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TECHNISCHES GEBIET
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Die hier offenbarte Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorhersagen der elektrochemischen Abbildungsparameter eines elektrochemischen Energiespeichersystems, und insbesondere Verfahren zum Vorhersagen des Ohmschen Widerstands, des Ladungstransferwiderstands, des Diffusionswiderstands, der Doppelschichtkapazität, der Diffusionskapazität oder damit verwandter elektrochemischer Abbildungsparameter, die verwendet werden können, um die Funktionsfähigkeit eines elektrochemischen Energiespeichersystems zu verbessern.
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HINTERGRUND
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Die zunehmende Anforderung zum Bereitstellen sowohl verringerter Emissionen als auch von Verbesserungen bei der Kraftstoffsparsamkeit für Kraftfahrzeuge hat zu der Entwicklung alternativer Formen des Fahrzeugantriebs geführt. Zwei bekannte Formen einer derartigen neuen Kraftfahrzeugarchitektur, die als Alternativen zu herkömmlichen benzinbasierten Brennkraftmaschinen (ICEs) verwendet werden können, sind Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridfahrzeuge, die auch Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) genannt werden. Ein EV verwendet einen batteriegetriebenen Elektroantriebsmotor, um Vortrieb für die Räder bereitzustellen, während HEVs eine Kombination aus einer ICE, Brennstoffzellen oder damit verwandten Quellen sowie elektrische Leistung einsetzen. Beide zeigen im Vergleich mit ihrem ICE-Gegenstück eine verbesserte Kraftstoffsparsamkeit und verringerte Emissionen.
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Bei sowohl der EV- als auch der HEV-Variante ist es die Anwesenheit eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems (RESS), welche die primäre Antriebskraft bereitstellt. Die Chemie der Zellen in diesen RESS kann in der Form einer Bleisäure-, Nickelcadmium-, Nickelmetallhydrid- und Lithiumchemie vorliegen. Von diesen hat sich die Lithiumchemie als eine leichte, langlebige und volumetrisch effiziente Vorrichtung für Kraftfahrzeuganwendungen besonders viel versprechend gezeigt. Die Chemie einer Lithiumzelle kann nicht ohne Beschädigung der aktiven Materialien überladen werden. Folglich müssen Steuersysteme verwendet werden, um zu verhindern, dass irgendeine einzelne Zelle in einer Stapelkonfiguration eine Überladungsbedingung erfährt, da es keinen natürlichen Mechanismus zum Zellenausgleich gibt (wie bei der Nickelmetallhydrid-Chemie). Zudem müssen Steuersysteme auch verwendet werden, um Bedingungen mit übermäßiger Entladung zu verhindern, welche die Batterieleistung ebenfalls beschädigen können. Folglich werden Steuersysteme oder damit verwandte Überwachungssysteme verwendet, um die Spannung, den Strom, die Temperatur und damit verwandte Parameter zu detektieren, welche den Betrag an gespeicherter Ladung im Energiespeichersystem relativ zu einem vollständig aufgeladenen Zustand angeben, der zum Verrichten von Arbeit verfügbar ist.
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RESS im Allgemeinen und Batterien im Besonderen werden üblicherweise als Ersatzschaltungsmodelle dargestellt. Die Werte der elektrochemischen Abbildungsparameter in derartigen Modellen können auf eine Vielfalt von Weisen geschätzt werden, um die Reaktion des RESS auf verschiedene Eingaben und Bedingungen vorherzusagen. Die Schaltungsmodelle und Lösungsverfahren stellen jedoch niemals eine perfekte Darstellung des Verhaltens des RESS bereit, sondern erfüllen ihren Zweck unter einigen Bedingungen besser als unter anderen. Andere Ansätze können verschiedene Kalibrierungsschemata einsetzen, um die Genauigkeit der Modelle zu verbessern, aber das Hinzufügen weiterer Widerstands/Kapazitäts-Elemente kann zu einem langsameren und mühsameren System führen, das für eine Verwendung in einem Fahrzeug nicht praktikabel ist. Wenn die vorhergesagten elektrochemischen Abbildungsparameter ungenau sind, kann der Betrieb des Fahrzeugs und des RESS negativ beeinträchtigt werden. Wenn beispielsweise der Widerstand auf Stapelebene des RESS ungenau vorhergesagt wird, wird auch die Berechnung der Leistungsgrenze auf Stapelebene falsch sein. Dies kann eine ineffiziente und ungenaue Steuerung des RESS und des Fahrzeugs verursachen.
