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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Ladungsrückführung nach Motor-Stopp-Phasen. Dabei betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Ladungsrückführung sowie ein Steuergerät für ein Automobil, welches eingerichtet ist, die mit dem Verfahren verbundenen Vorteile zu verwirklichen.
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Aktuelle Fahrzeuge sind in der Mehrheit mit einer Motor-Start/Stopp-Automatik ausgerüstet. Dabei wechselt der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zwischen einem Betriebszustand (der Verbrennungsmotor läuft) und einem Bereitschaftszustand (ein baldiger Wiederstart ist abzusehen) in Abhängigkeit vordefinierter Betriebssituationen. Als Energiespeicher zum Stützen des Bordnetzes wird üblicherweise eine Blei-Säure-Batterie in verschiedenen Ausführungen eingesetzt. Zusätzlich wird häufig eine Funktion zur Bewegungsenergierückgewinnung eingesetzt (Rekuperation). Diese bedingt einen teilentladenen Betrieb der Blei-Säure-Batterie, um Kapazität für rückgewonnene Energie bereitzuhalten. Dabei wird ein System zur Ladezustandsüberwachung (Power-Management) eingesetzt, welches anhand verschiedener Kriterien den Batteriezustand ermittelt und entsprechende Maßnahmen ergreift. Üblicherweise reagiert das Power-Management auf den Ladezustand des Energiespeichers, sofern der Ladezustand überhaupt ermittelt wird. Während der Stopp-Phase des Fahrzeugs im Motor-Start/Stopp-Modus wird die Batterie signifikant entladen, was den Ladezustand messbar absenkt. Bekannte Power-Management-Verfahren ergreifen jedoch erst dann Gegenmaßnahmen, wenn ein gewisser Schwellwert des Ladezustandes erreicht wird. Dies ist erst nach einer Vielzahl von Motor-Stopp-Situationen der Fall und erschwert bei Erreichen des Schwellwerts die Rückführung der Ladungsmenge erheblich.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in Abhängigkeit der Vorgeschichte, z. B. in Form der entnommenen Ladungsmenge (welche sich aus dem Entladestrom über der Zeit ergibt) oder der entnommenen Energiemenge (welche sich aus der entnommenen Leistung über der Zeit ergibt) oder anderer geeigneter Größen, wie z. B. Entladestromstärke, Dauer und Häufigkeit bzw. Summendauer in einem vordefinierten Zeitintervall von Motor-Stopps, unmittelbar nach dem Wiederstart des Verbrennungsmotors die entnommene Ladungsmenge vollständig oder teilweise zurückzuführen. Die dafür herangezogene Ladespannung kann in Abhängigkeit der Batterietemperatur, des Ladezustands, des tatsächlichen Ladestroms, der Motor-Stopp-Dauer und der Motor-Stopp-Entladung sowie der Motor-Stopp-Historie in Form der in den Motor-Stopp-Phasen entnommenen Ladungsmenge (bzw. Energiemenge) über eine vordefinierte Dauer oder eine vordefinierte Häufigkeit in einem definierten Zeitbereich festgelegt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur optimierten Ladungsrückführung nach Motor-Stopp-Phasen umfasst dabei den Schritt eines Ermittelns einer Kenngröße für eine Energieentnahme während einer vordefinierten Anzahl unmittelbar zurückliegender Motor-Stopp-Phasen aus einem Energiespeicher. Mit anderen Worten wird die Motor-Stopp-Historie hinsichtlich einer festen Anzahl zurückliegender Motor-Stopp-Phasen ermittelt und der anschließenden Ladungsrückführung zugrunde gelegt. Alternativ kann ein vordefiniertes Zeitintervall als Basis für die Historie zur Ermittlung der Kenngröße herangezogen werden, wobei auch das vordefinierte Zeitintervall unmittelbar vor der Ermittlung der Kenngröße liegt. Als Auslöser für das Ermitteln kann beispielsweise ein automatisch durchgeführter Motorstart (mittels der Motor-Stopp/Start-Automatik) dienen. Der Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator in Blei-Säure-Technologie sein. Selbstverständlich sind auch andere Batterien bzw. chemische Zusammensetzungen vorteilhaft für die erfindungsgemäß optimierte Ladungsrückführung verwendbar. Anschließend wird eine Vorgabe zur Ladungsrückführung in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße festgelegt. Die Kenngröße kann beispielsweise eine Ladungsmenge und/oder eine Energiemenge sein, welche beispielsweise durch eine Strommessung in der Stopp-Phase in Verbindung mit der aktuellen Bordnetzspannung ermittelt werden kann. Die aufgrund der Kenngröße ermittelte Vorgabe kann als eine Zielgröße verstanden werden, auf welche der Energiespeicher idealerweise in Anbetracht der Betriebssituation des Fortbewegungsmittels bzw. des Energiespeichers zu bringen ist. Auf diese Weise wird es möglich, den Wirkungsgrad bei der Ladungsrückführung in einen Energiespeicher eines Fortbewegungsmittels deutlich zu erhöhen, da der zeitliche Zusammenhang zwischen Entladung und Ladungsrückführung erfindungsgemäß Berücksichtigung findet.
