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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Entladen von Antriebsbatterien.
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Ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) kann von einem Verbrennungsmotor und einer Antriebsbatterie angetrieben werden. Ein Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) enthält eine Antriebsbatterie, die aufgeladen werden kann, indem sie mit einer externen Energiequelle verbunden wird. Ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) enthält keinen Verbrennungsmotor und wird nur durch eine Antriebsbatterie angetrieben. HEVs, PHEVs und BEVs sind drei Beispiele für Fahrzeuge, die wenigstens zum Teil von einer Antriebsbatterie angetrieben werden. In derartigen Anwendungen kann die Antriebsbatterie einen Batteriesatz enthalten, der einzelne Zellen aufweist, die während des Betriebs aufgeladen und entladen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung enthält ein Fahrzeug einen Batteriesatz und eine Elektromaschine. Der Batteriesatz enthält mehrere Batteriezellen. Die Elektromaschine ist dazu konfiguriert, elektrische Energie aus dem Batteriesatz in Antriebsleistung umzuformen, um das Fahrzeug anzutreiben. Eine oder mehrere Steuerungen sind dazu konfiguriert, ein Entladen der Zellen als Reaktion auf das Detektieren eines Fehlerzustands zu veranlassen. Das Entladen der Zellen ermöglicht es dem Batteriesatz, einen Ladezustand von ungefähr Null oder darunter zu erreichen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Fahrzeugansteuerung das Entladen mehrerer Zellen einer Antriebsbatterie als Reaktion auf einen Fehlerzustand, so dass die Zellen einen Ladezustand von ungefähr Null oder darunter erreichen.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das eine Antriebsbatterie und ein zugehöriges Steuerungsmodul aufweist;
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2 ist eine grafische Darstellung eines Entladens der Antriebsbatterie aus 1;
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines manuellen Entlademechanismus für eine Antriebsbatterie; und
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4 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zum Tiefentladen von Batteriezellen.
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Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Allerdings versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um einem Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können diverse, mit Bezug auf jede beliebige der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Allerdings können verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit der Lehre dieser Offenbarung übereinstimmen, für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
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Mit Bezug auf 1 wird ein Fahrzeug 10 bereitgestellt. Das Fahrzeug kann ein HEV, ein PHEV, ein BEV oder irgendein anderes Fahrzeug sein, das wenigstens zum Teil von einem Antriebsbatteriesystem 12 angetrieben wird. Das Batteriesystem 12 ist elektrisch mit einer Elektromaschine oder einem Elektromotor/Generator (M/G) 14 verbunden. Der M/G 14 kann als ein Generator betrieben werden, indem er zum Beispiel Drehmoment von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) oder Drehmoment von Rädern 16 durch Bremsenergierückgewinnung aufnimmt.
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Alternativ kann der M/G 14 als ein Elektromotor betrieben werden. Das heißt, dass der M/G 14 gespeicherte Energie vom Batteriesystem 12 in mechanische Energie zum Bewegen der Räder 16 umformen kann.
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Das Batteriesystem 12 enthält einen Batteriesatz 18, der mehrere einzelne Batteriezellen 20 aufweist. Jede der Batteriezellen 20 kann einzeln aufgeladen oder entladen werden, wie weiter erörtert werden wird. Jede Batteriezelle 20 ist mit einem entsprechenden Widerstand 22 in Reihe über einen Schützkontakt 24 verbunden. In anderen Beispielen können die Zellen 20 parallel mit einem oder mehreren Widerständen 22 verbunden sein. Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich. Die Schützkontakte 24 können selektiv geöffnet oder geschlossen werden, um die elektrische Verbindung zwischen den Zellen 20 und ihren jeweiligen Widerständen 22 herzustellen.