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Folglich besteht weiterhin Bedarf für ein Verfahren zur genauen Charakterisierung von RESS und zum Schätzen der darin gezeigten elektrochemischen Abbildungsparameter ohne eine wesentliche Erhöhung des Rechendurchsatzes.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende genaue Beschreibung spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und in denen:
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1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Vorhersagen mindestens eines elektrochemischen Abbildungsparameters in einem Fahrzeug, das mindestens einen Teil seiner Antriebsleistung aus einem RESS bezieht, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 eine schematische Ansicht eines Ersatzschaltungsmodells gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Vorhersagen eines elektrochemischen Abbildungsparameters in einem Fahrzeug bereitgestellt, das zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung aus einem RESS bezieht. Das Verfahren kann umfassen, dass eine Vielzahl, elektrochemischer Abbildungsparameterquellen bereitgestellt wird, die zum Annähern eines oder mehrerer elektrochemischer Abbildungsparameter in der Lage sind, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus einem Widerstand und einer Kapazität besteht, und dass mindestens eine elektrochemische Abbildungsparameterquelle gewählt wird, die zum Annähern eines oder mehrerer elektrochemischer Abbildungsparameter auf der Grundlage des Zustands des RESS in der Lage ist. Das Verfahren kann auch umfassen, dass eine adaptive Verstärkung bestimmt wird und dass ein adaptiver Faktor auf der Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeugs, sofern er den RESS-Betrieb und die Kapazität oder den tatsächlichen Zustand des RESS betrifft, bestimmt wird. Das Verfahren kann auch umfassen, dass ein oder mehrere elektrochemische Abbildungsparameter auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung angepasst werden, um einen angepassten elektrochemischen Abbildungsparameterwert bereitzustellen.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird ein System zum Steuern des Betriebs eins Fahrzeugs bereitgestellt, das zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung von einem RESS bezieht. Das System umfasst eine Speichervorrichtung und einen Controller. Der Controller kann programmiert sein, um aus einer Anzahl elektrochemischer Parameterquellen auf der Grundlage des Zustands des RESS mindestens einen elektrochemischen Abbildungsparameter zu bestimmen, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Widerstand und einer Kapazität besteht. Der Controller kann auch programmiert sein, um eine adaptive Verstärkung zu bestimmen, um einen adaptiven Faktor auf der Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeugs oder des RESS zu bestimmen, und um den einen oder die mehreren elektrochemischen Abbildungsparameter auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung anzupassen, um einen angepassten elektrochemischen Abbildungsparameterwert bereitzustellen.
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Die Verfahren können optional einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: Modifizieren der adaptiven Verstärkung auf der Grundlage eines adaptiven Fehlerzählers, wobei der Fehlerzähler die Größe und das Vorzeichen mindestens einer historischen adaptiven Verstärkung oder mindestens eines historischen adaptiven Faktors aufzeichnet; Justieren des adaptiven elektrochemischen Abbildungsparameterwerts in Bezug auf mindestens eine Grenze, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer maximalen Grenze, einer minimalen Grenze oder von Kombinationen daraus besteht; und Verschieben des adaptierten elektrochemischen Abbildungsparameterwerts auf der Grundlage eines Kalibrierungsmaximums oder Kalibrierungsminimums. Das Verfahren kann optional umfassen, dass die maximale und minimale Grenze auf der Grundlage einer historischen Aufzeichnung der adaptiven Faktorjustierung entwickelt werden. Die Vielzahl der Quellen kann aus der Gruppe gewählt werden, die aus Ersatzschaltungsmodellen, Vorhersagegleichungen und chemischen Abbildungsdaten besteht. Der Betriebszustand des RESS wird durch mindestens einen Messwert beschrieben, der aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem Spannungsmesswert, einem Strommesswert, einem Temperaturmesswert und von Kombinationen daraus besteht. Der Widerstand kann aus der Gruppe gewählt werden, die aus einem Diffusionswiderstand, einem Ladungstransferwiderstand und einem Ohmschen Widerstand besteht. Die Kapazität kann aus der Gruppe gewählt werden, die aus einer Doppelschichtkapazität und einer Diffusionskapazität besteht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die gegenwärtigen Erfinder haben ein Verfahren zum Vorhersagen der elektrochemischen Abbildungsparameter, die in einem RESS auftreten, offenbart, indem Quellen vermischt und kombiniert werden, um zu einem genauen elektrochemischen Abbildungsparameterschätzwert für einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu gelangen, ohne das Ersatzschaltungsmodell zu erweitern oder aufwändige Kalibrierungsmechanismen zu verwenden.
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Die hier offenbarten Verfahren und Systeme können in Echtzeit betrieben werden, sodass die verschiedenen elektrochemischen Abbildungsparameter während eines Betriebs des RESS bestimmt werden können, wodurch Informationen an das Steuersystem oder den Controller eines Fahrzeugs bereitgestellt werden, während das Fahrzeug betrieben wird. Der Fachmann wird verstehen, dass einige der hier erörterten Rechnungsschritte gleichzeitig durchgeführt werden können, während andere sequentiell durchgeführt werden können.
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Das Verfahren kann mit einer Vielfalt von RESS verwendet werden. Das RESS kann einen Bereich von Energiespeichervorrichtungen umfassen, der Lithium-Ionen-Batterien, Alkalibatterien und andere chemische Energiespeichervorrichtungen umfasst. Das RESS kann eine Vielzahl von Modulen umfassen, wobei jedes der Vielzahl von Zellenmodulen jeweils aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen besteht. Die hier beschriebenen Verfahren können über das gesamte RESS hinweg angewendet werden oder die Verfahren können auf der Zellen- oder der Modulebene angewendet werden, sodass die elektrischen Berechnungen und Ableitungsberechnungen für das gesamte RESS, eine einzelne Zelle oder ein einzelnes Modul oder für Kombinationen daraus bestimmt werden können.
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Das RESS kann in einem Fahrzeug bereitgestellt sein, das zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung aus dem RESS bezieht. Das Fahrzeug kann ein Hybridelektrofahrzeug umfassen, das einen Teil seiner Antriebsleistung aus einem flüssigen Kraftstoff und einen Teil seiner Antriebsleistung aus einem RESS bezieht. Das RESS kann auch in einem Elektrofahrzeug eingesetzt sein, das seine gesamte Antriebsleistung aus dem RESS bezieht. Alternativ kann das RESS in anderen Fahrzeugtypen bereitgestellt sein. Obwohl die hier offenbarten Verfahren mit Bezug auf ein Kraftfahrzeug beschrieben sind, wird der Fachmann feststellen, dass sie auf anderen Plattformen bereitgestellt werden können, die Lastwägen, Motorräder, Busse, Boote, Generatoren und dergleichen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Das Fahrzeug kann ein Frontantrieb, ein Heckantrieb oder Kombinationen daraus sein. Das RESS kann auch verwendet werden, um Energie an andere Vorrichtungen auch außerhalb von Fahrzeugen bereitzustellen, wie der Fachmann erkennen wird.
