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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, die Bewegungsenergie für das Fahrzeug generieren kann; einer Batterie, die Energie für die elektrische Maschine speichern kann; und mindestens einer Steuerung. Sie bezieht sich insbesondere auf batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs), die durch Betrieb eines elektrischen Motors zur Bewegung veranlasst werden können. An externe Energiequellen anschliessbare Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs) können zur Bewegung durch Betrieb eines elektrischen Motors und/oder einen Verbrennungsmotor veranlasst werden. Der elektrische Motor kann in beiden Fällen die elektrische Energie von einer bordeigenen Batterie beziehen. Die Batterie kann mehrere elektrisch in Serie angeschlossene Zellen aufweisen, die mit elektrischer Energie aus einem verfügbaren Netz oder einer anderen Quelle, etc. geladen sind.
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Aus Gründen der Effizienz und Batterie Lebensdauer kann es erwünscht sein, die Zustände der Ladung/Energiegehalt der Batterie-Zellen etwa gleich hoch zu halten. Die Abgabe von Energie an oder Abziehen von Energie aus der Batterie kann aber dazu führen, dass die Ladungs/Energiegehalte der Batterie-Zellen ungleichmässig werden. Die
US5764027A verwendet das selektive Überbrücken (shunt) bereits geladener Zellen, um diese selektiv zu entladen und deren Überlastung beim Laden zu vermeiden mit einer Steuerung, welche diese Schritte automatisch durchführt.
US 5764027 A vermag nicht zu entscheiden, ob das Laden schnell oder langsam erfolgen kann. Dabei ist zu sehen, dass langsames Laden und Entladen sicherer ist, als Schnellladen. Beim langsamen Ent- und Beladen wird die Batterie weniger warm und dies ist somit sicherer und führt zu längeren Lebensdauern der Batterien.
US2010/0121511 A erläutert weitere Möglichkeiten der Batterieüberwachung und Generation von Alarmsignalen bei Malfunktion. Aber auch die
US2010/0121511 A gibt keine Möglichkeit, zwischen dem vorteilhaften langsamen Laden und dem Schnellladen zu wählen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Ungleichgewicht zu vermeiden. Die Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird dies berücksichtigt - Schnellladen wird nur durchgeführt, wenn es notwendig ist, da das Fahrzeug schnell einsatzbereit sein soll. Dagegen wird es langsam geladen, wenn dies möglich ist. Die Erfindung ermöglicht somit einen schonenderen Umgang mit den Batterien
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Ein derartiges Fahrzeug kann einen elektrischen Motor, der Bewegungsenergie für das Fahrzeug generiert, eine Batterie zur Speicherung von Energie für den elektrischen Motor, und mindestens eine Steuerung aufweisen. Die mindestens eine Steuerung kann feststellen, ob die Batterie in einem einzigen Zyklus oder in mehreren Zyklen ausgeglichen werden muss und veranlassen, dass die Batterie entsprechend dieser Bestimmung ausgeglichen wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, auf die sie aber keinesfalls eingeschränkt ist. Darin zeigt:
- 1 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines PHEV; und
- 2 ein Flussdiagramm eines Beispiels für einen Algorithmus, um festzustellen, wie die Batterie der 1 ausgeglichen werden soll.
