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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Überwachen und Steuern einer Luftströmung in einem Brennstoffzellenstapel. Genauer, jedoch nicht ausschließlich, betrifft diese Offenbarung eine Detektion von Undichtigkeiten oder Blockaden in einem Luftlieferpfad, der derart konfiguriert ist, eine Luftströmung durch einen Brennstoffzellenstapel zu leiten.
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HINTERGRUND
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Personenkraftfahrzeuge können Brennstoffzellen-(”FC”-)Systeme aufweisen, um gewisse Merkmale von elektrischen Systemen sowie Antriebsstrangsystemen eines Fahrzeugs mit Leistung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann ein BZ-System in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Antriebsstrangkomponenten des Fahrzeugs direkt (z. B. elektrische Fahrmotoren und dergleichen) und/oder über ein Zwischen-Batteriesystem mit Leistung zu beaufschlagen. Ein BZ-System kann eine einzelne Zelle aufweisen oder kann alternativ mehrere Zellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, aufweisen. Mehrere Brennstoffzellen können in einen BZ-Stapel kombiniert werden, um einen gewünschten Leistungsausgang zu erzeugen. Eine Luftströmung durch den FC kann die Leistungsfähigkeit des BZ-Systems beeinträchtigen. Demgemäß können Undichtigkeitn oder Blockaden in einem Luftlieferpfad, die eine Luftströmung durch eine FC beeinflussen, die Leistungsfähigkeit des BZ-Systems beeinträchtigen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es sind nicht beschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren enthalten, in welchen:
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1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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2A ein Blockdiagramm eines Systems zum Erzeugen einer Luftströmung durch einen Luftlieferpfad gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
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2B ein Schaubild über die Zeit eines gemessenen Druckes und eines modellierten Druckes in einem Luftlieferpfad, wie dem in 2A gezeigten Luftlieferpfad, zeigt;
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer Undichtigkeit oder Blockade in einem Luftlieferpfad in einem Brennstoffzellensystem gemäß hier offenbarter Ausführungsformen zeigt;
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4 ein Blockdiagramm eines Computersystems zum Implementieren verschiedener Ausführungsformen gemäß hier offenbarter Ausführungsformen zeigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es sind hier eine Vielzahl von Systemen und Verfahren zum Überwachen und Steuern einer Luftströmung in einem BZ-Stapel offenbart. Der BZ-Stapel kann einen Luftlieferpfad aufweisen, der so konfiguriert ist, eine Luftströmung durch die FC zu leiten. Ein oder mehrere Sensoren können derart konfiguriert sein, Parameter, die dem Luftlieferpfad zugeordnet sind, zu ermitteln, wie Druck, Durchfluss, etc. Ein Modelliersystem kann ferner derart konfiguriert sein, einen modellierten Parameter, der dem Luftlieferpfad zugeordnet ist, zu ermitteln. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Modelliersystem kontinuierlich betrieben werden, während der BZ-Stapel in Betrieb ist. Gemäß derartigen Ausführungsformen kann das Modelliersystem in Verbindung mit einem Steuersystem arbeiten, das derart konfiguriert ist, den Betrieb des BZ-Stapels zu steuern.
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Eine Grundlinie kann auf Grundlage des gemessenen Parameters und des modellierten Parameters ermittelt werden. Die Grundlinie kann sich abhängig von Betriebsbedingungen (z. B. primäre Luftströmung, Druckeinstellungen, Betriebstemperatur, etc.) ändern. Die Grundlinie kann über die Lebensdauer des BZ-Stapels gemäß gewisser Ausführungsformen erzeugt und beibehalten werden. Es kann auch eine Differenz zwischen dem gemessenen Parameter und dem modellierten Parameter ermittelt werden. Eine Änderung der Differenz in Bezug auf die Grundlinie kann eine Undichtigkeit oder eine Behinderung in einem Luftströmungssystem angeben.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen können der gemessene Parameter und der modellierte Parameter ein Druck in einem Kathodenluftlieferpfad sein. Gemäß gewissen Ausführungsformen kann eine Änderung der Differenz in Bezug auf die Grundlinie eine Undichtigkeit oder eine Behinderung in dem Kathodenluftlieferpfad angeben. Verschiedene Systeme, die hier offenbart sind, können derart konfiguriert sein, um zu ermitteln, ob eine Änderung zwischen der Grundlinie und der Differenz einer Undichtigkeit oder einer Behinderung in dem Kathodenluftlieferpfad zugeordnet ist.