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Mit Bezug auf 1 wird bei einer Ausführungsform ein Verfahren zum Vorhersagen eines elektrochemischen Abbildungsparameters in einem Fahrzeug bereitgestellt, das zumindest einen Teil seiner Antriebsleistung aus einem RESS bezieht. Das Verfahren kann umfassen, dass eine Vielzahl von elektrochemischen Abbildungsparameterquellen bereitgestellt wird, die zum Annähern eines oder mehrerer elektrochemischer Abbildungsparameter in der Lage sind, welche aus der Gruppe gewählt werden, die aus einem Widerstand und einer Kapazität besteht (102), und dass mindestens eine elektrochemische Abbildungsparameterquelle gewählt wird, die zum Annähern des gewählten elektrochemischen Abbildungsparameters auf der Grundlage des Zustands des RESS in der Lage ist (104). Das Verfahren kann auch umfassen, dass eine adaptive Verstärkung (106) und ein adaptiver Faktor (108) auf der Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeugs oder des RESS bestimmt werden. Das Verfahren kann auch umfassen, dass ein oder mehrere elektrochemische Abbildungsparameter auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung angepasst werden, um einen angepassten elektrochemischen Abbildungsparameterwert bereitzustellen (110).
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Mit Bezug auf 1 ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Vorhersagen der elektrochemischen Abbildungsparameter in einem RESS bereitgestellt. Das Verfahren kann umfassen, das eine Vielzahl elektrochemischer Abbildungsparameterquellen bereitgestellt wird, die in der Lage sind, einen oder mehrere elektrochemische Abbildungsparameter anzunähern, welche aus der Gruppe gewählt werden, die aus einem Widerstand und einer Kapazität besteht (102). Diese Quellen elektrochemischer Abbildungsparameter können aus der Gruppe gewählt werden, die Ersatzschaltungsmodelle, chemische Abbildungsdaten und ähnliche Vorhersagemodelle umfasst. Jede Quelle kann ausgestaltet sein, um mindestens einen elektrochemischen Abbildungsparameterschätzwert bereitzustellen. Indem die Quelle elektrochemischer Abbildungsparameter bei einem Zustand des RESS verwendet werden, bei dem sie am genauesten sind, kann das Verfahren elektrochemische Abbildungsparameter bestimmen, welche die tatsächlichen Parameter genau darstellen, welche früher nur durch die Verwendung komplexer chemischer Abbildungsdaten bestimmt werden konnten, was zur Verwendung in einem Fahrzeug, das ein RESS enthält, nicht praktikabel ist.
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In Übereinstimmung mit dem Verfahren kann eine Quelle von elektrochemischen Abbildungsparametern für einen speziellen Zustand eines RESS bevorzugt werden. Insbesondere kann möglicherweise keine einzelne Quelle die elektrochemischen Abbildungsparameter genau schätzen, sodass das Verfahren mehrere Quellen kombinieren kann, um ein Gesamtergebnis bereitzustellen, das die tatsächliche RESS-Eigenschaft genauer darstellt. Das Verfahren kann allgemein die beste Quelle für den bzw. die gewünschten elektrochemischen Abbildungsparameter wählen und sich nahtlos in geeigneter Weise von einer Quelle zu einer anderen Quelle bewegen, um eine optimale Vorhersage des Verhaltens des RESS anzugeben.
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Bei einer Ausgestaltung kann das Verfahren umfassen, dass der Zustand des RESS gemessen wird. Der Zustand des RESS kann die elektrischen Bedingungen umfassen, welche die elektrochemischen Abbildungsparameter eines RESS beeinflussen. Der Zustand des RESS kann durch bestimmte Variablen beschrieben werden, welche vergangene und gegenwärtige Daten umfassen, die die Temperatur, das Alter, die Spannung und den Strom betreffen, aber nicht darauf begrenzt sind. Jede Quelle kann den Zustand des RESS beim Bereitstellen der Schätzwerte der verschiedenen elektrochemischen Abbildungsparameter berücksichtigen. Die gemessenen Eingänge von Strom, Spannung und Temperatur können durch eine Kombination von Sonden und Überwachungsvorrichtungen erhalten werden, wie der Fachmann feststellt.
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Das Fahrzeug kann ein Steuersystem umfassen, das zum Überwachen des Zustands des RESS durch Analogsignale der Spannung, des Stroms und der Temperatur in der Lage ist. Das Steuersystem kann die Spannung, den Strom und die Temperatur von analogen in digitale Signale umsetzen und sie an ein zentrales Steuermodul senden. Das zentrale Steuermodul kann ausgestaltet sein, um die hier offenbarten Verfahren zu speichern und auszuführen. Es kann die berechneten elektrochemischen Abbildungsparameter auch an andere Systeme des Fahrzeugs übermitteln, was derartigen System ermöglicht, das Fahrzeug so zu betreiben, dass die Leistung, die Effizienz, die Langlebigkeit und andere Bedingungsparameter maximiert werden.