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Batterieausgleich kann durchgeführt werden, um die Ladungszustands/Energiegehalts-Ungleichgewichte unter den Zellen einer BEV oder PHEV Batterie auszugleichen. Die Zellen mit höherem Ladezustand und die Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand werden bspw. entladen. Alle Zellen können dann mit Energie einer fahrzeugfremden Energiequelle (bspw. verfügbares Stromnetz, etc.) geladen werden
BEV/PHEV Batterieausgleich wird typischerweise schrittweise und während des Ladens des Fahrzeugs durchgeführt(angeschlossen). Bspw. kenn eine Batterie 30 Zellen umfassen. Angenommen, 29 Zellen haben 70% Ladezustand und eine Zelle 60% Ladezustand, dann werden 29 Zellen bspw. auf 68% Ladezustand entladen, danach werden alle Zellen geladen, um alle Zellen-Ladezustände um 2% anzuheben. Nach dem ersten Zyklus werden die 29 Zellen 70% Ladezustand und eine Zelle 62% Ladezustand haben. Die Ladezustände der 29 Zellen werden wieder bspw. auf 68% abgelassen, dann werden alle Zellen wieder geladen, um alle Ladezustände der Zellen um 2% anzuheben. Nach diesem 2. Zyklus, werden die 29 Zellen wieder 70% Ladezustand haben und die eine Zelle wird 64% Ladezustand haben. Durchführung von weiteren 3 derartigen Zyklen wird alle Zellen auf einen Ladezustand von 70% bringen.
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Jeder der o.g. Zyklen kann in einem relativ kurzen Zeitraum (bspw. 5 bis 10 min. oder länger, abhängig von der Batteriekapazität) durchgeführt werden. Aus der Zeitperspektive kann dies unter den Umständen zufriedenstellend sein, wenn unbekannt ist, wie lange das Fahrzeug angeschlossen ist. Der Fahrzeugaktionsradius wird negativ beeinflusst, wenn die Zellen entladen werden. Wenn ein Fahrer das Fahrzeug nach dem Zellenentladen und vor der Zellen-Neuladung von der Energieversorgung trennt, wird die relativ geringe Unterschied im Zellenladezustand eine Verringerung des Fahrzeugaktionsradius minimieren.
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Während schrittweiser Batterieausgleich aus der Zeitperspektive zufriedenstellend erscheinen mag, kann er aus der Effizienzperspektive unzufriedenstellend sein. Schrittweises Laden von Batterie Zellen wird typischerweise mit recht niedrigen Ladungsraten durchgeführt, um Zellenüberladung zu vermeiden. Daher kann es effizienter sein, eine Batterie in einem Einzelzyklus gegenüber mehreren auszugleichen. Einzelzyklen-Laden von Batterie Zellen kann mit relativ hohen Ladungsraten über einen signifikanten Teil der Ladedauer durchgeführt werden. Falls bspw. Batterie Zellen von 60% Ladezustand auf 95% Ladezustand aufgeladen werden sollen, kann eine relativ hohe Ladungsrate zum Laden verwendet werden, um die Zellen von 60% auf 83% zu laden. Eine relativ niedrige Ladungsrate kann dann zur Ladung der Zellen von 83% auf 95% eingesetzt werden.
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Bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen können einen Alarm veranlassen, der anzeigt, dass Batterieausgleich empfohlen wird. Wenn der Fahrer eine geeignete Eingabe auf den Alarm liefert, kann die Batterie in einem Zyklus gegenüber mehreren ausgeglichen werden. Wenn der Fahrer nicht die geeignete Eingabe auf den Alarm liefert, kann die Batterie in mehreren schrittweisen Zyklen gegenüber einem, ausgeglichen werden. Die Strategie ermöglicht es dem Fahrer, geeignete Fahrzeug Steuerungen über die für das Ausgleichen verfügbare Zeit zu informieren. Wenn viel Zeit für den Ausgleich verfügbar ist, bspw. das Fahrzeug über Nacht geladen wird, kann der Fahrer auf den Alarm reagieren und die Batterie in einem Zyklus ausgeglichen werden. Andernfalls kann die Batterie in mehreren schrittweisen Zyklen ausgeglichen werden.
