriden Elektrofahrzeug geeignet
ist. Bei gewissen Ausführungsformen kann das (in 1 gezeigte)
doppelseitige Wechselrichtersystem 116 auf diese Weise
implementiert sein. Wie in 3 dargestellt
ist, ist das doppelseitige Wechselrichtersystem 300 mit
einem AC-Elektroantriebsmotor 302, einem Leistungsbatterie-Untersystem 304 und
einem Energiebatterie-Untersystem 306 gekoppelt und arbeitet
mit diesen zusammen. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 300 umfasst
allgemein, ohne es einzuschränken: ein erstes Wechselrichteruntersystem 308,
das mit dem Leistungsbatterie-Untersystem 304 gekoppelt
ist; ein zweites Wechselrichteruntersystem 310, das mit
dem Energiebatterie-Untersystem 306 gekoppelt ist, und
einen Controller 312, der mit dem ersten Wechselrichteruntersystem 308 und
dem zweiten Wechselrichteruntersystem 310 gekoppelt ist.
Das doppelseitige Wechselrichtersystem 300 ähnelt
dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 200 und der Kürze
wegen werden gemeinsame Elemente, Merkmale und Funktionen in dem
Kontext des doppelseitigen Wechselrichtersystems 300 hier
nicht redundant beschrieben.
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Das
doppelseitige Wechselrichtersystem 300 ermöglicht
es, dass der AC-Elektroantriebsmotor 302 von verschiedenen
Batterietypen, die weit auseinanderliegenden Leistungs/Energielieferungskennlinien
aufweisen, mit Leistung versorgt wird. Diese Topologie ermöglicht
es dem Fahrzeug, bes sere Leistungskennlinien unterschiedlicher Batterietypen auszunutzen,
ohne durch die Verwendung einer einzigen Batterie Kompromisse schließen
zu müssen. Bei dieser speziellen Ausführungsform
weist das Leistungsbatterie-Untersystem 304 als eine relativ hohe
Spannung eine relativ niedrige Amperestundenklassifizierung auf,
während das Energiebatterie-Untersystem 306 eine
relativ mittlere bis hohe Spannung und eine relativ hohe Amperestundenklassifizierung
aufweist. In der Praxis ist das Leistungsbatterie-Untersystem 304 geeignet
ausgestaltet, um Energie bereitzustellen, die zur Unterstützung
von Spitzenleistungsereignissen mit kurzer Dauer benötigt
wird, wie etwa einer Beschleunigung des Fahrzeugs. Im Gegensatz
dazu ist das Energiebatterie-Untersystem 306 geeignet ausgestaltet,
um Energie bereitzustellen, die zur Unterstützung von kontinuierlichen
und in etwa stetigen Lastbedingungen benötigt wird, wie
etwa einem „Fahren” des Fahrzeugs bei einer annähernd
konstanten Geschwindigkeit. Somit kann das Leistungsbatterie-Untersystem 304 bei
einigen Bedingungen einen effektiven Betrieb des AC-Elektroantriebsmotors 302 unterstützen,
und das Energiebatterie-Untersystem 306 kann einen effektiven
Betrieb des AC-Elektroantriebsmotors 302 bei anderen Bedingungen
unterstützen.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst das Leistungsbatterie-Untersystem 304 einen
Bleisäure- oder NiMH-Batteriestapel mit einer DC-Nennspannung von
etwa 200–350 Volt (typischerweise etwa 300 Volt) und mit
einer typischen Energieklassifizierung von etwa 1–2 kWh.
Im Gegensatz dazu kann das Energiebatterie-Untersystem 306 als
ein Lithium-Ionen-Batteriestapel mit einer DC-Nennspannung von etwa
200–350 Volt (typischerweise etwa 300 Volt) und mit einer
typischen Energieklassifizierung von etwa 10–20 kWh realisiert
sein. Obwohl es nicht gefordert ist, ist bei der bevorzugten Ausführungsform die
Spannung des Leistungsbatterie-Untersystems 304 üblicherweise
höher als die Spannung des Energiebatterie- Untersystems 306.
