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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriesensordatenübertragungseinheit, ein Verfahren zum Übertragen von Batteriesensordaten sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen.
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Speziell in der Fahrzeugtechnik werden vermehrt Batterien eingesetzt, um einen Elektromotor zur Fortbewegung der Fahrzeuge betreiben zu können. In diesem Zusammenhang ist die Zustandsüberwachung der Batterien von erhöhter Bedeutung, um einem Nutzer des Fahrzeugs frühzeitig ein möglicherweise bevorstehendes Problem mit der Antriebseinheit bzw. einem Ausfall der Batterien mitteilen zu können. Hierzu wurde vorgeschlagen, innerhalb der Batterie eine Erfassung und Übertragung von Sensorsignalen über dezidierte Datenleitungen, z. B. den CAN-Bus, vorzunehmen. Relevante Daten über einen Zustand der Batterie werden über einen oder mehrere Batteriesensoren erfasst und an ein Steuerbzw. Auswertungsgerät übermittelt.
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Die
DE 10 2009 036 086 A1 offenbart eine Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen, wobei die Überwachungselektronik eine Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen aufweist, welche an einer flexiblen Platine befestigt sind. Insbesondere mag die Überwachungselektronik derart eingerichtet sein, dass sie für jeden Zellpol der Batterie einen Zell-Überwachungsschaltkreis aufweist. Insbesondere mag auch das Vorsehen von möglichst vielen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen einer Elektronik und der flexiblen Platane und/oder der flexiblen Platine mit den Zellen und optionalen Temperatursensoren eine erhöhte Lebensdauer bei geringen Fehlerraten ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Batteriesensordatenübertragungseinheit, ein Verfahren zum Übertragen von Batteriesensordaten sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Batteriesensordatenübertragungseinheit mit folgendem Merkmal:
- – einer Datenübermittlungseinheit, die ausgebildet ist, um ein Sensorsignal, welches eine physikalische Größe in oder an der Batteriezelle repräsentiert, unter Verwendung einer Batteriegehäusewand und/oder einer Wand einer Batteriezelle als Übertragungsmedium an ein Auswertungsgerät auszugeben.
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Unter einer (Batteriesensordatenübertragungs-)Einheit kann vorliegend eine Vorrichtung oder ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Unter einer Datenübermittlungseinheit kann eine Einrichtung oder ein Modul verstanden werden, um ein Sensorsignal aufzubereiten und über einen vorbestimmten Übertragungspfad an ein Auswertungsgerät zu übertragen. Unter einem Sensorsignal kann ein Signal verstanden werden, das eine physikalische Größe wie beispielsweise einen Druck oder eine Temperatur in oder an der betreffenden Batteriezelle repräsentiert.
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Unter einer Batteriezelle kann beispielsweise ein Teilbereich eines größeren Energiespeichers in Form einer Batterie oder eines Akkus verstanden werden Prunk unter einer Batteriegehäusewand kann beispielsweise eine Behälterwand verstanden werden, wobei in diesem Behälter eine oder mehrere Batteriezellen enthalten sind. Unter einem Auswertungsgerät kann eine Vorrichtung verstanden werden, die beispielsweise als elektronisches Gerät zur Ausführung von elektronischen Steuerbefehlen oder einer Datenverarbeitung ausgelegt ist. Beispielsweise kann das Auswertungsgerät in der Form einer elektronischen Schaltung oder eines integrierten Schaltkreises ausgestaltet sein.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass in Energiespeichereinheiten wie eine Batterie oftmals ein Gehäuse verwendet wird, welches beispielsweise elektrisch leitend ist und über welches somit Daten wie das Sensorsignal übertragen werden können. Um nun Material- und Arbeitsaufwand für das Vorsehen einer zusätzlichen Datenleitung zur Übertragung des Sensorsignals in einer solchen Batterieeinheit zu vermeiden, kann nun die Batteriesensordatenübertragungseinheit oder ein entsprechendes Verfahren zur Übertragung von Batteriesensordaten vorgesehen werden, welche das Sensorsignal über die meist für eine Signalübertragung nutzbare Gehäusewand beträgt. Hierdurch lassen sich vorteilhafterweise Herstellungskosten für eine solche Batterieeinheit bzw. eine Batteriesensordatenübertragungseinheit reduzieren, wobei zugleich ein zur Verfügung stehender Bauraum optimal genutzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Übertragung von Batteriesensordaten, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
- – Ausgeben eines Sensorsignals, welches eine physikalische Größe in oder an der Batteriezelle repräsentiert, unter Verwendung einer Batteriegehäusewand und/oder einer Wand einer Batteriezelle als Übertragungsmedium an ein Auswertungsgerät.