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Es können verschiedene Techniken eingesetzt werden (allein oder in Kombination) um festzustellen, welche Batterie ausgeglichen werden muss (da ein Batterie Ungleichgewichtszustand besteht). Bspw. kann die Spannung über jede Zelle in jeder geeigneten/bekannten Weise bestimmt werden (bspw. via Schaltungen gemessen) und verglichen werden. Wenn eine Zellenspannung sich von den anderen um mehr als eine vorherbestimmte Größe unterscheidet (bspw. 2% bis 10%), besteht ein Batterie Ungleichgewichtszustand. In einem anderen Beispiel kann die Fahrzeug Laufdauer (die Gesamtzeit, welche das Fahrzeug angeschaltet war, seit der letzten Ladung) in jeglicher geeigneten/bekannten Weise (bspw. kann ein Zeitgeber zählen, während das Fahrzeug im angeschalteter Zustand ist, und ist wird rückgesetzt, wenn das Fahrzeug geladen wird) bestimmt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden. Wenn die Fahrzeug Laufdauer den Schwellenwert übersteigt, besteht eina Batterieungleichgewichts Zustand. In einem weiteren Beispiel wird die Selbst-Entladungsrate jeder Zelle in jeglicher geeigneten/bekannten Art und Weise bestimmt (bspw. kann jede Zellenspannung über die Zeit gemessen werden, um die Änderungsgeschwindigkeit festzustellen) und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden. Wenn irgendeine der Selbst-Entladungsraten groeßer als der Schwellenwert ist, liegt ein Batterieungleichgewichts-Zustand vor. Es können auch andere Techniken eingesetzt werden.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass für bestimmte chemische Zellen, wie einer Lithiumionen Zelle die A/h Abgabe (und damit die Spannung) einer Zelle relativ konstant ist, bis die Zellenenergie fast erschöpft ist - an diesem Punkt fällt die Zellen A/h Abgabe rapide. (Da Batterie Zellen in Serie angeschlossen werden können, begrenzt ein schneller Abfall der A/h Abgabe einer einzigen Zelle die A/h Abgabe des gesamten Batteriepacks. Daher kann die Zellen A/h Abgabe (oder Spannung) kein guter Indikator dafür sein, wie nahe die Zelle sich an der Erschöpfung bewegt. Untersuchungen, Simulation, etc., können aber eingesetzt werden, um für eine vorgegebene Zelle die Dauer der relativ konstanten A/h Abgabe für eine vorgegebene in der Zelle gespeicherte Energiemenge zu bestimmen. Demzufolge können Untersuchungen, Simulation, etc. eingesetzt werden, um zu bestimmen, wie lange eine Zelle diese relativ konstante A/h Abgabe zeigen wird, bevor sie den Punkt des rapiden Abfalls erreicht. Diese Information kann dann verwendet werden, um einen Fahrzeug Laufdauer Schwellenwert zu bestimmen, an dem die Batterie ausgeglichen werden sollte, um Zustände, bei denen eine Zelle ihren Punkt schnellen Leistungsabfalls erreicht, zu vermeiden. Falls es bspw. 10 Std. für eine spezielle Zelle vorgegebenen Energiegehalts dauert, bis diese ihren Punkt schnellen Leistungsabfalls erreicht, kann der Fahrzeug Laufdauerschwellenwert auf 8 Std. gesetzt werden, etc. Die FahrzeugLaufdauer kann daher dazu eingesetzt werden, um abzuschätzen, wie nahe eine Zelle der Batterie sich an ihrem Punkt schnellen Leistungsabfalls befindet.
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Unterschiedlichen Zellen Selbst-Entladungsraten können verschiedene Zellenenergie Gehalte anzeigen. Eine Zelle mit einer Selbst-Entladungsrate, die groesser als diejenige der anderen um einen vorbestimmten Wert ist (bspw., 10%, etc.), kann somit ein Energiegehaltsungleichgewicht zwischen dieser und den andern Zellen anzeigen.
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In 1 ist eine Ausführungsform eines PHEV 10 gezeigt, die umfassen kann einen Motor 12, mehrere Batterie Zellen 13, die eine Batterie 14 bilden und den elektrischen Motor 16. Das PHEV 10 kann auch ein Getriebe 18, Räder 20, mindestens eine Steuerung 22, elektrischen Anschluss 24, und Anzeige/Schnittstelle 26 (bspw. Bildschirme, Lautsprecher, Knöpfe, etc.) haben.
