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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Isolationswiderstands bei einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Elektrische Hochvolt- bzw. Hochspannungssysteme in Fahrzeugen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise handelt es sich dabei um Batteriesysteme und/oder Brennstoffzellensysteme, welche Antriebsenergie für das Fahrzeug speichern bzw. erzeugen. Der Begriff Hochvolt- bzw. Hochspannung geht dabei auf die ECE R 100 zurück, welche Hochspannung so definiert, dass dies die Spannung ist, für die ein elektrisches Bauteil oder ein Stromkreis ausgelegt ist, dessen Effektivwert der Betriebsspannung zwischen 60 V und 1500 V (Gleichstrom) oder 30 V und 1000 V (Wechselstrom) liegt.
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Für Fahrzeuganwendungen entscheidend ist es nun aus Sicherheitsgründen, dass eine derartige Hochspannung nicht in Bereichen des Fahrzeugs anliegt, in denen das Fahrzeug im herkömmlichen Betrieb berührt werden kann, also beispielsweise im Bereich der Karosserie. Daher ist es notwendig, zwischen den einzelnen Hochvoltkomponenten, welche in einem Brennstoffzellensystem verbaut sind, und der Fahrzeugmasse einen ausreichenden Isolationswiderstand vorzusehen. Die bereits angesprochene ECE R 100 gibt den Isolationswiderstand so vor, dass bei einem Elektroantrieb aus getrennten Gleichstrom- oder Wechselstromsammelschienen für die Gleichstromsammelschienen mindestens 100 Ω/V und bei Wechselstromsammelschienen mindestens 500 Ω/V eingehalten werden. Bei einem Antrieb aus kombinierten Gleichstrom- und Wechselstromsammelschienen müssen es durchgehend mindestens 500 Ω/V sein.
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Der Gesamtisolationswiderstand wird dabei gemessen und überwacht. Fällt er unter diesen vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert, müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Typischerweise ist dies ein Abschalten des Systems bzw. bei einem fahrenden Fahrzeug ein Verhindern des Wiederstarts nach einem erfolgenden Abstellen des Fahrzeugs, da typischerweise davon ausgegangen wird, dass eine Notabschaltung im Fahrbetrieb ein höheres Sicherheitsrisiko darstellt als ein Weiterfahren bei nicht mehr in der vollen Höhe verfügbarem Isolationswiderstand.
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In einem Brennstoffzellensystem sind typischerweise mehrere Hochvolt-Komponenten verbaut. Normalerweise liegen diese elektrisch parallel zueinander in dem System, sodass sich der Gesamtisolationswiderstandswert, welcher gemessen wird, als Reziprokwert aus der Summe der Kehrwerte der einzelnen, parallelen Isolationswiderstandswerte ergibt. Bei der dabei zu betrachtenden Parallelschaltung der elektrischen Widerstände ist damit prinzipbedingt der kleinste Wert eines Isolationswiderstands entscheidend für den Wert des Gesamtisolationswiderstands. Da der Gesamtisolationswiderstand bei Parallelschaltungen immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand ist. Insbesondere bei Brennstoffzellenfahrzeugen liegt dieser kleinste Wert des Isolationswiderstandes häufig im Bereich des Kühlkreislaufs, da hier das Kühlmittel mit den elektrisch leitfähigen Teilen der Brennstoffzelle einerseits und mit Rohrleitungen, welche mit der Fahrzeugmasse verbunden sind, andererseits in Kontakt steht. Konstruktive Maßnahmen wie beispielsweise das Verringern des Querschnitts oder das Vergrößern der Länge der Kühlstrecke zwischen der Brennstoffzelle und der Anbindung an die Fahrzeugmasse sind typischerweise schwierig zu realisieren, da hier die Möglichkeiten durch den verfügbaren Bauraum einerseits und durch die tolerierbaren Druckverluste in dem Kühlsystem andererseits beschränkt werden. Auch die Leitfähigkeit des Kühlmittels, welches typischerweise bereits über Ionentauscher während des Betriebs in seiner Leitfähigkeit reduziert wird, lässt sich nicht ohne weiteres weiter verringern. Zu dieser Problematik insbesondere hinsichtlich des Ionentauschers kann auf die zum allgemeinen Stand der Technik gehörende
DE 10 2012 218 639 A1 hingewiesen werden.