In der Praxis ist die Spannung des Leistungsbatterie-Untersystems 304 typischerweise
nicht größer als das doppelte der Spannung des
Energiebatterie-Untersystems 306.
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Bei
der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Controller 312 geeignet
ausgestaltet, um zu regeln, ob das Leistungsbatterie-Untersystem 304 die
primäre Energiequelle ist, ob das Energiebatterie-Untersystem 306 die
primäre Energiequelle ist, oder ob beide Energie zum Antreiben
des AC-Elektroantriebsmotors 302 beitragen. Zum Beispiel
arbeitet bei gewissen Umständen der Controller 312,
um den AC-Elektroantriebsmotor 302 bei Ereignissen mit kontinuierlicher
Belastung, die einem Betrieb des Fahrzeugs zugeordnet sind, primär
mit dem Energiebatterie-Untersystem 306 anzutreiben. Derartige
Ereignisse mit kontinuierlicher Belastung umfassen ohne eine Einschränkung:
den Betrieb des Fahrzeugs bei einer konstanten Geschwindigkeit;
den Betrieb des Fahrzeugs, während es steht; das Beitragen einer
gewissen Energie bei der Beschleunigung; oder das Aufnehmen einer
gewissen Energie bei Bremsereignissen. Zudem ist der Controller 312 ausgestaltet,
um den AC-Elektroantriebsmotor 302 bei Spitzenleistungsereignissen
von kurzer Dauer, die dem Betrieb des Fahrzeugs zugeordnet sind,
primär mit dem Leistungsbatterie-Untersystem 304 anzutreiben.
Derartige Spitzenleistungsereignisse von kurzer Dauer umfassen ohne
eine Einschränkung: eine Beschleunigung des Fahrzeugs;
das anfängliche Starten des Fahrzeugs; das Bremsen (bei
welchem es wünschenswert sein kann, eine regenerative Bremsenergie
zum Wiederaufladen des Leistungsbatterie-Untersystems 304 zu
verwenden); oder ein Schnellaufladeereignis, das mit einer externen
Aufladeeinrichtung verbunden ist.
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In
der Praxis wird der Fahrzeugcontroller ermitteln, wie das Fahrzeug
am besten betrieben werden kann, um Anforderungen des Fahrers zu
erfül len, während die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
maximiert wird. Er empfangt Eingaben von anderen Steuerungsuntersystemen
in dem Fahrzeug. Der Controller 312 liefert etwas dieser
Informationen, wie etwa was der Motor auf der Grundlage der Temperatur,
der Geschwindigkeit und der verfügbaren Spannung leisten
kann. Der Fahrzeugcontroller kann dann diese Information auf geeignete
Weise verarbeiten und dann den Controller 312 nach Bedarf
anleiten. Auf diese Weise kann der doppelseitige Wechselrichter
gesteuert werden, um verschiedene Betriebsmodi unterzubringen und
wiederum ermitteln, welche Batterie geeigneter ist.
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Die
voranstehend beschriebenen doppelseitigen Wechselrichtertopologien
können verwendet werden, um zwei verschiedene Energiequellen
(z. B. Batterien) mit unterschiedlichen und weit auseinanderliegenden
Betriebskennlinien für einen gesteuerten und verwalteten
Betrieb in Kombination mit einem AC-Antriebsmotor eines Elektro-
oder hybriden Elektrofahrzeugs zu koppeln. Diese doppelseitigen Wechselrichtertopologien
erleichtern die Verwendung existierender und verfügbarer
Batterien auf eine Weise, welche die individuellen Leistungskapazitäten
jeder Batterie besser nutzt.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine
große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen,
dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen,
die hierin beschrieben sind, nicht dazu gedacht sind, den Umfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des beanspruchten Gegenstands
in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die
voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung
zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform oder
Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein,
dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung
von Elementen durchgeführt werden können, ohne
von dem Schutzumfang abzuweichen, der durch die Ansprüche
definiert ist, welcher bekannte Äquivalente und vorhersehbare Äquivalente
zum Zeitpunkt des Einreichens dieser Patentanmeldung umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7154237 [0035]
- - US 7199535 [0035]