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Das Fahrzeug 10 enthält weiterhin ein Batteriesteuerungsmodul (BCM, battery control module) 26, das das Batteriesystem 12 steuert, und eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC, vehicle system controller) 28, die sowohl das BCM 26 als auch andere Steuerungen (nicht dargestellt) innerhalb des Fahrzeugs 10 steuert. Somit können sich Bezugnahmen auf das BCM 26 oder auf eine „Steuerung“ auf eine oder mehrere Steuerungen im Fahrzeug 10 beziehen, die aktiv das Batteriesystem 12 steuern können. Das BCM 26 kann das Batteriesystem 12 anweisen, Strom vom M/G 14 oder einer außerhalb des Fahrzeugs 10 befindlichen Energiequelle aufzunehmen, um Strom an den M/G 14 zu liefern, bzw. dazu, Strom über die Widerstände 22 zu entladen. Das BCM 26 kann ebenfalls das Aufladen einzelner Zellen 20 überwachen und regeln.
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Das BCM 26 kann eine Balance oder relatives Gleichgewicht im Ladezustand („SOC“) zwischen den Zellen 20 aufrechterhalten. Zell-Balancieren kann zum Beispiel erreicht werden, indem Energie von einer Zelle 20 zu einer anderen transferiert wird, oder indem Energie in den Zellen 20 abgebaut wird, so dass sie alle eine gemeinsame Spannung erreichen, bevor sie schließlich aufgeladen werden. Während des Zell-Balancierens oder des normalen Entladens der Zellen 20 kann ein Mindest-SOC in den Zellen 20 erreicht werden. Bei ihrem Mindest- SOC weisen die Zellen 20 ungefähr ihre geringste zulässige Ladung auf, wie sie vom BCM 26 vorgegeben wird, wobei das BCM 26 das Zell-Balancieren oder das Wiederaufladen der Zellen anweist. Das BCM 26 kann ebenfalls den SOC des Batteriesatzes 18 vorgeben und steuern, so dass der Batteriesatz 18 als Ganzes in ähnlicher Weise einen Mindest-SOC definiert.
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Das Tiefentladen einer oder mehrerer Zellen 20 könnte unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein. Nachdem zum Beispiel das Fahrzeug 10 dauerhaft abgeschaltet wurde, könnte ein bestimmter Ladungspegel in den Zellen 20 des Batteriesystems 12 verbleiben. Diese verbleibende Ladung könnte Probleme verursachen. Deswegen ermöglicht die hier erörterte Technologie das Tiefentladen einer oder mehrerer Zellen 20.
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Das BCM 26 kann die Schütze 24 steuern. Sobald das BCM 26 einen vorbestimmten Fehlerzustand (Trigger-Bedingung) detektiert, veranlasst das BCM 26 das Schließen der Schützkontakte 24, so dass wenigstens einige der Zellen 20 die in ihnen gespeicherte Energie über die Widerstände 22 entladen. Bei Detektieren der Trigger-Bedingung kann das BCM 26 eine oder alle Zellen 20 zum Entladen anweisen, so dass die Zellen 20 einen SOC unterhalb des Mindest-SOC erreichen. In einem Beispiel kann das BCM 26 alle Batteriezellen 20 zum Entladen anweisen. In einem anderen Beispiel kann das BCM 26 eine ausgewählte Gruppe Batteriezellen 20 zum Entladen anweisen. In noch einem anderen Beispiel kann das BCM 26 eine ausgewählte Gruppe Batteriezellen 20 zum Entladen anweisen, während es eine andere ausgewählte Gruppe Batteriezellen aktiviert bzw. aktiv hält, die nicht an irgendeine Trigger-Bedingung gebunden sind. In einigen Umsetzungen sind die Widerstände 22 solche, wie sie für normalen Batteriesystem- oder Zell-Balancier-Betrieb verwendet werden. Andere Umsetzungen können einen dafür bestimmten Widerstandssatz enthalten, der spezifisch für Tiefentladevorgänge ausgelegt ist. Zusätzliche Anordnungen werden ebenfalls in Betracht gezogen.