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Beispielsweise kann die Vorgabe einer elektrischen Sollspannung innerhalb eines Bordnetzes zugeordnet sein. Dabei ist ein Wert für die Sollspannung beispielsweise verwendbar, um den Generator zur Aufladung des Energiespeichers über einen Verbrennungsmotor anzusteuern. Es kann als ”Vorgabe” auch ein solcher Wert oder eine solche Größe bzw. ein solcher Parameter verstanden werden, welcher dazu dient, zum Beispiel eine aus dem Energiespeicher entnommene Energiemenge über einen bestimmten Zeitraum und/oder zu einem bestimmten Prozentsatz zurückzuführen, bevor dies zu einem späteren Zeitpunkt erst mit einem erheblich schlechteren Wirkungsgrad möglich ist. Dabei können beispielsweise Kennfelder zum Zusammenhang zwischen einer Ladespannung, einem Entladestrom während eines Motor-Stopps und der rückgeführten Ladung herangezogen werden. Auf Beispiele für solche Kennfelder wird im Zuge der Figurenbeschreibung genauer eingegangen.
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Weiter bevorzugt können zusätzlich unterschiedliche Informationen herangezogen werden, um die Vorgabe erfindungsgemäß zu ermitteln. Beispielsweise kann eine aktuelle Situation eines Fahrzeugs zugrunde gelegt werden, aus welcher sich ein bestimmter situationsbedingter Bedarf zur Ladungsrückführung ergibt. Wird beispielsweise erkannt, dass das Fahrzeug in einem Stau bzw. einer Stop-and-go-Situation verweilt, ist nicht anzunehmen, dass eine baldige Rekuperation (Bewegungsenergierückgewinnung) signifikante Energiemengen in den Energiespeicher zurückführen wird. Daher kann die Vorgabe eine Rückführung von Energie mittels der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs begünstigen. Wird hingegen festgestellt, dass das Fahrzeug sich auf einer Bergstraße bergab bewegt, kann davon ausgegangen werden, dass über Rekuperation ein etwaiger Bedarf an elektrischer Energie mit einem höheren Wahrscheinlichkeitsgrad über Rekuperation zurückgeführt werden kann.
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Bevorzugt kann die Situation eine zukünftige Situation berücksichtigen. Dabei kann beispielsweise durch Auswertung einer vordefinierten Route des Fahrzeugs (z. B. mittels eines Navigationssystems) ermittelt werden, welche Fahrsituationen für das Fahrzeug als höchstwahrscheinlich bevorstehend anzunehmen sind. Auf diese Weise ist eine noch vorausschauendere Anpassung der Vorgabe zur Ladungsrückführung möglich.
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Zusätzlich können entlang der vordefinierten Route ermittelte Verkehrssituationen (Sperrung, Stau, Unfall etc.) berücksichtigt werden, um die erfindungsgemäße Ladungsrückführung durch Definition der entsprechenden Vorgabe weiter zu verbessern.
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Werter bevorzugt kann die Vorgabe in Abhängigkeit einer Temperatur innerhalb des Fahrzeugs festgelegt werden. Da die Temperatur in erheblichem Maße den Innenwiderstand des Energiespeichers beeinflusst, kann auf diese Weise eine günstige Gelegenheit zur Ladungsrückführung mit verbessertem Wirkungsgrad noch besser erkannt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Abhängigkeit der Vorgabe vom Ladezustand eines Energiespeichers berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann die Vorgabe in Abhängigkeit eines aktuellen Ladezustands („state of charge”, SOC) eines Energiespeichers angepasst werden. Beispielsweise kann die Vorgabe in Richtung geringerer zurückzuführender Energiemengen korrigiert werden, wenn der Ladezustand des Energiespeichers recht hoch ist. Anders herum kann die Vorgabe dazu verwendet werden, bei niedrigem Ladezustand für ein vermehrtes Einspeisen elektrischer Energie in den Energiespeicher angepasst zu werden. Auf diese Weise kann mittels der Vorgabe eine Versorgungssicherheit durch den Energiespeicher besser gewährleistet werden.