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Der modellierte Parameter kann auf Grundlage einer Vielzahl von Eingängen erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann der modellierte Parameter ein modellierter Druck sein, und das Modelliersystem kann den modellierten Druck zumindest teilweise auf der Position eines Gegendruckventils basieren. Das Gegendruckventil kann in einem Bereich von Positionen konfigurierbar sein, um einen Drucksollwert in einem Kathodenluftlieferpfad einzustellen.
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Es kann eine Vielzahl von Korrekturaktionen in Ansprechen auf die Änderung der Differenz in Bezug auf die Grundlinie, die ein Kriterium erfüllt, erzeugt werden. Gemäß gewissen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können eine Nutzerbenachrichtigung und/oder ein Diagnosecode erzeugt werden. Die Nutzerbenachrichtigung und/oder der Diagnosecode können eine Angabe eines Hindernisses oder einer Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad bereitstellen. Die Benachrichtigungen können einen Nutzer auffordern, eine Reparatur der Undichtigkeit und/oder eine Entfernung der Behinderung von dem Luftlieferpfad anzustreben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es ist eine detaillierte Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nachfolgend vorgesehen. Während mehrere Ausführungsformen beschrieben wurden, ist die Offenbarung nicht auf eine Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Zusätzlich können, während zahlreiche spezifische Details in der folgenden Beschreibung dargestellt sind, um ein vollständiges Verständnis der hier offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, einige Ausführungsformen ohne einige oder alle dieser Details ausgeführt werden. Überdies ist zu Zwecken der Klarheit bestimmtes technisches Material, das in der Technik bekannt ist, nicht detailliert beschrieben worden, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
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Bezugnahme in dieser Beschreibung auf ”eine einzelne Ausführungsform” oder ”eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit bezieht sich das Auftreten der Ausdrücke ”in einer einzelnen Ausführungsform” oder ”in einer Ausführungsform” an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise immer auf dieselbe Ausführungsform. Insbesondere kann ”eine Ausführungsform” ein System, ein Herstellgegenstand (z. B. ein computer-lesbares Speichermedium), ein Verfahren, und/oder ein Produkt eines Prozesses sein.
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Die Ausdrücke ”verbunden mit” und ”in Verbindung mit” beziehen sich auf jede Form von Wechselwirkung zwischen zwei oder mehr Komponenten, einschließlich der mechanischen, elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Wechselwirkung. Zwei Komponenten können miteinander verbunden werden, obwohl sie nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, und zwar obwohl zwischengeschaltete Geräte zwischen den beiden Komponenten vorgesehen sein können.
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Eine Luftliefervorrichtung, wie ein Kompressor, kann derart konfiguriert sein, eine Luftströmung in einem BZ-Stapel zu erzeugen. Die Luftliefervorrichtung kann einen gewünschten Druck oder einen Drucksollwert in einem Luftlieferpfad aufrecht erhalten, der dazu verwendet wird, die BZ-Komponenten zu beliefern. Ein Controller kann einen Krümmerdrucksollwert berechnen, und ein Eingang von einem oder mehreren Sensoren (z. B. einem Drucksensor) kann in einer Rückkopplungsregelungsschleife (von engl.: ”feedback control loop”) verwendet werden, um die Luftliefervorrichtung zu steuern. Ein Systemcontroller kann einen Krümmerdrucksollwert berechnen, der dazu verwendet werden kann, die Luftliefervorrichtung zu steuern.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen, die hier offenbart sind, kann der Druck eines Kathodenluftlieferpfades unter Verwendung eines Regelungssystems (von engl.: ”closed loop control system”) zumindest teilweise auf Grundlage einer Messung, die durch einen Drucksensor an dem Einlass des Kathodenluftlieferpfades bereitgestellt wird, geregelt werden. Wenn sich eine Undichtigkeit oder Blockade entwickelt, kann das System beispielsweise durch Einstellen der Position eines Gegendruckventils kompensieren. Die Änderung der Position des Gegendruckventils kann den Druck in dem Kathodenluftlieferpfad erhöhen oder verringern.