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Die Trigger-Bedingung, die das Entladen der Batterie 12 initialisiert, kann automatisch erzeugt werden. Zum Beispiel kann die VSC 28, als Reaktion auf das Detektieren, dass das Fahrzeug 10 in einen Unfall verwickelt ist, ein Meldesignal an das BCM 26 senden. Diese Meldung kann dieselbe Meldung sein, die die Airbags auslöst und die Treibstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor unterbricht. In einer solchen Situation weist das BCM 26 das Schließen der Schützkontakte 24 an, um die Zellen 20 zu entladen. Eine andere Trigger-Bedingung kann eintreten, wenn die VSC 28 detektiert, dass eine oder mehrere Zellen 20 sich in anomaler Art und Weise aufladen bzw. entladen. Als Reaktion auf diese Trigger-Bedingung weist die VSC 28 das Entladen dieser besonderen Zellen 20 an. Das heißt, dass die VSC das Schließen der Schützkontakte 24 anweist, die mit diesen besonderen Zellen 20 verknüpft sind. Noch ein anderer Trigger kann eintreten, wenn die VSC 28 eine maßgebliche Überladung oberhalb eines Schwellenwerts detektiert (z. B. eine Ladung über 100 % SOC). Dann kann die VSC 28 das Entladen der Zellen 20 anweisen. Andere automatische Trigger-Bedingungen werden in Betracht gezogen, bei denen die VSC 28 bestimmt, ob ein Entladen einer oder mehrerer Zellen 20 nötig ist. Die Trigger-Bedingung, die das Entladen der Batterie 12 initialisiert, kann auch manuell erzeugt werden, wie weiter mit Bezug auf 3 erörtert werden wird.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 wird ein Kurvenbild der Zellspannung über der Zeit veranschaulicht. Wie gezeigt wird, versteht sich, dass nicht notwendigerweise die Maximalspannung einer Zelle 20 erreicht ist, wenn die Zelle 20 vollständig aufgeladen ist (d. h. 100% SOC). Stattdessen kann 100% SOC mit einem empfohlenen oberen Spannungsgrenzwert assoziiert werden. Wenn zum Beispiel die Maximal-Zellspannung 10 Volt beträgt, dann kann 100% SOC als ungefähr 8 Volt definiert sein. Deswegen werden die Steuerungen des Fahrzeugs 10 typischerweise jedes Aufladen über 100% SOC verhindern, um ungünstigen Einfluss auf die Lebensdauer bzw. den Betrieb der Zelle zu vermeiden. Der Gesamt-SOC des Batteriesatzes 18 kann als ungefähr 70 Volt oder darunter definiert sein, und dieser Spannungsgrenzwert kann mehr oder weniger von der Anzahl der Batteriezellen 20 im Batteriesatz 18 abhängen. Ähnlich kann 0% SOC mit einem empfohlenen unteren Spannungsgrenzwert oder Mindest-SOC, wie vorher erörtert, assoziiert sein. Wenn zum Beispiel die Mindest-Zellspannung 0 Volt beträgt, dann kann 0% SOC als ungefähr 2 Volt definiert sein. Deswegen werden die Steuerungen des Fahrzeugs 10 typischerweise jedes Entladen unter 0% SOC verhindern, um ungünstigen Einfluss auf die Lebensdauer bzw. den Betrieb der Zelle zu vermeiden.