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Bevorzugt ist der Energiespeicher ein elektrochemischer Energiespeicher. Beispiele für chemische Zusammensetzungen elektrochemischer Energiespeicher sind ”Blei-Säure-Batterien”, ”Nickel-Metallhydrid-Batterien”, ”Lithium-Ionen/Lithium-Polymer-Batterien” etc. Durch eine erfindungsgemäße Definition einer Vorgabe zur Ladungsrückführung kann der Wirkungsgrad beim Laden elektrochemischer Energiespeicher, welche im Start/Stopp-Betrieb wiederkehrend geladen und entladen werden, verbessert werden.
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Das Ermitteln der Kenngröße kann im Ansprechen auf einen Motor-Start-Vorgang erfolgen. Mit anderen Worten wird im Ansprechen auf einen automatischen Motorstart durch die Motor-Start/Stopp-Automatik eines Fahrzeugs eine Kenngröße ermittelt (z. B. aus einem Speicher ausgelesen), welche die Energieentnahme während der letzten Stopp-Phase charakterisiert. Dies ermöglicht eine zeitnahe Rückführung und einfache Ermittlung einer für einen Laderückführungsvorgang mit hohem Wirkungsgrad aussagekräftigen elektrischen Größe.
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Weiter bevorzugt kann die Vorgabe in Abhängigkeit eines Ladestroms eines Energiespeichers festgelegt werden. Mit anderen Worten kann die Vorgabe zusätzlich eine Abhängigkeit von einem aktuellen Ladestrom berücksichtigen, so dass beispielsweise nach einer zunächst festgelegten Vorgabe eine Ladestrom-abhängige Korrektur der Vorgabe vorgenommen wird. Der Ladestrom ist für eine Vielzahl aktueller elektrischer Parameter des Bordnetzes und insbesondere des Energiespeichers aussagekräftig und kann als Indikator für den Wirkungsgrad eines aktuellen Ladevorgangs verwendet werden.
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Weiter bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines Ermittens einer Verwirklichung der Vorgabe. Mit anderen Worten wird eine Kongruenz zwischen der Vorgabe und einem Ist-Zustand des Energiespeichers ermittelt und im Ansprechen darauf die erfindungsgemäß optimierte Ladungsrückführung beendet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abbruchbedingung ermittelt werden, aus welcher sich ergibt, dass eine Ladungsrückführung mit erhöhtem Wirkungsgrad, wie ihn die vorliegende Erfindung beabsichtigt, nicht mehr oder nur noch mit unwesentlichem Vorteil durchführbar ist. Eine solche Abbruchbedingung kann sich beispielsweise aus einer Temperatur (insbesondere. des Energiespeichers) und/oder einem aktuellen Ladestrom des Energiespeichers und/oder einem Ladezustand des Energiespeichers ergeben. Temperatur, Ladestrom und Ladezustand können in unterschiedlichen Kennfeldern miteinander in Beziehung gesetzt werden, aus welchen sich in Abhängigkeit einer Eingangsgröße (z. B. die ”Kenngröße”) ein Maß für die Effizienz einer erfindungsgemäß optimierten Ladungsrückführung ermitteln lässt. Bevorzugt kann im Ansprechen auf ein Ermitteln einer verwirklichten Vorgabe oder einer Abbruchbedingung eine im Wesentlichen Ladezustands-abhängige Ladungsrückführung aufgenommen werden, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Mit anderen Worten kann im Ansprechen auf die vorgenannten Ereignisse die vorgabeabhängige Ladungsrückführung beendet und ausschließlich eine Kenngröße für den Ladezustand (z. B. Spannung, Leerlaufspannung etc.) des elektrischen Energiespeichers zur Steuerung der Ladungsrückführung verwendet werden. Dies vereinfacht die Ladungsrückführung und mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Informationsverarbeitung in solchen Fällen, in welchen die Vorteile gering ausfallen oder gar nicht zu erwarten sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuergerät zur Ladezustandsüberwachung eines Energiespeichers innerhalb eines Fahrzeugs umfassend eine Verarbeitungseinrichtung vorgeschlagen. Die Verarbeitungseinrichtung ist dabei eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, wie es oben in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt des Verfahrens eingehend diskutiert worden ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm, veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Steuergerät zur Ladezustandsüberwachung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Diagramm, veranschaulichend die rückgeführte Ladung über der Ladespannung in Abhängigkeit der Temperatur des Energiespeichers; und
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4 ein Diagramm veranschaulichend die rückgeführte Ladung über der Ladespannung in Abhängigkeit der Temperatur nach Entladung mit einem gegenüber der 3 erhöhten Entladestrom.