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Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können auch verwendet werden, um mehr als einen elektrochemischen Abbildungsparameter für ein RESS auf einmal zu justieren. Zum Beispiel kann eine Quelle wegen ihrer Genauigkeit beim Beurteilen des Ohmschen Widerstands hinsichtlich der Alterung gewählt werden. Die elektrochemischen Abbildungsparameterschätzwerte aus der Vielzahl von Quellen können dann innerhalb des gleichen Schaltungsmodells verwendet werden, um eine genauere Beschreibung des RESS bereitzustellen. Bei einer Ausgestaltung kann bei einigen Zuständen eines RESS eine einzige Quelle gewählt werden, um alle elektrochemischen Abbildungsparameter bereitzustellen, die zur genauen Beschreibung des RESS notwendig sind. Indem die genaueste elektrochemische Abbildungsparameterquelle für die speziellen Bedingungen des RESS bestimmt wird, können die hier offenbarten Verfahren die tatsächlichen elektrochemischen Abbildungsparameter, die in dem RESS vorhanden sind, genau vorhersagen.
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Bei einer Ausführungsform kann eine der Quellen elektrochemischer Abbildungsparameter ein Ersatzschaltungsmodell umfassen. Jedoch werden auch andere Quellen der elektrochemischen Abbildungsparameter in Betracht gezogen. 2 ist als ein mögliches Beispiel bereitgestellt. Die Art des verwendeten Ersatzschaltungsmodells kann in der Komplexität variieren, wie der Fachmann feststellt. Das bzw. die Ersatzschaltungsmodelle können so gewählt sein, dass sie eine Vielfalt von Zeitkonstanten, die in einem RESS vorhanden sein können, sowie die verschiedenen Widerstands- und Kapazitätskomponenten enthalten. Die Ersatzschaltungsmodelle können mit einer variablen Menge von Widerstands- und Kapazitätselementen versehen sein, die zum Beschreiben des RESS nützlich sein können.
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Die Ersatzschaltungsmodelle können eine Vielzahl von Widerstands- und Kapazitätselementen darstellen, die für einen speziellen Zustand des RESS bestimmt werden können. Mit Bezug auf 2 ist ein Beispiel eines Ersatzschaltungsmodells 210 eines RESS bereitgestellt. Die Kapazität im Schaltungsmodell stellt die Ladungsansammlung an der Elektrodenschnittstelle dar und der Widerstand kann den Widerstand gegen einen Elektronentransfer über die Schnittstelle hinweg darstellen. Jeder der Variablen und jedem der Elemente, die vorstehend erwähnt wurden, können mithilfe von Nachschlagetabellen, heuristischen Algorithmen oder durch Lösen einer Anzahl mathematischer Ausdrücke, welche die elektrische Schaltung beschreiben, Werte zugeordnet werden, um elektrochemische Abbildungsparameterschätzwerte für ein dargestelltes RESS bereitzustellen.
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Die Widerstands- und Kapazitätselemente können die elektrochemischen Abbildungsparameter des RESS umfassen. Mit Bezug auf 2 kann der Widerstand verschiedene Widerstandskomponenten umfassen, welche den Ladungstransferwiderstand 214, den Diffusionswiderstand 216 und den Ohmschen Widerstand 218 umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
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Die Kapazität kann verschiedene Kapazitätskomponenten in einem RESS umfassen, welche die Doppelschichtkapazität 220 und die Diffusionskapazität 222 umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
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Die Hysteresespannung 212 wird beim Umkehren des Stromflusses in der Batterie beobachtet und manifestiert sich darin, dass es der Spannung nicht gelingt, den Pfad zurück zu verfolgen, den sie vor der Stromumkehrung genommen hat. Diese Hysterese schafft separate Kurven der Leerlaufspannung (Voc) über dem Ladezustand (SOC) für Arbeitsweisen mit Ladungserhöhung und Ladungsverringerung. Die Voc 224 stellt die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Anschlüssen einer Vorrichtung dar, wenn keine externe Last angeschlossen ist.
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Das Ohmsche Widerstandselement 218 kann den Widerstand der elektrischen Leiterelemente eines RESS darstellen, welche Stromkollektoren, Fahnen, Stromschienen, Anschlüsse, aktive Materialien und leitfähige Materialien umfassen können. Der Diffusionswiderstand 216 in Verbindung mit der Diffusionskapazität 222 kann den Effekt von Behinderungen des Massentransports innerhalb des RESS darstellen. Der Ladungstransferwiderstand 214 kann den Widerstand gegen einen Elektronentransfer über die Schnittstelle der Doppelschicht hinweg, die in einem RESS vorhanden ist, darstellen. Die Doppelschichtkapazität 220 stellt die Fähigkeit einer elektrischen Doppelschicht dar, die elektrische Ladung wie ein Kondensator zu speichern. Die Spannung 226 und der Strom 228 können für das Ersatzschaltungsmodell 210 als Teil des Zustands des RESS-Eingangs bereitgestellt werden. Es wird jedoch auch in Betracht gezogen, dass abgesehen von der Spannung und dem Strom andere Eingänge für das Ersatzschaltungsmodell 210 bereitgestellt werden können, welche sich zu einer vollständigeren Beschreibung des RESS eignen und zusätzliche Faktoren wie etwa die Temperatur und Alterungseffekte enthalten.
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Bei einer Ausführungsform kann eine Quelle elektrochemischer Abbildungsparameter chemische Parameterabbildungsdaten umfassen. Die chemischen Abbildungsdaten können eine Vielfalt von Formen umfassen. Bei einer Ausführungsform können die chemischen Parameterabbildungsdaten für eine Vielfalt von Temperaturen in einer Nachschlagetabelle bereitgestellt sein. Die chemischen Parameterabbildungsdaten können aus verschiedenen elektrochemischen Testprozeduren, die auf das RESS angewendet wurden, hergeleitet sein. Zum Beispiel können die chemischen Parameterabbildungsdaten die Ergebnisse einer Fluiddynamikberechnung (CFD, CFD von Computational Fluid Dynamics), eines Peukert-Tests und eines Hybridleistungsimpuls-Beschreibungstests (HPPC-Tests, HPPC von Hybrid Power Pulse Characterization) umfassen. Die chemischen Parameterabbildungsdaten können auch andere Testformen umfassen, die der Fachmann feststellen wird.