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Typischerweise ist es nun so, dass wie oben angesprochen der Isolationswiderstand durch die Messung eines Werts des Isolationswiderstands überwacht wird. Um einen sicheren Betrieb des Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem gewährleisten zu können, wird typischerweise beim Unterschreiten des Sicherheitsgrenzwerts das System abgeschaltet bzw. ein im Betrieb befindliches System nach einer Abschaltung blockiert, sodass es nicht wieder in Betrieb genommen werden kann. Das System wird dabei im Betrieb typischerweise nicht abgeschaltet, da die Gefahr eines Unfalls bei einer sofortigen schlagartigen Abschaltung während der Fahrt zu meisten höher eingestuft wird, als die Gefahr dass fehlerhafte Teile während der Fahrt berührt werden.
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Nun ist es aber allgemein sinnvoll und üblich, dass man der Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs nach Möglichkeit vorwarnt, um ihm einen Werkstattbesuch zu ermöglichen, wenn sich Probleme hinsichtlich des Isolationswiderstands zeigen. Man definiert daher typischerweise einen vorgegebenen Grenzwert, welcher in der Regel oberhalb des gesetzlichen Grenzwertes bzw. des Sicherheitswertes liegt, beispielsweise bei einem doppelt so hohen Wert. Wird dieser Wert unterschritten, dann wird dem Fahrer angezeigt, dass ein Problem vorliegt, gegebenenfalls mit der Aufforderung, die Werkstatt aufzusuchen. Parallel dazu sind natürlich weitere Möglichkeiten denkbar wie beispielsweise das Eintragen des Unterschreitens des Grenzwerts in einen Fehlerspeicher, welcher dann bei einem turnusgemäßen Werkstattbesuch ausgelesen werden kann, und dergleichen.
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Typischerweise ist die Messung des Isolationswiderstands relativ ungenau. Deshalb ist es notwendig, um die Sicherheit in allen Fällen zu gewährleisten, dass der vorgegebene Grenzwert einen deutlichen Abstand zu dem Sicherheitsgrenzwert aufweist, sodass beispielsweise bei einem gesetzlich geforderten Sicherheitsgrenzwert von 100 Ω/V der vorgegebene Grenzwert zur Warnung des Fahrers zum Beispiel bei 200 Ω/V liegt. Auf diesen Wert wird das System dann ausgelegt.
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In der Praxis führt dies zu einem sehr unbefriedigenden Verhalten des Brennstoffzellensystems. Setzt man die Warngrenzen relativ hoch an so kommt es dazu, dass unnötig oft eine Warnung erfolgt, mit den jeweils unangenehmen Folgen für den Fahrer, dass dieser die Werkstatt aufsuchen muss. Dies stellt für den Nutzungskomfort einen erheblichen Nachteil dar, wobei die Auslösung gemäß den Erfahrungen der Erfinder sehr häufig aufgrund kurzzeitig auftretender Probleme und Einflüsse auftritt, ohne dass dies tatsächlich mit einem nachhaltig geschädigten Isolationswiderstand zu tun hat. Möchte man die beschriebenen unnötigen Warnungen vermeiden, so muss das System so auslegen, dass noch zusätzlich Puffer zum Warnwert vorhanden ist. Dies ist mit erheblichem systemischem Aufwand bezüglich Kosten, Gewicht und Bauraum verbunden. Setzt man den Grenzwert für die Warnung relativ niedrig an so kommt es in der Regel häufiger zu Abschaltungen. D. h. für den Kunden, dass er zwar weniger häufig gewarnt wird, die Warnungen können dann aber zu spät kommen um noch eine Werkstatt auf zu suchen.