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Der Motor 12, elektrische Motor 16 und die Räder 20 sind mechanisch mit dem Getriebe 18 (mit dicken Linien gezeichnet) in jeglicher geeigneten/bekannten Weise verbunden sein, damit der Motor 12 und/oder der elektrische Motor 16 die Räder 20 antreibt; Motor 12 und/oder Räder 20 den elektrischen Motor 16 antreiben, und der elektrische Motor 16 den Motor 12 antreiben kann. Andere Anordnungen sind auch möglich.
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Die Batterie 14 kann Energie an elektrischen Motor 16 liefern oder Energie vom elektrischen Motor 16 erhalten. Die Batterie 14 kann auch Energie aus einem Netz oder anderen fahrzeugfremden Energiequellen(nicht gezeigt) über den elektrischen Anschluss 24, wie im Stand der Technik bekannt, erhalten.
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Die mindestens eine Steuerung 22 ist verbunden mit und/oder steuert den Motor 12, Batterie 14, elektrischen Motor 16, Getriebe 18 und Anzeige /Schnittstelle 26 (wie mit dünner Linie gezeigt). Die mindestens eine Steuerung 22 kann unter Verwendung irgendeiner der oben beschriebenen Techniken (oder irgendeiner anderen geeigneten/bekannten Technik) bestimmen, ob ein Batterieungleichgewichtszu- stand vorliegt (demzufolge, ob Batterieausgleich empfohlen wird). Die mindestens eine Steuerung 22 kann bspw. einen Zähler einsetzen, der die Gesamtzeit mitschreibt, welche das Fahrzeug 10 im angeschalteten Zustand ist (Fahrzeuglaufdauer). Dieser Zähler kann jedes Mal rückgesetzt werden, wenn das Fahrzeug 10 über den elektrischen Anschluss 24 angeschlossen wird. Die mindestens eine Steuerung 22 kann periodisch die Fahrzeug Laufdauer mit bspw. einem vorgegebenen 9 Std. Fahrzeug Laufdauer Schwellenwert vergleichen. Sobald die Fahrzeug Laufdauer die 9 Std. Schwelle überschreitet, kann die mindestens eine Steuerung 22 einen Alarm (akustisch, visuell, taktil, etc.) auslösen, der über die Anzeige/Schnittstelle 26 abgegeben wird (bspw., kann die mindestens eine Steuerung 22 die Anzeige/Schnittstelle 26 veranlassen, aufzuleuchten). Wenn der Fahrer auf den Alarm reagiert (bspw. Anzeige/Schnittstelle 26 drückt), kann die mindestens eine Steuerung 22 veranlassen, dass die Batterie 14 in einem einzigen Zyklus das nächste Mal, wenn das Fahrzeug 10 über den elektrisch Anschluss 24 angeschlossen wird, ausgeglichen wird. Wenn der Fahrer auf den Alarm nicht reagiert, kann die mindestens eine Steuerung veranlassen, dass die Batterie 14 schrittweise über mehrere Zyklen das nächste Mal, wenn das Fahrzeug 10 über den elektrischen Anschluss 24 angeschlossen ist, ausgeglichen wird.
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Alternativ kann die mindestens eine Steuerung 22 periodisch (bspw. alle 5 min.) veranlassen, dass die Spannung jeder Zelle 13 gemessen wird, während das Fahrzeug 10 ausgeschaltet ist. Die mindestens eine Steuerung 22 kann dann die Selbst-Entladungsrate für jede Zelle 13 auf Basis der gemessenen Werte bestimmen. Bspw. kann, wenn die Spannung einer Batteriezelle 13 5V zum Zeitpunkt 0 min. 4V, zum Zeitpunkt 5 min. und 3V zum Zeitpunkt 10 min. ist, die Selbst-Entladungsrate für diese Zelle (in diesem übertriebenen Beispiel) 12V/Std. sein.