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Anfangs wird die Spannung ausgewählter Zellen 20 (oder aller Zellen 20) entsprechend normaler Auflade- und Entladeanweisungen betrieben, wie sie vom BCM 26 vorgegeben werden. Sobald eine Trigger-Bedingung von der VSC 28 detektiert wird, weist die VSC 28 ein Entladen der ausgewählten Zellen 20 (oder aller Zellen 20) an, um die ausgewählten Zellen 20 abzuschalten oder den Batteriesatz 18 gemäß den hierin beschriebenen Verfahren funktionsunfähig zu machen. Die Zellen 20 bauen ihre Energie als Wärme über die mit ihnen verknüpften Widerstände 22 ab. Sobald die Spannung in den Zellen 22 einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat, weist die VSC 28 den Stopp des Entladens an, und das zukünftige Aufladen der Zellen 20 kann abgeschaltet werden. Im Beispiel aus 2 stoppt das Entladen der Zellen 20, sobald der SOC der Zellen 20 unter 0% SOC fällt. Dies stellt sicher, dass eine Mindestspannung in den tiefentladenen Zellen 20 verbleibt. In einer anderen Ausführungsform stoppt das Entladen der Zellen 20, sobald der SOC der Zellen 20 unter ungefähr 10% SOC fällt. In noch einer anderen Ausführungsform stoppt das Entladen der Zellen 20, sobald der SOC der Zellen 20 unter ungefähr 20% SOC fällt. Andere Schwellenwerte werden in Betracht gezogen und können in Abhängigkeit davon variieren, wie niedrig der SOC sein muss, um das Risiko von Schäden beim Auftreten der Trigger-Bedingung zu reduzieren oder auszuschließen.
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In einem Beispiel aus dem Normalbetrieb werden fünf ausgewählte Zellen im Batteriesatz 18 auf 30% SOC, 32% SOC, 34% SOC, 35% SOC bzw. 37% SOC entleert. Das BCM 26 detektiert einen niedrigen SOC in den Zellen und weist entsprechend das Wiederaufladen der Zellen an. Der „Mindest-SOC“, der das BCM 26 dazu triggert, ein Wiederaufladen der Zellen anzuweisen, kann zum Beispiel 25% SOC betragen. Beim Detektieren der Trigger-Bedingung werden allerdings die ausgewählten Zellen bis auf ungefähr 5% SOC und gänzlich unter den Mindest-SOC entleert. In einem anderen Beispiel weisen während des Zell- Balancierens fünf ausgewählte Zellen anfangs 4,2 V, 4,4 V, 4,7 V, 4,8 V bzw. 5,0 V auf. Während des Zell-Balancierens bestimmt das BCM 26 die Zelle mit der niedrigsten Spannung (4,2 V), entlädt jede der verbleibenden ausgewählten Zellen auf ungefähr 4,2 V und lädt jede der Zellen 20 wieder auf, um die fünf Zellen 20 „auszubalancieren“. Die „Mindestspannung“, die das Zell-Balancieren zu jedem beliebigen Zeitpunkt triggert, kann zum Beispiel 4,0 V betragen, so dass die Zellen 20 während des normalen Betriebs bzw. des Zell-Balancierens nicht unter 4,0 V entladen werden. Beim Detektieren der Trigger-Bedingung werden allerdings die ausgewählten Zellen 20 bis auf ungefähr 1,7 V und gänzlich unter die „Mindestspannung“ entladen.
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Mit Bezug auf die 1 und 3 ist die Batterie 12 in einem Batteriegehäuse 50 eingeschlossen. Das Gehäuse 50 kann zum Beispiel hinter einem Rücksitz 52 innerhalb eines Stauraums des Fahrzeugs 10 angeordnet sein. Wie vorher beschrieben, kann es möglich sein, eine Trigger-Bedingung manuell zu initialisieren, um das Entladen des Batteriesatzes 18 zu verursachen. Eine manuelle Entladeeinrichtung, wie zum Beispiel ein Zugstift 54, kann mit dem BCM 26 oder direkt mit der Batterie 12 verbunden sein und sich unterhalb der unteren Außenseite des Fahrzeugs 10 erstrecken. Wenn der Zugstift 54 betätigt wird und von einem Nutzer gezogen wird, aktiviert das BCM 26 das Entladen des Batteriesatzes 18. Der Zugstift 54 kann alternativ direkt mit einer oder mit mehreren Batteriezellen 20 verbunden sein, so dass das Ziehen des Zugstifts 54 die Schützkontakte 24 schließt und die Zellen 20 entladen werden.