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Unter gewissen Umständen kann das Kathodendruckmodell möglicherweise nicht ausreichend Information besitzen, um die Anwesenheit einer Undichtigkeit oder Blockade zu ermitteln, und kann demgemäß den Druck auf Grundlage der eingestellten Gegendruckventilposition ungenau vorhersagen. Eine Änderung der Differenz in Bezug auf die Grundlinie kann eine Undichtigkeit oder Behinderung in einem Luftströmungssystem angeben. Die Richtung des Fehlers kann angeben, ob eine Undichtigkeit oder Blockade vorhanden ist.
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Wenn eine Undichtigkeit in einem Luftlieferpfad vorhanden ist, kann ein Simulationssystem einen Druck schätzen, der den gemessenen Druck überschreitet. Wenn eine Blockade in dem Luftlieferpfad vorhanden ist, kann das Simulationssystem einen Druck schätzen, der geringer als der gemessene Druck ist. Auf Grundlage einer Ermittlung, dass eine Undichtigkeit oder Blockade vorhanden ist, kann das System Aktionen implementieren, um eine Beeinträchtigung der Haltbarkeit oder Zuverlässigkeit zu minimieren, potentielle Brennstoffemissionen zu vermeiden, den Fahrer zu benachrichtigen, dass Wartung erforderlich ist, und einem Wartungstechniker zu helfen, die Ursache der in Verbindung stehenden Leistungsprobleme zu identifizieren.
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Die Ausführungen der Offenbarung werden am besten durch Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die allgemein hier in den Figuren beschrieben und gezeigt sind, können in einer breiten Vielzahl verschiedener Konfigurationen angeordnet und ausgelegt sein. Somit ist die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Offenbarung, wie beansprucht, zu beschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen der Offenbarung. Zusätzlich müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in einer spezifischen Reihenfolge oder sogar sequentiell ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
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1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems 100 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Das Fahrzeugsystem 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Marinefahrzeug, ein Flugzeug und/oder irgendein anderer Typ von Fahrzeug oder stationärer Leistungsquelle (z. B. ein Generator) sein. Das Fahrzeug 100 kann ein BZ-System 102 aufweisen, das einen BZ-Stapel 112 aufweist, der bei gewissen Ausführungsformen mit einem Hochspannungs-(”HV”-)Batteriesystem (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann. Das HV-Batteriesystem kann dazu verwendet werden, elektrische Antriebsstrangkomponenten mit Leistung zu beaufschlagen. Bei weiteren Ausführungsformen kann der BZ-Stapel 112 mit einer Niederspannungsbatterie gekoppelt sein und kann derart konfiguriert sein, elektrische Energie an eine Vielzahl von Systemen des Fahrzeugs 100 zu liefern, einschließlich beispielsweise Fahrzeuganlassersystemen (z. B. einem Anlassermotor), Beleuchtungssystemen, Zündsystemen, Klimaanlagensystemen und dergleichen.