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Die mindestens eine Steuerung 22 kann periodisch die Selbst-Entladungsrate für jede Zelle 13 mit einem vorbestimmten Selbstentladungsratenschwellenwert (bspw. 5mV/Tag) vergleichen. Die Selbst-Entladungsratenschwelle kann bei bestimmten Ausführungsformen temperaturabhängig sein, da Selbstentladungsraten steigen können, wenn die Temperaturen abnehmen. Sobald die Selbstentladungsrate für irgendeine (oder mehrere) Zelle/n 13 die Selbstentladungsratenschwelle übersteigt, kann die mindestens eine Steuerung 22 veranlassen, dass ein Alarm über die Anzeige/Schnittstelle 26 gegeben wird. Wenn der Fahrer auf den Alarm reagiert, kann die mindestens eine Steuerung 22 veranlassen, dass die Batterie 14 das nächste Mal, wenn das Fahrzeug 10 angeschlossen wird, über den elektrischen Anschluss 24 in einem einzigen Zyklus ausgeglichen wird. Sonst kann die mindestens eine Steuerung veranlassen, dass die Batterie 14 schrittweise über mehrere Zyklen das nächste Mal, wenn das Fahrzeug 10 über den elektrischen Anschluss 24 angeschlossen ist, ausgeglichen wird. Andere Szenarien sind auch möglich.
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Nachdem das Fahrzeug 10 angeschlossen ist, kann die mindestens eine Steuerung 22 in jeder geeigneten/bekannten Weise den Ladezustand jeder Zelle 13 (bspw., auf Basis der Zellenspannung bei bekannten Strömen, einer bekannten Ladung und bei einer vorgegebenen Temperatur) bestimmen. Falls der Fahrer auf den Alarm, wie oben diskutiert, reagiert hat, kann die mindestens eine Steuerung 22 alle Zellen 13, ausser Zelle 13 mit dem niedrigsten Ladezustand, dazu veranlassen, in jeder geeigneten/bekannten Weise (bspw. via Widerstandsschaltungen) entladen zu werden, so dass ihr Ladezustand etwa gleich dem der Zelle 13 mit dem niedrigsten Ladezustand ist. Die mindestens eine Steuerung 22 kann dann veranlassen, dass elektrische Energie von einer fahrzeugfremden Energiequelle (nicht gezeigt) über den elektrischen Anschluss 24 zur Ladung aller Zellen 13 auf einen erwünschten Zielwert (bspw., 95%) geliefert wird. Demzufolge wird die Batterie 14 in einem Einzelzyklus ausgeglichen.
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Die mindestens eine Steuerung 22 kann in einigen Ausführungsformen feststellen, ob ein Batterieungleichgewichtszustand vorliegt - auf Basis von mindestens zwei der o.g. Techniken (oder irgendeiner anderen geeigneten/bekannten Technik). Jede Technik kann Fehler haben in Anbetracht der Vielzahl von Zuständen, in denen sich das Fahrzeug 10 befinden kann. Die mindestens eine Steuerung 22 kann daher mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Batterieungleichgewichts-Zustand feststellen, falls sie bspw. eine Selbstentladungsrate der Zellen 13, Fahrzeug Laufdauer, etc. bestimmt.
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In 2 ist gezeigt, wie die mindestens eine Steuerung 22 feststellen kann, ob ein Batterieungleichgewichtszustand im Betriebszustand 30 vorliegt. Falls „Nein“, kehrt der Algorithmus in Betriebszustand 30 zurück. Falls „Ja“, fährt der Algorithmus in Betriebszustand 32 fort.
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Im Betriebszustand 32 kann die mindestens eine Steuerung 22 einen Alarm generieren.
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Im Betriebszustand 34 kann die mindestens eine Steuerung 22 feststellen, ob der Fahrer auf den Alarm geantwortet hat. Wenn nicht („NEIN“), fährt der Algorithmus in Betriebszustand 36 fort. Im Betriebszustand 36 kann die mindestens eine Steuerung 22 bestimmen, ob das Fahrzeug 10 (1) geladen ist. Wenn „NEIN“, kehrt der Algorithmus in den Betriebszustand 36 zurück. Wenn „JA“, kann die mindestens eine Steuerung 22 die Batterie 14 (1) über mehrere Zyklen schrittweise ausgleichen.