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Auch durch eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich die zuvor genannten Vorteile erreichen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Computerprogramm auf einer Einheit, einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Gemäß seiner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Datenübermittlungseinheit ausgebildet sein, um das Sensorsignal unter Verwendung einer kapazitiven oder induktiven Kopplung zwischen einer Batteriezelle und der Batteriegehäusewand an die Batteriegehäusewand zu übertragen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Batteriesensordatenübertragungseinheit galvanisch von einer Batteriegehäusewand getrennt werden kann, wodurch sich eine Signalübertragung auch bei unterschiedlichen Potenzialpegeln zwischen der Batteriesensordatenübertragungseinheit und der Batteriegehäusewand bzw. der Wand der Batteriezelle realisieren lässt. Dies ermöglicht eine deutlich weniger gegenüber Störungen anfällige Signalübertragung.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Datenübermittlungseinheit ausgebildet sein, um das Sensorsignal unter Verwendung einer elektrisch leitfähigen Verbindung auf die Batteriegehäusewand zu übertragen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer zuverlässigen Übertragung auf von elektrischen Signalen von der Batteriesensordatenübertragungseinheit zum Auswertungsgerät.
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Ferner kann auch gemäß seiner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Datenübertragungseinheit ausgebildet sein, um das Sensorsignal unter Verwendung eines der Batteriezelle eindeutig zuordenbaren Codes zu übertragen. Beispielsweise kann jedes Sensorsignal unter Verwendung eines unterschiedlichen Codes codiert werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei der Signalübertragung von Sensorsignal von mehreren Batteriezellen über eine gemeinsame Batteriegehäusewand in das Auswertungsgerät zuverlässig das Sensorsignal von jeder einzelnen Batteriesensordatenübertragungseinheit in den unterschiedlichen Batteriezellen extrahiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner eine Verschaltungszustandsermittlungseinheit zur Ermittlung eines Serienschaltungszustandes vorgesehen, in dem eine Batteriezelle mit einer weiteren Batteriezelle mittels einer Energieübertragungsleitung in Reihe geschaltet ist und/oder zur Bestimmung eines Überbrückungszustandes, in dem zumindest ein Pol der Batteriezelle nicht mit zumindest einer weiteren Batteriezelle in Reihe geschaltet ist und wobei die Datenübertragungseinheit ausgebildet ist, um das Sensorsignal in dem Überbrückungszustand unter Verwendung einer Batteriegehäusewand als Übertragungsmedium an das Auswertungsgerät auszugeben.
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Entsprechend ist gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Batteriesensordaten vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Ermitteln eines Serienschaltungszustandes, in dem eine Batteriezelle mit zumindest einer weiteren Batteriezelle mittels einer Energieübertragungsleitung in Reihe geschaltet ist und/oder Ermitteln eines Überbrückungszustandes, in dem ein Pol der Batteriezelle von zumindest einer weiteren Batteriezelle entkoppelt ist; und
- – Ausgeben eines Sensorsignals, welches eine physikalische Größe in oder an der Batteriezelle repräsentiert, in dem Serienschaltungszustand unter Verwendung der Energieübertragungsleitung an ein Auswertungsgerät und/oder Ausgeben des Sensorsignals in dem Überbrückungszustand unter Verwendung einer Batteriegehäusewand als Übertragungsmedium an das Auswertungsgerät.
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Unter einer Verschaltungszustandsermittlungseinheit kann eine Einrichtung oder ein Modul verstanden werden, welches dazu ausgelegt ist, einen Serienschaltungszustand und/oder einen Überbrückungszustand bei einer elektrischen Kopplung (oder Nicht-Kopplung) von mehreren Batteriezellen zu bestimmen. Unter einer Energieübertragungsleitung kann eine elektrische Leitung verstanden werden, über welche neben einem Stromfluss zur Übertragung von einer elektrischen Energie noch ein Datensignal aufmoduliert werden kann. Unter einem Serienschaltungszustand kann dabei ein Zustand verstanden werden, in dem ein Pol einer Batteriezelle in Serie mit zumindest einem Pol einer weiteren Batteriezelle elektrisch leitfähig als eine Energieübertragungsleitung verbunden ist. Im Serienschaltungszustand im kann somit die Batteriezelle als in Serie mit zumindest einer weiteren Batteriezelle