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Die chemischen Parameterabbildungsdaten können auf diskrete Punkte begrenzt sein, die durch die durchgeführten Experimente definiert sind. Es ist nicht praktikabel, chemische Parameterabbildungsdaten bei allen Bedingungen bereitzustellen, die ein RESS durchläuft. Da sich der Betrieb eines Fahrzeugs in der realen Welt oft über diese diskreten Punkte hinaus erstreckt, kann es sein, dass chemische Parameterabbildungsdaten nicht für alle Bedingungen des RESS-Betriebs verfügbar sind. Folglich kann das Verfahren umfassen, dass die chemischen Parameterabbildungsdaten auf den Zustand des RESS justiert werden, um einen vergleichbaren Schätzwert bereitzustellen. Bei einer Ausgestaltung kann das Justieren der chemischen Parameterabbildungsdaten umfassen, dass die chemischen Parameterabbildungsdaten interpoliert oder gemittelt werden, um einen Schätzwert für den Temperaturwert bereitzustellen, der dem Zustand des RESS entspricht. Alternativ kann das Verfahren die chemischen Parameterabbildungsdaten vergleichen, die der Temperatur entsprechen, die der Temperatur am nächsten ist, welche dem Zustand des RESS entspricht. Es können auch andere Formen des Einbeziehens der chemischen Parameterabbildungsdaten in die hier offenbarten Verfahren verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform kann das Verfahren umfassen, dass ein adaptiver Fehlerzähler bereitgestellt wird. Der adaptive Fehlerzähler kann die Größe und das Vorzeichen der historischen adaptiven Verstärkungsfaktoren aufzeichnen. Unter ”historisch” sind die Werte zu verstehen, die von dem Verfahren früher implementiert worden sind. Die historischen adaptiven Verstärkungsfaktoren können zum späteren Vergleich und zur späteren Modellierung in einem Speichersystem gespeichert werden. Das Speichersystem kann ausgestaltet sein, um eine beliebige Anzahl historischer Faktoren zu speichern.
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Der adaptive Fehlerzähler kann historische adaptive Verstärkungen mitführen und jeder angewendeten Verstärkung einen Wert zuordnen. Zum Beispiel kann der adaptive Fehlerzähler jeder adaptiven Verstärkung einen Wert im Bereich von –7 bis +7 in Abhängigkeit von der Größe der historischen adaptiven Verstärkung zuordnen. Wenn der akkumulierte adaptive Fehlerzähler sehr groß ist, kann die adaptive Verstärkung über denjenigen Wert hinaus erhöht werden, der gewöhnlich bereitgestellt würde. Wenn auf ähnliche Weise der akkumulierte adaptive Fehlerzähler sehr klein ist, kann die adaptive Verstärkung unter demjenigen Wert liegen, der beim Fehlen des historischen adaptiven Fehlerzählers gewöhnlich bereitgestellt würde.
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Der adaptive Fehlerzähler kann einen Bereich historischer adaptiver Verstärkungen in Abhängigkeit von der Chemie, dem Betriebsbereich und dem Zustand des RESS berücksichtigen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Algorithmus so programmiert sein kann, dass der adaptive Fehlerzähler automatisch aktualisiert wird, um die vorstehend erwähnten Faktoren zu berücksichtigen. Der Effekt des adaptiven Fehlers ist konfigurierbar, um die Menge an historischen adaptiven Faktoren und historischen adaptiven Verstärkungen bereitzustellen, die die Bedürfnisse des Algorithmus betrifft. Zum Beispiel können die letzten zehn Werte der adaptiven Verstärkung gemittelt und mit der adaptiven Verstärkung, die gegenwärtig berechnet ist, verglichen werden. Auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs kann die gegenwärtig berechnete adaptive Verstärkung modifiziert werden. Wenn die gespeicherten adaptiven Verstärkungsfaktoren beispielsweise fortschreitend kleinere adaptive Verstärkungen anzeigen, kann das Verfahren die gegenwärtig berechnete adaptive Verstärkung auf einen kleineren Wert als den berechneten Wert verringern, und stattdessen die modifizierte Verstärkung anwenden. Dies ermöglicht, dass das Verfahren schneller konvergiert, als es anderweitig erreicht würde. In einigen Situationen kann das Verfahren jedoch dafür sorgen, dass die adaptive Verstärkung langsamer ist, als es die Entwicklung der adaptiven Verstärkungen nahe legen würde.
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Wieder mit Bezug auf 1 kann das Verfahren bei noch einer anderen Ausführungsform umfassen, dass eine adaptive Verstärkung bestimmt wird (106). Die adaptive Verstärkung kann in einer Tabelle oder mit einem Algorithmus bereitgestellt werden, wie der Fachmann feststellt. Bei einer Ausführungsform kann die adaptive Verstärkung auf dem adaptiven Fehlerzähler beruhen.