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1 zeigt ein Flussdiagramm, in welchem Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft dargestellt sind. In Schritt 100 wird ermittelt, dass ein automatischer Motorstart durch die Motorstart/Stopp-Automatik eines Fahrzeugs stattgefunden hat. Da das Bordnetz während der vorhergehenden Stopp-Phase durch den elektrochemischen Energiespeicher gestützt wurde, wird in Schritt 200 eine Kenngröße für die Energieentnahme während der letzten Motor-Stopp-Phase ermittelt. Die Kenngröße während der letzten Motor-Stopp-Phase kann beispielsweise eine entnommene Ladungsmenge und/oder eine entnommene Energie berücksichtigen. In Schritt 300 wird eine Fahrzeug-Situation ermittelt. Dabei wird festgestellt, dass das Fahrzeug sich in einem Verkehrsstau und in größerer Entfernung zu einer Strecke mit freier Fahrt im Rahmen seiner vordefinierten Route befindlich ist. Infolge dessen und aufgrund der aktivierten Start-Stopp-Automatik ist eine zeitnahe Ladungsrückführung aufgrund eines längeren ununterbrochenen Betriebes der Verbrennungsmaschine also nicht zu erwarten. In Schritt 400 wird zusätzlich die Temperatur der Batterie ermittelt. Aufgrund des Verkehrsstatus und der aktiven Start/Stopp-Automatik sind mehr Lade-/Entlade-Vorgänge pro Zeiteinheit mit entsprechenden Verlustleistungen innerhalb der Batterie für eine erhöhte Temperatur der Batterie aufgrund ihrer Verlustleistung sowie etwaigen Motorabwärmeeintrags verantwortlich. In Schritt 500 werden zusätzlich der Ladezustand des Energiespeichers ermittelt. In Schritt 600 wird zusätzlich die Dauer und Anzahl unmittelbar zurückliegender Motor-Stopp-Phasen innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls ermittelt. Aus den ermittelten Größen wird in Schritt 700 eine Vorgabe zur Ladungsrückführung festgelegt. Dabei gehen die ermittelten (Betriebs-)Größen in eine erfindungsgemäß ermittelte Kenngröße ein. Erfindungsgemäß dient diese zur Abschätzung, inwiefern Energie eingespart werden kann, indem eine rechtzeitige Ladungsrückführung bei besserem Wirkungsgrad vorgenommen werden kann, da Sekundärreaktionen und Diffusionsvorgänge innerhalb der Batterie als elektrochemischem Energiespeicher noch nicht abgeschlossen sind. in Schritt 800 wird entsprechend der Vorgabe die Ladungsrückführung durchgeführt. Beispielsweise wird im Ansprechen auf die Vorgabe eine Generatorspannung durch entsprechende Dimensionierung des Erregerstroms des Generators geregelt, um eine möglichst rasche Ladungsrückführung vorzunehmen. Sofern erforderlich erfolgt z. B. zyklisch oder im Ansprechen auf eine Verfügbarkeit neuer Messwerte eine Anpassung und/oder Korrektur der Vorgabe. Nach der Durchführung der Ladungsrückführung entsprechend der Vorgabe wird zusätzlich in Schritt 900 eine Verwirklichung der Vorgabe ermittelt. Mit anderen Worten wird die aus der Kenngröße ermittelte Möglichkeit einer Ladungsrückführung mit günstigem Wirkungsgrad als erfolgreich realisiert eingestuft und das erfindungsgemäße Verfahren beendet, indem die Ladezustandsüberwachung des Energiespeichers fortan mittels bekannter Verfahren ermittelt wird. Wie eingangs ausgeführt, wird dabei im Wesentlichen ein Ladezustand des Energiespeichers vordefiniert, unterhalb dessen ein Aktivieren eines Start/Stopp-Assistenten unterbunden wird. Mitunter wird auch eine Temperatur (z. B. des Energiespeichers selbst) berücksichtigt, um die Widerstartfähigkeit des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Ladezustands sicherstellen zu können.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 1, welches einen Verbrennungsmotor 4 sowie einen Generator 5 zum Laden eines Energiespeichers 2 umfasst. Der Energiespeicher 2 ist mit einem Batteriesensor 6 ausgestattet, welcher eingerichtet ist, eine Temperatur, die aktuelle Batteriespannung, einen Ladungszustand (z. B. über die Klemmenspannung und/oder Stromintegration), einen Lade-/Entladestrom und ggf. andere relevante Größen des Energiespeichers 2 zu ermitteln. Ein Steuergerät 3 weist eine Verarbeitungseinheit 7 auf, mittels welcher das Steuergerät 3 eingerichtet ist, Kenngrößen des Energiespeichers 2 aufzunehmen und einer entsprechenden Ansteuerung des Generators 5 zugrunde zu legen. Dabei kann die Verarbeitungseinheit Programmcode umfassen, welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren zur optimierten Ladungsrückführung bei seiner Ausführung verwirklicht.