geschaltet verstanden werden, sodass sich an zwei Endabgriffsklemmen einer solchen Serienschaltung des die Spannungen an den jeweiligen Polen der beiden in Serie geschaltet und Batteriezellen addieren. Unter einem Überbrückungszustand kann ein Zustand verstanden werden, in dem der Pol der Batteriezelle nicht mit einem anderen Pol einer weiteren Batteriezelle verbunden, d.h. in dem der Pol der Batteriezelle entkoppelt von einem anderen Pol einer weiteren Batteriezelle ist. Sind dagegen mehrere weitere Batteriezellen in Serie geschaltet, ohne dass die betreffende Batteriezelle in diese Serienschaltung eingebunden ist, wird von der Verschaltungszustandsermittlungseinheit der Übertragungszustand bestimmt, in dem die betreffende Batteriezelle elektrisch lediglich in einen Nebenast der Energieübertragungsleitung geschaltet ist. In einem solchen Übertragungszustand ist die Spannung zwischen zwei Polen der betreffenden Batteriezelle nicht zur Erhöhung der Spannung zwischen den Endabgriffsklemmen verwendbar. Dieser vorbestimmte Übertragungspfad kann in Abhängigkeit vom bestimmten Serienschaltungszustand oder Überbrückungszustand von der Datenübermittlungseinheit ausgewählt werden. Im Serienschaltungszustand kann dabei das Sensorsignal direkt über die Energieübertragungsleitung übermittelt werden. In diesem Fall kann das Sensorsignal beispielsweise unter Verwendung einer Powerline-Übertragungstechnik ohne die Verwendung einer zusätzlichen Datenleitung an das Auswertungsgerät übertragen werden. In dem Überbrückungszustand, in dem zumindest ein Pol der betreffenden Batteriezelle nicht in die Energieübertragungsleitung eingebunden verschaltet ist (d.h. in dem der Pol der Batteriezelle entkoppelt von einem anderen Pol einer weiteren Batteriezelle ist), kann hingegen das Sensorsignal unter Verwendung der Batteriegehäusewand anderes Auswertungsgerät übertragen werden. Diese Batteriegehäusewand kann in diesem Fall als Element verwendet werden, um eine elektrische Leitung durch den Nebenast, in dem die betreffende Batteriezelle im Übertragungszustand elektrisch angeordnet ist, zum Auswertungsgerät zu schließen.
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Die derartige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass bei unterschiedlichen Verschaltungen der einzelnen Batteriezellen zur Bereitstellung von unterschiedlichen Spannungsniveaus eine Datenübertragung über die gleiche Leitung erfolgen kann, über die auch die elektrische Energie von den einzelnen Batteriezellen übertragen wird. Ein solcher Ansatz bietet den Vorteil, dass auf eine separate Datenübertragungsleitung verzichtet werden kann, wodurch sich Herstellungskosten für eine Batteriesensordatenübertragungseinheit reduzieren lassen und zugleich durch eine verringerte Bauteilanzahl eine geringere Fehleranfälligkeit sichergestellt werden können. Wird jedoch eine Batteriezelle aus dieser Serienschaltung ausgekoppelt, würden sich die Sensordaten, die eine physikalische Größe, die diese spezielle ausgekoppelte Batteriezelle repräsentiert, nicht mehr zum Auswertungsgerät übertragen lassen. In einem solchen Fall lässt sich die betreffende, von der Energieübertragungsleitung teilweise abgekoppelte Batteriezelle in einem „separaten“ Stromkreis schalten, der über eine Batteriegehäusewand geschlossen wird und somit auch im Übertragungszustand eine Übertragung des Sensorsignals zum Auswertungsgerät ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich auf einfache und zuverlässige Weise eine kontinuierliche und weitgehend unterbrechungsfreie Auswertung von einer oder mehreren in einem oder mehreren Sensorsignalen enthaltenen physikalischen Größe(n) auswerten.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verschaltungszustandsermittlungseinheit ausgebildet sein, um den Serienschaltungszustand dann zu bestimmen, wenn Pole von zumindest drei Batteriezellen unter Verwendung der Energieübertragungsleitung in Reihe geschaltet sind. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Energieübertragungsleitung aufgebaut werden kann, über welche beispielsweise durch ein Multiplexen von unterschiedlichen Kombinationen einer Verschaltung der einzelnen Batteriezellen unterschiedliche Spannungspegel an den Abgriffsklemmen der Energieübertragungsleitung erreichbar sind. Bei einer derartig flexibel verschaltbaren Energieübertragungsleitung besteht ein besonders hoher Bedarf für eine zuverlässige und robuste Übertragung von Datensignalen über diese Energieübertragungsleitung, auch wenn einzelne Batteriezellen aus der Serienschaltung dieser Energieübertragungsleitung abgekoppelt werden.