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Die adaptive Verstärkung kann aus der Gleichung bestimmt werden:
adaptive Verstärkung = Verstärkungstabelle (ABS) (adaptiver Fehlerzähler)
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Die adaptive Verstärkung kann Filterverstärkungen für jeden elektrochemischen Abbildungsparameter mit Bezug auf die Temperatur des RESS darstellen. Die adaptive Verstärkung wirkt mit anderen Faktoren zusammen, um vorprogrammierte Adaptionsmodi wie nachstehend beschrieben auszuführen. Bei einer Ausgestaltung kann die adaptive Verstärkung so ausgestaltet sein, dass sie mindestens vier Adaptionsmodi bereitstellt. Alternativ kann die adaptive Verstärkung andere Adaptionsmodi bereitstellen, die verschiedene Verfahren zum Konvergieren der verschiedenen elektrochemischen Abbildungsparameter, die durch die Vielzahl der Quellen bereitgestellt werden, darstellen.
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Die vier Adaptionsmodi können einen konvergierten Modus, einen nicht konvergierten Modus, einen auf der Basis einer Region konvergierten Modus und einen Modus ohne Konvergenz enthalten. Der konvergierte Modus kann zulassen, dass nur kleine adaptive Veränderungen zwischen den Quellen auftreten, um den Zielwert eines elektrochemischen Abbildungsparameters ”X” so beizubehalten, wie er von mindestens einer Quelle bereitgestellt wird. Der auf der Basis einer Region konvergierte Modus kann ermöglichen, dass eine Korrekturmaßnahme eine bevorstehende Last oder einen bevorstehenden Zustand kompensiert. Der auf der Basis einer Region konvergierte Modus kann auch ermöglichen, dass eine Korrekturmaßnahme Leistungsgrenzen, die Kapazität und die Spannung eines RESS vorhersagt. Der auf der Basis einer Region konvergierte Modus kann umfassen, dass die elektrochemischen Abbildungsparameter durch Konvergenz mit einer genaueren Quelle angepasst werden, wobei Ableitungsberechnungen der elektrochemischen Abbildungsparameter ebenfalls konvergieren können. Der nicht konvergierte Modus kann große adaptive Modifikationen ermöglichen, um den elektrochemischen Abbildungsparameter ”X” schnell an einen Wert anpassen, der den Zielwert erfüllt, der von einer anderen Quelle bereitgestellt wird. Der nicht konvergierte Modus kann ermöglichen, dass elektrochemische Abbildungsparameter schnell akzeptable Grenzen erreichen. Folglich kann der nicht konvergierte Modus wünschenswert sein, wenn die Leistungsgrenzen und andere Ableitungsberechnungen der elektrischen Leistungsgrenzen schnell bestimmt werden müssen, d. h. beim Fahrzeugstart. In dem Modus ohne Konvergenz kann das Verfahren zum berechneten Wert zurückgehen und es kann keine Adaption durchgeführt werden.
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Ableitungsberechnungen der elektrochemischen Abbildungsparameter können diejenigen Berechnungen umfassen, die von den elektrochemischen Abbildungsparametern abhängen. Zum Beispiel können Ableitungsberechnungen Leistungsgrenzen des RESS, die Spannung und Kapazitätsbestimmungen umfassen. Es werden auch andere Ableitungsberechnungen in Betracht gezogen, wie der Fachmann feststellt.
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Die adaptive Verstärkungsfunktion kann bei einem Bereich von Zeitintervallen ausgelöst werden. Bei jedem Intervall können die adaptiven Verstärkungswerte gespeichert werden und mindestens einer der alten Werte kann aus einem lokalen Speicher entfernt werden. Der Fachmann versteht die hier beschriebenen Speicherfunktionen.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren umfassen, dass ein Betriebszustand des Fahrzeugs bestimmt wird. Der Betriebszustand des Fahrzeugs kann sich auf bekannte Fahrzeugereignisse beziehen, die entweder das Entladen des RESS, dessen Aufladen oder beides beeinflussen. Der Betriebszustand des Fahrzeugs kann ein regeneratives Bremsen, ein Aufladen, ein Entladen, eine Bergfahrt, einen Leistungsmodus, einen Leerlaufmodus und andere umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann das Fahrzeugereignis von einem Anwender so gewählt werden, dass das RESS ausgestaltet sein kann, sich in einer bestimmten Weise zu verhalten, und folglich werden sich die hier offenbarten Verfahren an die speziellen Bedingungen anpassen, die durch das Fahrzeugereignis notwendig geworden sind.
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Das Verfahren kann umfassen, dass ein adaptiver Faktor auf der Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeugs oder des RESS bestimmt wird (110). Zum Beispiel kann ein aggressiver Fahrer durch einen hohen RMS-Strom beschrieben werden, der mit großen Beträgen an Diffusion und Polarisierung innerhalb des RESS in Abhängigkeit von der Chemie verbunden sein kann. Wenn die Quelle der elektrochemischen Abbildungsparameter entsprechend eine Art eines Ersatzschaltungsmodells ist, kann der Effekt der Diffusion/Polarisierung möglicherweise nicht korrekt berücksichtigt werden, und auf der Grundlage dieser elektrochemischen Abbildungsparameter für das RESS berechnete Leistungsgrenzen (eine Ableitungsberechnung) können überschätzt sein. Um dieses Problem zu lösen, kann der Zustand, wenn ein bestimmter RMS-Strom erreicht ist, als ein Betriebszustand mit einem aggressiven Fahrer betrachtet werden. Nachdem der Betriebszustand mit einem aggressiven Fahrer zugeordnet wurde, kann das Verfahren einen adaptiven Faktor wählen, der für den Betriebszustand geeignet ist. Für den Betriebszustand mit einem aggressiven Fahrer können die von einem Ersatzschaltungsmodell berechneten Widerstandswerte höher eingestellt werden, gemäß dem, was tatsächlich elektrochemisch in dem RESS vorgeht. Nachdem der adaptive Faktor bestimmt ist, wird er auf die mindestens eine Quelle angewendet, um den vorhergesagten elektrochemischen Abbildungsparameterwert zu modifizieren. Durch Verwenden des adaptiven Faktors werden die bekannten Mängel der Vielzahl von Quellen kompensiert und korrigiert.