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Es versteht sich, dass der Zugstift 54 lediglich ein Beispiel für eine manuelle Entladeeinrichtung ist. In anderen Beispielen kann die manuelle Entladeeinrichtung ein Druckknopf, eine Schlaufe, ein Stecker oder ähnliches sein. Die manuelle Entladeeinrichtung kann auch eine Auswahlmöglichkeit auf einer Anzeigeeinrichtung im Fahrzeug 10 sein, über die der Nutzer eine Möglichkeit zum Entladen des Batteriesatzes 18 auswählen kann. Auch wird in Betracht gezogen, dass die manuelle Entladeeinrichtung mit einer oder mit mehreren einzelnen Batteriezellen 20 verbunden sein kann, so dass der Nutzer das Entladen ausgewählter Zellen 20 aktivieren kann.
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Mit Bezug auf die 1 und 4 wird ein Algorithmus 100 zum Steuern des Tiefentladens von Batteriezellen veranschaulicht. Der Algorithmus 100 kann zum Beispiel durch die VSC 28 umgesetzt werden. Mit der Operation 102 detektiert die VSC 28 einen Fehlerzustand, wie zum Beispiel die, die hierin beschrieben wurden. Mit der Operation 104 aktiviert die VSC 28 das Entladen der Batterie 12, des Batteriesatzes 18 oder einer oder mehrerer ausgewählter einzelner Batteriezellen 20. Dies wird zum Beispiel durch Schließen der Schützkontakte 24 erreicht. Mit der Operation 106 fährt die VSC 28 fort, den SOC der Batterie 12 bzw. der Zellen 20 während des gesamten Entladens zu überwachen.
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Mit der Operation 108 bestimmt die VSC 28, ob der SOC des Batteriesatzes 18 oder ausgewählter Zellen 20 bei ungefähr Null oder darunter liegt. Wenn der SOC des Batteriesatzes 18 oder ausgewählter Zellen 20 nicht unterhalb dieses Schwellenwertes liegt, fährt die VSC 28 fort, den SOC der Batterie 12 bzw. der Zellen 20 zu überwachen. Wenn der SOC des Batteriesatzes 18 oder ausgewählter Zellen 20 unterhalb dieses Schwellenwertes liegt, dann weist die VSC 28 mit der Operation 110 das Anhalten des Entladens an. Mit der Operation 112 kann die VSC 28 weiteres Aufladen des Batteriesatzes 18 bzw. ausgewählter Zellen 20 unterbinden, so dass der Ladezustand in etwa bei weniger als Null oder gleich Null verbleibt. Die VSC 28 könnte zum Beispiel abschalten, dass irgendwelche Aufladeanweisungen erstellt werden usw.
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Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren und Algorithmen können an ein verarbeitendes Bauelement, an eine Steuerung oder an einen Computer ausgebbar sein bzw. von diesen umgesetzt werden, wobei diese irgendeine vorhandene programmierbare elektronische Steuerungseinheit oder eine zweckmäßige elektronische Steuerungseinheit enthalten können. Analog können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen ausführbar sind, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien dauerhaft gespeichert sind, wie zum Beispiel auf ROM-Bauelementen, bzw. Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien veränderlich gespeichert sind, wie zum Beispiel auf Floppydisks, Magnetbändern, CDs, RAM-Bauelementen oder anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch mit einem als Software ausführbaren Objekt umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder in Teilen unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten umgesetzt werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsautomaten, Controllern oder anderen Hardware-Komponenten oder -Bauelementen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware- Komponenten.
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Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass damit vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abgewichen würde. Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können, wie vorher beschrieben, kombiniert werden, so dass sie weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht wurden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder gegenüber Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Charakteristika bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden können, um erwünschte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Eigenschaften können, ohne darauf beschränkt zu sein, Folgendes enthalten: Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Konfektionierung, Größe, Service-Freundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.