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Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verschaltungszustandsermittlungseinheit ausgebildet sein, um den Serienschaltungszustand oder den Überbrückungszustand unter Auswertung einer Stellung eines Schalters zu bestimmen, der ausgebildet ist, um eine elektrische Kopplung des Pols der Batteriezelle an die Energieübertragungsleitung durchzuführen. Ein solcher Schalter kann beispielsweise ein Multiplexer sein, der die betreffenden Pole von einzelnen Batteriezellen auf unterschiedliche Weise miteinander verschaltet. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet Vorteil, dass bereits vorab definierte Schalterstellungen ausgewertet werden können und einen Rückschluss darauf gegeben, ob eine bestimmte Batteriezelle aktuell in eine Serienschaltung einer Energieübertragungsleitung eingebunden ist. Auf diese Weise kann sehr schnell und technisch sehr einfach der Überbrückungszustand bzw. der Serienschaltungszustand einer betreffenden Batteriezelle ermittelt werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verschaltungszustandsermittlungseinheit ausgebildet sein, um den Serienschaltungszustand oder den Überbrückungszustand unter Verwendung eines Messergebnisses in Bezug in Bezug auf einem Strom-, Energie- und/oder Leistungsfluss über die Energieversorgungsleitung zu ermittlen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer technisch einfachen Erkennung, ob die Batteriezelle, die mit der Batteriesensordatenübertragungseinheit gekoppelt ist, in Serie mit weiteren Batteriezellen geschaltet ist, sodass Energie über die Energieversorgungsleitung übertragen wird.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriesensordatenübertragungseinheit, bei der der Schalter unter Verwendung eines Steuersignals, insbesondere eines pulsweitenmodulierten Steuersignals, angesteuert wird, kann vorteilhaft die Datenübermittlungseinheit ausgebildet sein, um eine Ermittlung oder Ausgabe des Sensorsignals mit dem Steuersignal zu synchronisieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bereits durch die Auswertung des vorab bekannten pulsweitenmodulierten Steuersignals auch einen Rückschluss auf einen aktuell vorliegenden Serienschaltungszustand oder Überbrückungszustand für eine betreffende Batteriezelle möglich ist, ohne dass hierzu eine Messung oder Bestimmung des aktuellen Verschaltungszustands erforderlich ist. Durch eine Synchronisierung der Ausgabe oder der Ermittlung des Sensorsignals mit dem Steuersignal wird somit eine schnelle und nahezu unterbrechungsfreie Übertragung eines Sensorsignals an das Auswertungsgerät möglich.
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Besonders günstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Datenübermittlungseinheit ausgebildet ist, um das Sensorsignal, in dem Überbrückungszustand nicht unter Verwendung der Energieübertragungsleitung an ein Auswertungsgerät auszugeben und/oder um das Sensorsignal 168 in dem Serienschaltungszustand nicht unter Verwendung einer Batteriegehäusewand als Übertragungsmedium an das Auswertungsgerät auszugeben. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass lediglich im Überbrückungszustand das Batteriegehäuse als Übertragungsmedium eines Sensorsignals von einer bestimmten Batteriezelle an das Auswertungsgerät sichergestellt wird. Dies ermöglicht eine einfachere Auswertung bzw. einen einfacheren Empfang der Sensorsignale am Auswertungsgerät, da das Auswertungsgerät zu vorbestimmten Zeitpunkten das Sensorsignal 168 einer bestimmten Batteriezelle lediglich über einen einzigen Übertragungspfad zu erwarten braucht. Zugleich ist sichergestellt, dass möglichst häufig die Energieübertragungsleitung zu Übertragung des Sensorsignals verwendet wird, sodass Störungen minimiert werden können.
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Um eine eindeutige Zuordnung von Datensignalen in dem Auswertungsgerät sicherzustellen, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Datenübermittlungseinheit ausgebildet sein, um das Sensorsignal in einem der Batteriezelle eindeutig zuordenbaren Sensorsignalpaket zu codieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass mehrere Sensorsignale, die physikalische Größen aus unterschiedlichen Batteriezellen repräsentieren, in dem Auswertungsgerät der jeweils betreffenden Batteriezelle eindeutig zugeordnet werden können.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Batterieeinheit vorgesehen ist, die folgende Merkmale aufweist:
- – einen Batteriezellenverbund, der zumindest zwei Batteriezellen umfasst, wobei die Batteriezellen mittels einer Energieübertragungsleitung in Reihe schaltbar sind;
- – zumindest einen Sensor zur Bereitstellung eines Messwertes, der eine physikalische Größe in oder an einer der Batteriezellen repräsentiert; und
- – zumindest eine Batteriesensordatenübertragungseinheit gemäß einer vorstehend beschriebenen Variante.