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Das Verfahren kann umfassen, dass der eine oder die mehreren elektrochemischen Abbildungsparameter auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung angepasst werden, um einen angepassten elektrochemischen Abbildungsparameterwert bereitzustellen. Die elektrochemischen Abbildungsparameter von einer Quelle können bestimmt werden und das Verfahren kann die Korrektur für diese Berechnungen auf der Grundlage der anderen Quellen der elektrochemischen Abbildungsparameter berechnen. Wenn daher eine Quelle das elektrochemische Abbildungsparametersignal als eine lineare Steigung berechnet, die Gestalt des Signals gemäß anderer Quellen aber eher einer Parabel ähnelt, kann der Algorithmus das volle Korrektursignal als diese Parabelgestalt durch Mittel zum Anpassen des elektrochemischen Abbildungsparameters mit dem adaptiven Faktor ausgeben.
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Der adaptive Faktor ermöglicht, dass ein Prozentsatz des vorstehend erwähnten vollen Korrektursignals auf die adaptive Modifikation angewendet wird. Der adaptive Faktor repräsentiert, für wie zuverlässig die volle Korrekturberechnung angesehen wird, und ermöglicht dort kleinere adaptive Korrekturen, wo die Quellen als weniger zuverlässig angesehen werden und wo eine Überkorrektur der Justierung zu ungewünschten Konsequenzen führen kann. Der adaptive Faktor kann auf dem Betriebszustand des RESS beruhen. Das Anpassen des mindestens einen gewählten elektrochemischen Abbildungsparameters kann umfassen, dass sein Wert auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung erhöht oder verringert wird. Bei einigen Bedingungen kann der angepasste elektrochemische Abbildungsparameter erhöht werden, während der angepasste elektrochemische Abbildungsparameter bei anderen Bedingungen verringert werden kann, jeweils relativ zu dem mindestens einen gewählten elektrochemischen Abbildungsparameter.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren umfassen, dass der angepasste elektrochemische Abbildungsparameterwert relativ zu mindestens einer Grenze justiert wird, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer maximalen Grenze, einer minimalen Grenze oder aus Kombinationen daraus besteht. Die maximale Grenze und minimale Grenze können die Beschreibungen des Lebensdauerendes oder des Lebensdauerbeginns oder der Grenzen umfassen, die aus einem vorherigen Testen oder einer Kenntnis der Fahrzeugverwendung hergeleitet sind. Die maximale und minimale Grenze können bekannte Maximalwerte und Minimalwerte für die RESS darstellen, wenn sie neu sind und am Punkt des Lebensdauerendes, wie es durch die Anwendung bestimmt ist. Die maximale und minimale Grenze können auch Beschränkungen umfassen, die vom Lieferanten der Zellenchemie bereitgestellt werden, oder Grenzen, die bereitgestellt werden, um die gewünschte Langlebigkeit oder Leistungseigenschaften sicherzustellen.
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Die maximale und minimale Grenze können maximale und minimale Betriebswerte für jeden der elektrochemischen Abbildungsparameter umfassen. Diese maximalen und minimalen Betriebswerte können durch eine komplexe elektrochemische Modellierung oder durch Tests wie HPPC oder Peukert-Test herausgefunden werden, indem die Temperatur, das Alter und der RMS-Strom für ein RESS eingegeben werden.
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Zum Beispiel erzeugt für eine spezielle RMS-Spannung eine Quelle, wie etwa eine Parameterschätzvorrichtung auf der Grundlage eines Schaltungsmodells, einen Wert für einen elektrochemischen Abbildungsparameter ”X”. Jedoch ist der Wert ”X” unter Wert geschätzt, wie durch andere Mittel bestimmt wird, etwa durch eine direkte Messung des Parameters. Daher wird der vom Schaltungsmodell gemeldete Wert des Parameters ”X” auf einen realistischeren Wert justiert werden. Die Justierung kann durch eine Kombination aus dem adaptiven Faktor, der adaptiven Verstärkung und der maximalen und minimalen Grenze bewirkt werden.
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Das Verfahren kann auch umfassen, dass die maximale und minimale Grenze auf der Grundlage historischer Anpassungen entwickelt werden. Das Entwickeln kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Verhalten der RESS eine schnell lernende Kalibrierung oder eine langsam lernende Kalibrierung umfassen. Eine schnell lernende Kalibrierung kann wünschenswert sein, um eine optimale RESS-Leistung zu erzielen. Eine langsam lernende Kalibrierung kann wünschenswert sein, um eine höhere Stabilität und eine erhöhte Lebensdauer des RESS zu erzielen.
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Das Verfahren kann auch umfassen, dass der angepasste elektrochemische Abbildungsparameterwert auf der Grundlage eines Kalibrierungsmaximalwerts oder -minimalwerts verschoben wird. Ein Kalibrierungsmaximalwert oder -minimalwert kann in dem Fall bereitgestellt werden, bei dem für die Lebensdauer oder zur Diagnose eine spezielle Anpassung verhindert werden muss.