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Der BZ-Stapel 112 kann einem BZ-Steuersystem 104 zugeordnet sein. Das BZ-Steuersystem 104 kann derart konfiguriert sein, gewisse Betriebsabläufe des BZ-Stapels 112 zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann das BZ-Steuersystem 104 so konfiguriert sein, einstellbare Leistungsparameter sowie Betriebsabläufe zur Spannungsunterdrückung des BZ-Stapels 112 zu überwachen und zu steuern. Bei gewissen Ausführungsformen kann das BZ-Steuersystem 104 kommunikativ mit einer Mehrzahl von Sensoren 106 (z. B. Spannungssensoren, Stromsensoren und/oder dergleichen, etc.) und/oder anderen Systemen gekoppelt sein, die konfiguriert sind, um zu ermöglichen, dass das BZ-Steuersystem 104 Betriebsabläufe des BZ-Stapels 112 überwachen und steuern kann. Beispielsweise kann die Mehrzahl von Sensoren 106 in Kommunikation mit dem BZ-Stapel 112 ein BZ-Steuersystem 104 mit Information beliefern, die dazu verwendet werden kann, eine Polarisierungskurve zu schätzen. Bei gewissen Ausführungsformen kann das BZ-Steuersystem 104 so konfiguriert sein, jede Zelle 114 des BZ-Stapels 112 einzeln zu überwachen. Das BZ-Steuersystem 104 kann ferner derart konfiguriert sein, Information an andere Systeme, die in dem Fahrzeug 100 enthalten sind, zu liefern und/oder davon zu empfangen. Beispielsweise kann das BZ-Steuersystem 104 kommunikativ mit einem internen Fahrzeugcomputersystem 108 gekoppelt sein.
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Bei gewissen Ausführungsformen kann das BZ-Steuersystem 104 so konfiguriert sein, Information oder Benachrichtigungen bezüglich des BZ-Stapels 112 einem Anwender des Fahrzeugs 100, einem Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder einem externen Computersystem 110 zu liefern. Derartige Information kann beispielsweise Information bezüglich einer Undichtigkeit oder einer Behinderung in einem Luftlieferpfad, der dem BZ-Stapel zugeordnet ist, umfassen. Es können verschiedene Typen von Benachrichtigungen verschiedenen Nutzern dargestellt werden. Beispielsweise kann das Steuersystem 104 einen Diagnosecode für einen Wartungstechniker bereitstellen, der gewisse Information über eine Undichtigkeit oder eine Behinderung in einem Luftströmungssystem angibt. Bei einem anderen Beispiel kann bei Detektion einer Undichtigkeit oder einer Behinderung in einem Luftströmungssystem das Steuersystem 104 eine Benachrichtigung an einen Fahrzeugfahrer liefern, dass das Fahrzeug Wartung benötigt. Wenn eine Undichtigkeit in einem Kathodenluftlieferpfad detektiert wird, der Brennstoff zu einem BZ-Stapel 112 transportiert, kann das Steuersystem 104 einem Nutzer über die Wahrscheinlichkeit einer Brennstoffundichtigkeit benachrichtigen und kann ferner dem Fahrer des Fahrzeugs anraten, dass eine Reparaturwartung erforderlich ist.
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Eine Undichtigkeit oder Behinderung in einem Luftströmungssystem kann gemäß verschiedener Ausführungsformen unter Verwendung eines Vergleichs zwischen einem gemessenen Parameter und einem modellierten Parameter detektiert werden. Ein Modelliersystem 116 kann Information bezüglich des Betriebs des BZ-Stapels 112 empfangen. Derartige Information kann beispielsweise Messungen von einem Drucksensor, Information bezüglich der Position eines Gegendruckventils, Durchflüsse, etc. umfassen. Das Modelliersystem 116 kann derart konfiguriert sein, diese Information zu verarbeiten und einen erwarteten oder modellierten Parameter zu ermitteln. Gemäß einiger Ausführungsformen kann der modellierte Parameter einen modellierten Druck, einen modellierten Durchfluss oder andere Parameter umfassen.