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Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden können, sodass eine möglichst störungsarme Übertragung von einem Sensorsignal 168 kann, eine Auswertungseinheit bzw. einem Auswertungsgerät durchgeführt werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Batterieeinheit, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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2 Diagramme, die eine Synchronisation eines Schaltsignals für einen Schalter mit einer Ausgabe des Sensorsignals darstellen; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs 100 mit einer Batterieeinheit 110 zur Bereitstellung von elektrischer Energie an eine Leistungselektronikeinheit 115, wobei durch die von der Batterieeinheit 110 bereitgestellte Energie ein Elektromotor 120 betreibbar ist. In der Batterieeinheit 110 sind mehrere Batteriezellen 130 angeordnet, die zur besseren Unterscheidung mit dem Bezugszeichen 130a, 130b und 130c bezeichnet werden. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Batteriezellen 130 identisch aufgebaut, wobei dies nicht notwendigerweise immer zwingend erforderlich ist. Die Pole 135 der Batteriezellen 130 sind in Serie in einer Energieübertragungsleitung 140 miteinander verschaltet, sodass in dem Verschaltungszustand, der in 1 durchgezogen dargestellt ist, an den Abgriffsklemmen 145 der Batterieeinheit 110 Spannung zur Verfügung steht, die in der Summe der Spannungen zwischen den Polen 135 jeder der drei dargestellten Batteriezellen 130 entspricht. Um nun beispielsweise eine Wechselspannung oder zumindest einen variierenden Spannungspegel an den Klemmen 145 bereitstellen zu können, lässt sich der Verschaltungszustand der einzelnen Batteriezellen 130 mittels einer Verschaltungssteuereinheit 150 steuern. In einem sehr einfachen, nur der prinzipiellen Funktionsweise einer solchen Veränderung des Verschaltungszustandes dienenden Fall den 1 dargestellt ist, kann ein Schalter 160 durch ein Steuersignal 155 von einer Verschaltungssteuereinheit 150 derart angesteuert werden, dass er von der in 1 durchgezogen dargestellten Position in eine gestrichelt dargestellte Position gebracht wird, wodurch die im in 1 dargestellte mittlere Batteriezellen 130b aus der Serienschaltung der Energieübertragungsleitung 140 abgekoppelt wird. Sind jedoch die Pole 135 der mittleren 130b und der rechten Batteriezelle 130c (beispielsweise aus Gründen eines möglichst fehlerrobusten Schaltungsaufbaus) ist die mittlere Batteriezelle 130b als ein Nebenast der Energieversorgungsleitung 140 geschaltet, der für die Bereitstellung des Spannungspegels an den Klemmen 145 nicht relevant ist. In diesem Zustand, in dem die mittlere Batteriezelle 130b von der Serienschaltung abgekoppelt ist, befindet sich diese in einem Zustand, der in der nachfolgenden Beschreibung als Überbrückungszustand bezeichnet wird. Ist der Schalter 160 dagegen in der in 1 durchgezogen dargestellten Position, befindet sich die in 1 dargestellte mittlere Batteriezellen 130b in einem Zustand, der in der nachfolgenden Beschreibung als Serienschaltungszustand bezeichnet wird.
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Alle in 1 dargestellten Batteriezellen 130 umfassen je eine Batteriesensordatenübertragungseinheit 165. Die Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 umfasst eine Verschaltungszustandsermittlungseinheit 166 und eine mit der Verschaltungszustandsermittlungseinheit 166 gekoppelte Datenübermittlungseinheit 167. Die Verschaltungszustandsermittlungseinheit 166 ist ausgebildet, um einen Verschaltungszustand der betreffenden Batteriezelle 130 (also beispielsweise den Serienschaltungszustand oder den Überbrückungszustand) beispielsweise durch eine Messung des über die Pole der Batteriezelle 130 fließenden Stromes oder der der hierüber fließenden Energie/Leistung zu ermitteln. Die Datenübermittlungseinheit 167 ist ausgebildet, um eine von einem Sensor 162 erfasste physikalische Größe in ein Sensorsignal 168 zu überführen und dieses an ein Auswertungsgerät 170 zu übertragen. Die physikalische Größe, die der jeweils betreffende Sensor 162 erfasst, kann beispielsweise ein Druck oder eine Temperatur sein, der/die in oder an der jeweils betreffenden Batteriezellen 130a, 130b bzw. 130c herrscht. In dem Auswertungsgerät 170 kann eine Überwachung des Zustandes der einzelnen Batteriezellen 130 erfolgen und bei einer Erkennung einer Abweichung der physikalischen Größe in oder an einer der Batteriezellen 130 kann eine Warnung oder Handlungsempfehlung an einen Nutzer der Batterieeinheit 110 ausgegeben werden.
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Im Serienschaltungszustand kann die Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 das Sensorsignal 168 der jeweils betreffenden Batteriezellen 130 als eine Powerline-Signalübertragung zusätzlich zu der in der Energieversorgungsleitung 140 fließenden Energie auf die Energieversorgungsleitung 140 aufmodulieren, damit das Auswertungsgerät 170 die Sensorsignale von Energieübertragungsleitung 140 ausfiltern und auswerten kann. Wird nun jedoch die in 1 dargestellte mittlere Batteriezelle 130b durch ein Umschalten des Schalters 160 in den Übertragungszustand geschaltet, um an den Klemmen 145 einen sich ändernden Spannungspegel mit technisch einfachen Mitteln bereitzustellen, besteht zwischen der Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 der mittleren Batteriezellen 130b kein geschlossener Stromkreis mehr mit dem Auswertungsgerät 170. Ein Sensorsignal, welches eine die mittlere Batteriezelle 130b betreffende physikalische Größe enthält, könnte dann nicht mehr zum Auswertungsgerät 170 übertragen werden.