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Rückkehrend zum Betriebszustand 34 wird, falls „Ja“ zutrifft, der Algorithmus in Betriebszustand 40 übergehen. Im Betriebszustand 40 kann die mindestens eine Steuerung 22 bestimmen, ob die Batterie 14 (1) über mehrere Zyklen schrittweise oder in einem Einzelzyklus auf Basis der Antwort ausgeglichen wird. In einer Ausführungsform kann die mindestens eine Steuerung 22 bestimmen, die Batterie 14 in einem Einzelzyklus auszugleichen, wenn der Fahrer nur auf den Alarm reagiert. In einer weiteren Ausführungsform kann die mindestens eine Steuerung 22 bestimmen, die Batterie 14 in einem Einzelzyklus nur dann auszugleichen, wenn die Antwort anzeigt, dass das Fahrzeug 10 (1) für mindestens den Zeitraum geladen werden wird, der benötigt würde, um die Batterie 14 in einem Einzelzyklus auszugleichen. Andere Szenarien sind auch möglich. Der Algorithmus fährt dann in Betriebszustand 42 fort.
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Im Betriebszustand 42 kann die mindestens eine Steuerung 22 feststellen, ob das Fahrzeug 10 (1) geladen wird. Falls „Nein“, kehrt der Algorithmus in Betriebszustand 42 zurück. Falls „Ja“, kann die mindestens eine Steuerung 22 die Batterie 14 (1) entsprechend der Bestimmung im Betriebszustand 40 ausgleichen.
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Die hier offenbarten Algorithmen können an ein Verarbeitungsgerät übertragen werden, wie die mindestens eine Steuerung 22, die jede bestehende elektronische Steuereinheit oder spezielle elektronische Steuereinheit in unterschiedlichsten Formen umfassen kann, eingeschlossen, aber nicht eingeschränkt auf Information, die permanent in einem nicht wiederbeschreibbaren Speichermedium, wie einem ROM (Read Only Memory) gespeichert sind und Information, die veränderbar in beschreibbaren Speichermedien wie Floppy Disks, Magnetbändern, CDs, Random Access Memories, und anderen magnetischen und optischen Medien vorliegen. Der Algorithmus kann auch in einem Softwareausführbaren Objekt vorliegen. Alternativ kann der Algorithmus ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware Komponenten, wie anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs), Feld-programmierbaren Gate Arrays (FPGAs), Maschinen, Steuerungen oder anderen Hardware Komponenten oder Vorrichtungen, oder einer Kombination von Hardware, Software und Firmware Komponenten, vorliegen.
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Während Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung illustrieren und beschreiben. Bspw. können bestimmte Ausführungsformen im Zusammenhang mit einem BEV oder anderen Batteriefahrzeug, das konfiguriert ist, elektrische Energie einer fahrzeugfremden Energiequelle zu erhalten, eingesetzt werden. Weitere Ausführungsformen können es dem Fahrer erlauben, Eingaben zu machen, die angeben, welche Ausgleichstechnik eingesetzt werden soll (schrittweise gegenüber Einzel-Zyklus). Der Fahrer kann bspw. eine Eingabe über die Anzeige/Schnittstelle 26 auf den Ausgleichs-Alarm machen, dass schrittweises Ausgleichen durchgeführt werden sollte (wahrscheinlich veranlassen, dass das Fahrzeug 10 in relativ kurzer Zeit geladen wird). Andere Szenarien sind auch möglich.
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Die in der Beschreibung verwendeten Worte sollen lediglich beschreibend und nicht limitierend interpretiert werden. Selbstverständlich sind mannigfaltige Abwandlungen möglich, ohne sich vom Erfindungskern und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die Ansprüche gegeben ist, zu entfernen.