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3 zeigt ein Diagramm mit fünf Graphen. Die fünf Graphen beschreiben einen Zusammenhang einer rückgeführten Ladung in Ampere-Sekunden über einer Ladespannung in Volt bei einem Ladezustand von 90% und einem Entladestrom von 60 A nach einem unmittelbar vorausgegangenen Motor-Stopp bei fünf verschiedenen Temperaturen (25°C, 10°C, 0°C, –10°C und –25°C). Erkennbar steigt die rückgeführte Ladung in Abhängigkeit der Ladespannung mit steigender Temperatur erheblich schneller an. Umgekehrt gesprochen ist bei höheren Temperaturen eine geringere Ladespannung erforderlich, um bei feststehendem Entladestrom von 60 A während eines vorangegangenen Motor-Stopps eine bestimmte Ladungsmenge in den Energiespeicher zurückzuführen. 3 zeigt zudem, dass die innerhalb von für einen Ladevorgang von 4 Minuten vorgesehene rückführbare Ladungsmenge bei 25°C bereits bei 13,4 V erreicht wird. Bei tieferen Temperaturen muss hingegen mit deutlich höheren Ladespannungen gearbeitet werden.
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4 zeigt das in 3 vorgestellte Diagramm für einen um 30 A erhöhten Entladestrom für die Dauer eines unmittelbar vorausgehenden Motor-Stopps. Der erhöhte Entladestrom während des Motor-Stopps äußert sich beispielsweise im Graphen für 25°C derart, dass die maximale rückgeführte Ladung anstatt bei 13,4 V (in 3) erst bei 13,6 V erreicht wird. Entsprechend verändern sich auch die Graphen repräsentierend die Vorgänge bei den übrigen Temperaturen. 4 zeigt überdies, dass bei stärkerer Belastung während einer Motor-Stopp-Phase (zum Beispiel durch einen Entladestrom von 90 A in 4 gegenüber einem Entladestrom von 60 A in 3) die erforderliche Ladespannung zur Rückführung der Ladungsmenge zunimmt. Die Erhöhung der Belastung aus dem Motor-Stopp kann auch durch eine längere Dauer und/oder eine Häufung innerhalb eines definierten Zeitraums hervorgerufen werden. Diese drei Faktoren können erfindungsgemäß gleichermaßen berücksichtigt werden. Dies kann anhand der realen Zeitdauern, der Entladungsmenge, dem mittleren Entladestrom oder einer Kombination der vorgenannten Größen erfolgen.
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Speziell Blei-Säure-Batterien haben eine stark von der Vorgeschichte abhängige Ladungsaufnahmefähigkeit. Diese ist besonders gut nach unmittelbar vorhergehender Entladung, wie beispielsweise in einer Motor-Stopp-Phase. Sekundärreaktionen und Diffusionsvorgänge sind kurz nach erfolgter Entladung noch nicht vollständig abgeschlossen und können so mit besonders hohem Wirkungsgrad umgekehrt werden. Durch die vorgeschlagene Technik lässt sich die entnommene Ladung aufgrund der guten Ladungsaufnahmefähigkeit mit einem guten Wirkungsgrad zurückführen. Zudem verringert sich durch die unmittelbare Rückladung der Alterungseinfluss des getätigten Energieumsatzes, was sich positiv auf die Lebensdauer des Energiespeichers auswirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Energiespeicher
- 3
- Steuergerät
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- Generator
- 6
- Batteriesensor
- 7
- Verarbeitungseinheit