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Um dennoch eine Übertragung des Sensorsignals von der Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 der mittleren Batteriezellen 130b in einem Zeitpunkt sicherzustellen, in dem die betreffende Batteriezelle von der Energieversorgungsleitung 140 abgekoppelt oder zumindest nicht mehr in Reihe mit weiteren Batteriezellen 130 geschaltet ist, kann die Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 der mittleren Batteriezellen 130b beispielsweise einen hochfrequenten elektrischen Stromkreis mit dem Auswertungsgerät 170 schließen. Dies kann beispielsweise erfolgen, in dem es eine unter bestimmten Bedingungen datenübertragungsfähige Verbindung (beispielsweise als kapazitive Kopplung) über eine Wand 175 der mittleren Batteriezelle 130b und/oder eine Batterieeinheitsgehäusewand 180 zur Auswertungseinheit 170 herstellt, wobei das Auswertungsgerät 170 ebenfalls über eine ebenfalls unter bestimmten Bedingungen datenübertragungsfähige Verbindung (beispielsweise ebenfalls in einer kapazitiven Kopplung) mit der Batterieeinheitsgehäusewand 180 gekoppelt ist. Unter einer Wand der Batteriezelle 130 und/oder der Batterieeinheit 110 kann dabei eine Außenwand verstanden werden, die sich von einem Pol unterscheidet (bzw. von einem solchen Pool elektrisch isoliert ist), der speziell zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 130 und/oder der Batterieeinheit 110 vorgesehen ist. Alternativ kann auch eine durchgängige elektrisch leitende Verbindung zwischen der Batteriesensordatenübertragungseinheit 185 und dem Auswertungsgerät 170 vorliegen. Dieser Fall der Übertragung des Sensorsignals auf die Batteriezellenwand 175 bzw. Batterieeinheitsgehäusewand 180 ist in der 1 als gestrichelte Einspeisung des Sensorsignals 168 auf die Batteriezellenwand 175 dargestellt. Nun besteht auch ohne einen über die Energieversorgungsleitungen geschlossenen Strompfad zwischen der Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 und dem Auswertungsgerät 170 die Möglichkeit einer Übertragung des Sensorsignals 168 aus der mittleren Batteriezelle 130 an das Auswertungsgerät 170, da ein Pfad nun beispielsweise über die kapazitive Kopplung zwischen der Batteriezellenwand 175 und der Batteriegehäusewand 180 sowie zwischen der kapazitiven Kopplung zwischen der Batteriegehäusewand und der Auswertungseinheit 170 zumindest für hochfrequente Signale geschlossen wird. Alternativ oder zusätzlich zur Übertragung des Sensorsignals 168 über die Energieversorgungsleitung 140 kann auch das Sensorsignal 168 aus der betreffenden Batteriezelle 130b vollständig (d. h. nicht nur im Überbrückungszustand) unter Verwendung der Wand 180 der Batterieeinheit 110 erfolgen. Insbesondere in einem Fall, in dem viele bzw. alle Batteriezellen 130 der Batterieeinheit 110 fest, das heißt statisch, und nicht während des Betriebs voneinander trennbar miteinander verschaltet sind, lässt sich auf eine derartige Weise sehr einfach eine Übertragung der Sensorsignale aus den einzelnen Batteriezellen 130 bzw. den entsprechenden Batteriesensorübertragungseinheiten 165 bewerkstelligen. Hierzu kann beispielsweise eine Codierung des Sensorsignals durch die Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 bzw. jedes Sensorsignals je einer der Batteriesensordatenübertragungseinheiten verwendet, welche eine eindeutige Zuordnung des codierten Sensorsignals zu der das codierte Sensorsignal aussendenden Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 ermöglicht. Diese Codierung kann beispielsweise in der Form einer Code-Multiplex-Codierung erfolgen, bei der jeder der Batteriesensordatenübertragungseinheiten 165 in den einzelnen Batteriezellen 130 ein eigener Code zugeordnet ist, der von anderen Codes unterscheidbar ist.