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Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung des Isolationswiderstands bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Betriebsverfahren für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, in welchem der Isolationswiderstand nach einem derartigen Verfahren überwacht wird, mit den Merkmalen im Anspruch 6 die Aufgabe. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass bestimmte Abläufe während des Betriebs und auch im Stillstand des Brennstoffzellensystems einen deutlichen Einfluss auf den Isolationswiderstand einzelner Hochvolt-Komponenten haben. Eine solche Veränderung des Isolationswiderstands unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems lässt jedoch den Rückschluss darauf zu, dass der Isolationswiderstand nicht nachhaltig beeinträchtigt ist, bzw. dass es hier keine entsprechende Probleme mit dem elektrischen Isolationswiderstand gibt, welche ein Handeln erforderlich machen würden (Vorausgesetzt die gesetzlichen Grenzwerte werden eingehalten). Aus diesem Grund ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daher vorgesehen, dass der vorgegebene Grenzwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern wenigstens einer der einzelnen Hochvolt-Komponenten angepasst wird. Treten also messbare oder ohnehin gemessene Betriebsparameter im Bereich einer der Hochvolt-Komponenten auf, welche bekanntermaßen den Isolationswiderstand dieser Hochvolt-Komponente – z. B. nur vorrübergehend – verschlechtern und damit den Gesamtisolationswiderstand verringern, dann stellt dies typischerweise kein Problem dar, welches eine Warnung an den Fahrer erforderlich macht. Wird nun in Abhängigkeit dieser Betriebsparameter der vorgegebene Grenzwert entsprechend reduziert, dann kann eine Warnung aufgrund einer solchen temporären aufgrund bestimmter Betriebsparameter auftretenden Verringerung des eklektischen Isolationswiderstands verhindern werden. Dies führt zu deutlich weniger unnötigen Warnungen an den Fahrer des Fahrzeugs und erhöht damit letztlich den Fahrkomfort und die gefühlte Zuverlässigkeit des mit dem Brennstoffzellensystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestatteten Fahrzeugs.
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Insbesondere kann es nun so sein, dass gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens eine der Hochvolt-Komponenten der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems ist, wobei als Betriebsparameter zumindest die Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf verwendet wird. Im Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems wird typischerweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol eingesetzt, da dieses eine hohe Wärmekapazität, einen guten Schutz gegen Einfrieren und gleichzeitig eine vergleichsweise geringe Viskosität aufweist und somit einen energieeffizienten Betrieb des Kühlkreislaufs ermöglicht. Dabei ist trotz der typischerweise vorhandenen Ionentauscher eine geringe Leitfähigkeit in dem Kühlmedium bzw. Kühlwasser des Kühlkreislaufs nie gänzlich zu vermeiden. Im Temperaturbereich zwischen 20°C und den Maximaltemperaturen der Brennstoffzelle von derzeit knapp 100°C verändert sich die Leitfähigkeit in dem Kühlmedium bei unverändertem Kühlmedium aufgrund der Tatsache, dass mit höherer Temperatur die Viskosität sinkt und sich die elektrisch leitenden Teilchen in dem Kühlmedium schneller bewegen können. Typischerweise ist dies ein linearer Zusammenhang, sodass beispielsweise bei 20°C eine elektrische Leitfähigkeit von 3,8 μS/cm vorliegt, während es bei 95°C bereits 21,8 μS/cm sind. Sinkt nun also der Isolationswiderstand im Kühlkreislauf aufgrund der stark erhöhten Temperatur des Kühlmediums während des Betriebs ab, so ist dies im regulären Betrieb üblich und erlaubt eine Reduzierung des Grenzwerts, ohne dass damit ein Sicherheitsproblem einhergeht. Vielmehr lässt sich bei bekannten Einzelisolationswiderständen der parallelen Hochvolt-Komponenten sogar zurückrechnen, wie sich der Isolationswiderstand des Kühlkreislaufs als Hochvolt-Komponente aufgrund der Temperaturdifferenz ändern müsste. Ändert er sich über diesen Wert hinaus, muss erneut von einem Problem ausgegangen werden, sodass in diesem Fall dann die Warnung ausgelöst werden kann. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass der Grenzwert in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums entsprechend um den sich sinnvoll ergebenden Betrag reduziert wird. Wird dieser Grenzwert dann noch weiter unterschritten, so liegt ein Sicherheitsproblem vor und die Warnung wird ausgelöst, was in diesem Fall dann ja auch gerechtfertigt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass als Betriebsparameter nach einem Start des Brennstoffzellensystems die Dauer einer vorherigen Stillstandszeit des Brennstoffzellensystems vor diesem Start verwendet wird. Lange Stillstandszeiten haben insbesondere auf die Leitfähigkeit des Kühlmittels eine nachteilige Auswirkung. Während langer Stillstandszeiten beispielsweise von mehreren Tagen oder Wochen können sich in dem Kühlmittel schwer lösliche Stoffe wie beispielsweise Flussmittel aus Wärmeübertragern in erhöhten Konzentrationen in Lösung gehen. Außerdem können Korrosionsprozesse an Metalloberflächen ablaufen, was ebenfalls die Ionenkonzentration in dem Kühlmittel erhöht. Auch aus Kunststoffkomponenten können sich Stoffe lösen, die im Kühlmittel die Ionenkonzentration erhöhen oder zu einer PH-Wert-Verschiebung führen, indem sie Stoffe abgeben, die eine saure oder alkalische Wirkung verursachen und dadurch die Leitfähigkeit in dem Kühlmittel erhöhen. Im regulären Betrieb wird über einen Ionentauschprozess die Menge an Ionen in dem Kühlsystem entsprechend verringert. Da beim Stillstand des Systems die Kühlmedienpumpe nicht in Betrieb ist und der Ionentauscher nicht durchströmt wird, kann sich bei einer längeren Stillstandszeit eine zumindest lokal erhöhte Ionenkonzentration ausbilden, die beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems durch das Anlaufen der Kühlmittelpumpe im gesamten Kühlkreislauf verteilt wird und eine höhere Leitfähigkeit des Kühlmittels bewirkt, als gewünscht. Im weiteren Prozess wird die Ionenkonzentration dann wirksam durch den Ionentauscher reduziert, da die Ionenaustauschrate typischerweise wesentlich höher ist als der Ioneneintrag. Allerdings kann es nun unmittelbar nach dem Start zu einer entsprechend hohen Leitfähigkeit und damit einem sehr geringen Isolationswiderstand kommen. Dies ist jedoch bekanntermaßen der langen Stillstandszeit geschuldet, sodass, wie oben ausgeführt, als weiterer Betriebsparameter diese Stillstandszeit entsprechend berücksichtigt werden kann. Ist also bekannt, dass das Fahrzeug bzw. das mit ihm ausgestatte Brennstoffzellensystem über eine längere Zeit stillgestanden ist, dann lässt sich daraus ableiten, beispielsweise indem entsprechende Erfahrungswerte in einem Kennfeld gespeichert sind, wie hoch die zu erwartende Ionenkonzentration bzw. Leitfähigkeit des Kühlmittels sein darf. Wird ein entsprechender Wert des Isolationswiderstands gemessen, welcher diesem Wert entspricht, dann kann durch eine Anpassung und Korrektur des Grenzwerts verhindert werden, dass eine in diesem Fall unnötige Warnung erzeugt wird. Mit zunehmender Betriebsdauer des Fahrzeugs und dadurch stattfindendem Ionenaustauschprozess kann dann der Grenzwert wieder entsprechend angehoben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass als Betriebsparameter eine ablaufende bzw. abgelaufene Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Im Rahmen einer solchen Abschaltprozedur wird sich typischerweise Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellensystem sammeln und gegebenenfalls im Bereich der Leitungen auskondensieren. Länge und Betriebsparameter dieser Abschaltprozedur werden nun häufig aufgrund von zu erwartenden Gegebenheiten beim Wiederstart gesteuert. So kann beispielsweise, wenn ein Wiederstart bei Temperaturbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser zu erwarten ist, eine weitaus bessere Trocknung des Brennstoffzellensystems erfolgen, als wenn dies nicht der Fall ist. In diesem Fall verbleibt dann vergleichsweise viel Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellensystem. Wird das Brennstoffzellensystem in diesem Zustand wieder gestartet, dann kann ein Feuchtigkeitsfilm beispielsweise in den Zu- und Ableitungen zu den Anoden- und Kathodenräumen der Brennstoffzellen auftreten. Bildet sich ein durchgehender Feuchtigkeitsfilm in den Leitungen, beispielsweise aufgrund einer größeren Menge von auskondensierter Flüssigkeit, da aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen auf eine intensive Trocknung des Systems verzichtet worden ist, kann dies eine höhere elektrische Leitfähigkeit und damit einen geringeren Isolationswiderstand der betroffenen Hochvolt-Komponente zur Folge haben. Auch dies lässt sich entsprechend berücksichtigen. Durch eine geeignete Reduzierung des Grenzwerts kann dem unnötigen Erzeugen einer Warnung sinnvoll begegnet werden.