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Der adaptive Algorithmus kann bei Bedingungen deaktiviert werden, die möglicherweise bewirken können, dass die adaptiven Parameter von ihren optimalen Werten abweichen. Das Deaktivieren der Adaptierung kann durch die Detektion einer suboptimalen Signalerregung, durch Fehlermerker, eine Last, der Erkennung, welche Parameter anzupassen sind, durch Korrekturberechnungen, durch iterative Zähler, Fehlerzähler, Konvergenz, das Rücksetzen auf schnelle Adaptierung, und Kreuzadaptierung (Anpassen von zwei elektrochemischen Abbildungsparametern zur gleichen Zeit, wenn einer keinen Bedarf zeigt, um ein Phänomen zu replizieren) aktiviert werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Produktionsartikel offenbart, der verwendet werden kann, um elektrochemischen Abbildungsparameter eines RESS vorherzusagen. Der Produktionsartikel umfasst ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen, die zu Vorhersagen elektrochemischer Abbildungsparameter unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Methodik ausgelegt sind. Die computerausführbaren Anweisungen umfassen Gleichungen, die verwendet werden, um mindestens einen elektrochemischen Abbildungsparameter aus einer Vielzahl von Quellen aus der Gruppe zu bestimmen, die aus einem Widerstand und einer Kapazität besteht, und um mindestens eine elektrochemische Abbildungsparameterquelle zu wählen, die ausgestaltet ist, um mindestens einen elektrochemischen Abbildungsparameter auf der Grundlage des Zustands des RESS bereitzustellen.
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Die computerausführbaren Anweisungen können auch verwendet werden, um eine adaptive Verstärkung auf der Grundlage eines adaptiven Fehlerzählers zu bestimmen, um einen adaptiven Faktor auf der Grundlage des Betriebszustands des Fahrzeugs oder des RESS zu bestimmen, und um den einen oder die mehreren elektrochemischen Abbildungsparameter auf der Grundlage des adaptiven Faktors und der adaptiven Verstärkung anzupassen, um einen angepassten elektrochemischen Abbildungsparameterwert bereitzustellen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass andere computerausführbare Anweisungen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Artikel ist zur Bestimmung der elektrochemischen Abbildungsparameter dort besonders gut geeignet, wo eine einzelne Quelle den Widerstand oder die Kapazität des RESS nicht genau wiedergibt.
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Zum Zweck der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass hier eine Bezugnahme auf eine Variable, die ”eine Funktion” eines Parameters oder einer anderen Variable ist, nicht gedacht ist, zu beschreiben, dass die Variable ausschließlich eine Funktion des aufgeführten Parameters oder der aufgeführten Variable ist. Stattdessen ist hier eine Bezugnahme auf eine Variable, die ”eine Funktion” eines aufgeführten Parameters ist, als offen gedacht, sodass die Variable eine Funktion eines einzigen Parameters oder einer Vielzahl von Parametern sein kann.
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Es wird auch angemerkt, dass hier Beschreibungen von ”mindestens einer” Komponente, ”mindestens eines” Elements usw. nicht verwendet werden sollen, um zu folgern, dass die alternative Verwendung der Artikel ”ein” oder ”eine” oder ”eines” auf eine einzige Komponente, ein einziges Element usw. begrenzt ist.
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Es wird angemerkt, dass hier Beschreibungen einer Komponente der vorliegenden Offenbarung, die auf eine spezielle Weise ”programmiert” ist, so ”ausgestaltet” oder ”programmiert” ist, dass sie eine spezielle Eigenschaft oder eine Funktion in einer speziellen Weise ausführt, strukturelle Beschreibungen im Gegensatz zu Beschreibungen der beabsichtigten Verwendung sind. Insbesondere bezeichnen hier die Bezugnahmen auf die Weise, auf die eine Komponente ”programmiert” oder ”ausgestaltet” ist, eine existierende physikalische Bedingung der Komponente und sind folglich als eine eindeutige Beschreibung der strukturellen Eigenschaften der Komponente aufzufassen.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise”, wenn sie hier verwendet werden, nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung zu begrenzen oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind.
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Stattdessen sind diese Begriffe nur dazu gedacht, spezielle Aspekte einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu identifizieren oder um alternative oder zusätzliche Merkmale zu betonen, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können oder auch nicht.
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Zum Zweck der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass die Begriffe ”im Wesentlichen” und ”etwa” hier verwendet werden, um den inhärenten Grad an Ungewissheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder einer anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Begriffe ”im Wesentlichen” und ”etwa” werden hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Bezugswert variieren kann, ohne zu einer Veränderung bei der grundlegenden Funktion des fraglichen Gegenstands zu führen.
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Nachdem der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen desselben beschrieben worden ist, wird angemerkt, dass die hier offenbarten verschiedenen Details nicht so aufgefasst werden sollen, dass sich diese Details implizit auf Elemente beziehen, die essentielle Komponenten der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sind, auch in Fällen, bei denen ein spezielles Element in jeder der Zeichnungen dargestellt ist, die der vorliegenden Beschreibung beiliegen. Stattdessen sollen die hier beigefügten Ansprüche als die einzige Darstellung der Breite der vorliegenden Offenbarung und des entsprechenden Umfangs der verschiedenen hier beschriebenen Erfindungen aufgefasst werden. Ferner ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert sind, wird es insbesondere in Betracht gezogen, dass die vorliegende Offenbarung nicht unbedingt auf diese Aspekte begrenzt ist.
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Es wird angemerkt, dass einer oder mehrere der folgenden Ansprüche den Begriff ”wobei” als Übergangsbegriff verwenden. Zum Zweck der Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass dieser Begriff in die Ansprüche als ein offener Übergangsbegriff eingeführt ist, der verwendet wird, um eine Aufzählung einer Reihe von Eigenschaften der Struktur einzuleiten, und auf die gleiche Weise interpretiert werden soll, wie der häufiger verwendete offene Oberbegriffausdruck ”umfassend”.