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In einer solchen Ausführung ließe sich einerseits sicherstellen, dass jede Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 in der Lage ist, ein entsprechendes Sensorsignal 168 an die Auswertungseinheit bzw. das Auswertungsgerät 170 übertragen und zugleich eine Bestimmung des Verschaltungszustandes der betreffenden Batteriezelle in den Serienschaltungszustand oder den Überbrückungszustand vermieden werden kann. Andererseits ist eine derartige Übertragung von Informationen über eine Gehäusewand 180 der Batterieeinheit 110 möglicherweise gegen Störungen anfälliger, als die Übertragung von Informationen über die Energieversorgungsleitung 140. Auch ist es beispielsweise denkbar, dass eine hybride Form der Datenübertragung unter Verwendung der beiden zuvor genannten Ansatz erfolgt, beispielsweise in dem eine Statusinformation über die allgemeine Betriebsbereitschaft der jeweiligen Batteriesensordatenübertragungseinheiten 165 über eine Wand 180 der Batterieeinheit 110 an das Auswertungsgerät 170 übertragen werden, wogegen die Sensorsignale, welche je eine physikalische Größe innerhalb der betreffenden Batteriezelle 130 repräsentieren, über die Energieversorgungsleitung 140 übertragen werden. In diesem Fall ließe sich beispielsweise eine Reduktion von über die Energieversorgungsleitung 140 übertragenen Informationen realisieren, wogegen Daten, die keine so hohe Update-Rate erfordern, über einen alternativen Übertragungspfad, nämlich über die Wand 180 der Batterieeinheit 110, an das Auswertungsgerät 170 übertragen werden.
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Um eine besonders schnelle und effektive Umschaltung zwischen der Übertragung des Sensorsignals aus der mittleren Batteriezelle 130b zum Auswertungsgerät kann auch eine Synchronisation der Ausgabe des Sensorsignals der mittleren Batteriezelle 130b einerseits auf die Energieversorgungsleitung 140 und andererseits auf die Batteriezellenwand 180 erfolgen. Hierzu kann die Batteriesensordatenübertragungseinheit von der Verschaltungssteuerungseinheit 150 ein Signal erhalten, das ein Umschalten des Schalters 160 repräsentiert, sodass in der Batteriesensordatenübertragungseinheit 165 bereits sehr frühzeitig und ohne beispielsweise eine Messung eines Flusses von Energie über die Energieversorgungsleitung 140 erkennen kann, dass sie in den Überbrückungszustand geschaltet wurde. Auf diese Weise kann eine nahezu unterbrechungsfreie zumindest jedoch nur sehr kurzzeitig unterbrochene Datenübertragung des Sensorsignals an die Auswertungseinheit 170 sichergestellt werden.
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2 zeigt in dem oberen Teildiagramm einen Verlauf von Stellungen 1 (in 1 durchgesogen dargestellte Stellung) und 2 (in der 1 gestrichelt dargestellte Stellung) des Schalters 160, wie sie durch die Verschaltungssteuerungseinheit 150 angesteuert wird. In dem mittleren Diagramm ist ein zeitlicher Wechsel zwischen dem Serienschaltungszustand X und dem Überbrückungszustand Y der mittleren Batteriezelle 130b zu entnehmen. Dabei ist ersichtlich, dass durch eine Synchronisation der Stellung des Schalters 160 und der durch den Verschaltungszustand der mittleren Batteriezelle 130b erforderlichen Schaltung eines bestimmten Pfades für die Übertragung des Sensorsignals gemäß dem unteren Teildiagramm aus der 2 (x für die Übertragung des Sensorsignals über die Energieversorgungsleitung 140, y für die Übertragung des Sensorsignals über die Masseverbindung) eine sehr einfache und robuste Übertragung des Sensorsignals von der mittleren Batteriezelle 130b zum Auswertungsgerät 170 sichergestellt werden kann.
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In der 1 wurde zur besseren Verständlichkeit der Grundlagen des hier vorgestellten Ansatzes die Erläuterung der Grundidee eines Ausführungsbeispiels der Erfindung auf die Überbrückung lediglich einer Batteriezelle 130 abgestellt. Die in 1 dargestellte Verschaltung bzw. Überbrückungsmöglichkeit kann natürlich auch auf die Überbrückung von beliebig vielen einzelnen Batteriezellen 130 oder die Überbrückung von mehreren Batteriezellen 130 gleichzeitig erweitert werden, wobei das vorstehend vorgestellte Konzept auf den jeweils verwendeten Fall einfach angepasst werden kann. Auch können für die einzelnen Batteriezellen 130 zeitlich unterschiedliche lange Überbrückungszustände vorgehen sein, um eine gewünschte Spannung an den Klemmen 145 zu erhalten. Hierzu kann dann der Schalter bzw. die Schalter 160 von der Verschaltungssteuerungseinheit 150 durch (je) ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden, sodass die gewünschte zeitliche Abfolge von Serienschaltungszuständen und Überbrückungszuständen für die einzelnen Batteriezellen implementiert werden kann.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 300 zur Übertragung von Batteriesensordaten. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bestimmens 310 eines Serienschaltungszustandes, in dem ein Pol einer Batteriezelle mit einem Pol zumindest einer weiteren Batteriezelle mittels einer Energieübertragungsleitung in Reihe geschaltet ist und/oder Bestimmen eines Überbrückungszustandes, in dem der Pol der Batteriezelle nicht mit dem einen Pol der zumindest einen weiteren Batteriezelle in Reihe geschaltet ist. Weiterhin umfasst das Verfahren 300 einen Schritt des Ausgebens 320 eines Sensorsignals, welches eine physikalische Größe in oder an der Batteriezelle repräsentiert, in dem Serienschaltungszustand unter Verwendung der Energieübertragungsleitung an ein Auswertungsgerät und/oder Ausgeben des Sensorsignals in dem Überbrückungszustand unter Verwendung einer Batteriegehäusewand und/oder einer Wand einer Batteriezelle als Übertragungsmedium an das Auswertungsgerät. Speziell kann jedoch auch gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung das Verfahren einen Schritt des Ausgebens 320 eines Sensorsignals umfassen, welches eine physikalische Größe in oder an der Batteriezelle repräsentiert, wobei das Ausgeben unter Verwendung einer Batteriegehäusewand und/oder einer Wand einer Batteriezelle als Übertragungsmedium an das Auswertungsgerät erfolgt.