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Neben der bereits angesprochenen Temperatur, welche am Beispiel des Kühlkreislaufs beschrieben worden ist, welche aber auch auf andere Komponenten durchaus eine die elektrische Leitfähigkeit bzw. den Isolationswiderstand beeinflussende Wirkung aufweist, können also auch andere Parameter entsprechend berücksichtigt und in die Anpassung bzw. Absenkung des Grenzwerts bei Bedarf eingebunden werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Betriebsverfahren für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gelöst. Bei dem Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem wird der Isolationswiderstand gemäß dem oben beschriebenen Verfahren überwacht. Bei dem Betriebsverfahren ist es dabei so, dass beim Unterschreiten des Grenzwerts geprüft wird, ob ein Betriebsparameter so angepasst oder beschränkt werden kann, dass ein weiterer Betrieb möglich ist, insbesondere dass der Sicherheitsgrenzwert nicht unterschritten wird bzw. ein entsprechend der Genauigkeit der Messtechnik ausreichend großer Abstand zu diesem Sicherheitsgrenzwert eingehalten wird. Das Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem kann also nach dem Unterschreiten des Grenzwerts, insbesondere falls ein weiteres Absinken des elektrischen Isolationswiderstands in Richtung des Sicherheitsgrenzwerts droht, so betrieben werden, dass ein Weiterbetrieb des Fahrzeugs – wenn auch mit eingeschränkter Funktionalität – möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist es dabei vorgesehen, dass als wenigstens einer der Betriebsparameter die Temperatur wenigstens einer Hochvolt-Komponente verwendet wird. Diese Temperatur, welche die Komponententemperatur insbesondere jedoch auch die Temperatur des Kühlmittels sein kann, hat, wie oben bereits erläutert, einen entscheidenden Einfluss auf den Isolationswiderstand. Am einfachsten lässt sich dies am Beispiel der Kühlmitteltemperatur erläutern. Legt man den oben beschriebenen linearen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit, dem Kehrwert des Isolationswiderstands, und dem Kühlmittel zugrunde, dann lässt sich im Umkehrschluss ausrechnen, dass ein entsprechender Temperaturwert des Kühlmittels nicht überschritten werden darf, wenn ein entsprechender Wert des Gesamtisolationswiderstands eingehalten werden muss. Um einen Gesamtisolationswiderstand beim Unterschreiten des Grenzwerts zu gewährleisten, welcher oberhalb des Sicherheitsgrenzwerts bleibt, kann deshalb gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens die Temperatur, insbesondere des Kühlmittels, in ihrem Maximalwert beschränkt werden. Die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem arbeitet dann typischerweise mit verringerter Leistung, sodass sichergestellt ist, dass die Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Maximalwert von beispielsweise 70°C nicht überschreitet. Der dabei auftretende Isolationswiderstand ist dann zwar kleiner als bei Umgebungstemperatur, ist jedoch in dem beschriebenen Beispiel immer noch ausreichend, um zu verhindern, dass der Gesamtisolationswiderstand unter den Sicherheitsgrenzwert fällt.
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Durch eine entsprechende Begrenzung der Temperatur einer Hochvolt-Komponente, beispielsweise des Kühlmittels im Falle, dass die Hochvolt-Komponente der Kühlkreislauf ist, kann also erreicht werden, dass das Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem bei verringerter elektrischer Leistung weiter betrieben werden kann, ohne dass der Sicherheitsgrenzwert für den Gesamtisolationswiderstand unterschritten wird. Dies ermöglicht insbesondere zusammen mit einer an den Fahrer ausgegebenen Warnung eine vorübergehende Weiterfahrt, welche beispielsweise ausreichend ist, um eine Werkstatt zu erreichen, in der dann überprüft werden kann, im Bereich welcher der Hochvolt-Komponenten das Problem mit dem Isolationswiderstand aufgetreten ist, welches durch eine Beschränkung beispielsweise der Temperatur des Kühlmittels, zumindest insoweit „neutralisiert” worden ist, dass die vorübergehende Weiterfahrt bei reduzierter Antriebsleistung möglich war.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218639 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ECE R 100 [0002]
- ECE R 100 [0003]