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Zusammenfassend ist anzumerken, dass zur Umsetzung der Erfindung eine Ausführungsform einer Batterie verwendet werden kann, bei der eine Veränderung der Batteriespannung durch eine Verschaltung von unterschiedlichen Batteriezellen ermöglicht wird, wobei im Grundzustand beispielsweise alle Batteriezellen 130 in Reihe geschaltet werden können. Um eine Wechselspannung am Ausgang der Batterie 110 zu erzeugen, werden Module d. h. Batteriezellen 130 oder Gruppen davon (logische und schaltungstechnische Gruppierung mehrerer Zellen innerhalb der Batterie) in dieser Reihenschaltung überbrückt. Dadurch kann die Ausgangsspannung der Batterie 110 als Summe der nicht überbrückten Module variiert werden.
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Ein Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes besteht darin, die Kommunikation eines Sensorsystems 165, 162 innerhalb einer Batterie mit variabler Ausgangsspannung 110 zu ermöglichen, obwohl einzelne Batteriezellen aufgrund der Funktionsweise der Batterie vom Batteriezellstrang 140 abgekoppelt, bzw. überbrückt, sind. Beim überbrückten Modul 130b ist mindestens einer seiner Anschlüsse 135 durch einen Leistungsschalter 160 abgetrennt. Gleichzeitig wird auf Batterieebene eine Überbrückung der Anschlüsse 135 vorgenommen um die Serienschaltung der restlichen Module 130a bzw. 130c aufrechtzuerhalten. Damit bildet das Modul 130b einen Seitenast mit totem Ende im Batteriestrang 140, es ist keine Powerline-Kommunikation mehr möglich.
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Der vorstehend vorgestellte Aspekt zielt dabei insbesondere darauf ab, die Beschränkung einer Kommunikation via Powerline auf die Phasen in denen die Daten austauschende Zelle 130 nicht vom Rest des Batteriestranges 140 abgehängt. Dies kann durch Synchronisation der Kommunikation mit der Pulsweitenmodulationsfrequenz der Batterie mit variabler Ausgangsspannung erfolgen. Ein derartiger Ansatz bietet mehrere Vorteile, beispielsweise die Möglichkeit eine Kommunikation trotz zeitweise unterbrochener Übertragungsstrecke zu ermöglichen. Auch wird ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand eine Powerline-Kommunikation innerhalb einer Batterie mit variabler Ausgangsspannung ermöglicht. Ein derartiger Ansatz kann generell bei allen solchen Batterien verwendet werden.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel ermöglicht die Nutzung des Batterie(zellen)gehäuses um den Übertragungspfad vom Seitenast zum Auswertungsgerät wiederherzustellen. Ein Übertragungspfad benötigt einen DC oder zumindest hochfrequent geschlossenen Stromkreis. Dies ist beim abgekoppelten Seitenast 130b nicht gegeben, dieser kann aber über kapazitive Kopplung vom Sensorsystem zum mit Fahrzeugmasse verbundenen Batteriegehäuse wiederhergestellt werden. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet ebenfalls Vorteile, beispielsweise ist auch eine Kommunikation innerhalb einer Batterie mit variabler Ausgangsspannung möglich bei der einzelne Zellen oder Zellmodule abgekoppelt werden. Auch dieser Aspekt kann generell bei allen Batterien mit variabler Ausgangsspannung verwendet werden.
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Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft als Vorrichtung, bzw. Ausprägung eines Sensorsystems mit elektrischen und elektronischen Komponenten verwenden, welches in eine Batteriezelle (z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges) ein- oder angebaut werden kann. Der vorstehend vorgestellte Ansatz dient dazu, Daten zwischen dem Sensorsystem und einem zentralen Auswertungsgerät auszutauschen, obwohl einzelne Batteriezellen aufgrund der Funktionsweise des in der Batterie eingesetzten Verfahrens zur Generierung einer variablen Ausgangsspannung vom Batteriezellstrang abgekoppelt, bzw. überbrückt, sind.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009036086 A1 [0003]