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Das Modelliersystem 116 kann unter Verwendung einer breiten Vielzahl von Simulations- oder Modellierungstechniken implementiert sein. Das Modelliersystem 116 kann gemäß einiger Ausführungsformen als computerausführbare Anweisungen ausgeführt sein, die an einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind. Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform das Modelliersystem 116 als eine Komponente des Fahrzeugcomputers 108 gezeigt ist, kann gemäß anderen Ausführungsformen das Modelliersystem 116 als ein alleinstehendes System implementiert oder in ein Steuersystem 104 integriert sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Konfigurationen und Implementierungen denkbar. Gemäß Ausführungsformen, bei denen das Modelliersystem 116 dem Fahrzeugcomputer 108 zugeordnet ist, kann das Modelliersystem Ressourcen des Fahrzeugcomputers 108 mit anderen Systemen oder Prozessen, die an dem Fahrzeugcomputer 108 ausgeführt werden, teilen.
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Das Modelliersystem 116 kann Eingänge von einem oder mehreren Sensoren (z. B. Sensoren 106) in Kommunikation mit dem BZ-Stapel 112 aufnehmen. Derartige Sensoren können beispielsweise Temperatursensoren, Drucksensoren, Luftströmungssensoren und dergleichen umfassen. Das Modelliersystem 116 kann auch einen Eingang von einem Gegendruckventil in Kommunikation mit dem Kathodenluftströmungssystem empfangen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Modelliersystem 116 einen modellierten Druck zumindest teilweise aufgrund einer Position eines Gegendruckventils ermitteln. Ferner kann das Modelliersystem 116 gemäß einiger Ausführungsformen auch Information bezüglich anderer Variablen, wie einer Temperatur, die dem BZ-Stapel 112 zugeordnet ist, empfangen.
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Auf Grundlage eines Vergleichs eines gemessenen Parameters (z. B. eines gemessenen Drucks) und eines modellierten Parameters (z. B. eines modellierten Drucks) kann eine Grundlinie ermittelt werden. Die Grundlinie kann sich abhängig von Betriebsbedingungen (z. B. Primärluftströmung, Druckeinstellungen, Betriebstemperatur, etc.) ändern. Die Grundlinie kann über die Lebensdauer des BZ-Stapels gemäß gewisser Ausführungsformen erzeugt und beibehalten werden. Es kann auch eine Differenz zwischen dem gemessenen Parameter und dem modellierten Parameter ermittelt werden. Eine Änderung der Differenz in Bezug auf die Grundlinie kann eine Undichtigkeit oder eine Behinderung in einem Luftströmungssystem angeben. Gemäß verschiedener Ausführungsformen können der gemessene Parameter und der modellierte Parameter ein Druck in einem Kathodenluftlieferpfad sein. Gemäß gewissen Ausführungsformen kann eine Änderung eine Undichtigkeit oder eine Behinderung in dem Kathodenluftlieferpfad angeben.
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Wenn die Änderung zwischen der Grundlinie oder Differenz ein Kriterium erfüllt, kann selektiv eine Korrekturaktion implementiert werden. Die Korrekturaktion kann eine Vielzahl von Aktionen aufweisen. Beispielsweise kann die Korrekturaktion ein Einstellen von Betriebsparametern, die dem BZ-Stapel 112 zugeordnet sind, umfassen. Ferner kann die Korrekturaktion umfassen, dass ein Nutzer über die Notwendigkeit, eine Fahrzeugwartung durchzuführen, benachrichtigt wird. Die Nutzerbenachrichtigung kann gemäß einiger Ausführungsformen eine Angabe der Schwere der Undichtigkeit oder der Behinderung in dem Kathodenluftströmungssystem umfassen. Die Korrekturaktion kann umfassen, dass der Nutzer über die Wahrscheinlichkeit einer Fluidundichtigkeit benachrichtigt wird, insbesondere, wenn die Fluidundichtigkeit ein Sicherheitsproblem darstellen kann. Noch weiter kann die Korrekturaktion umfassen, dass einem Techniker ein Diagnosecode bereitgestellt wird, welcher den Techniker über die Undichtigkeit und/oder die Blockade in dem Kathodenluftströmungssystem informieren kann.
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2A zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 200 zum Erzeugen einer Luftströmung durch einen Luftlieferpfad 216 in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Luftlieferpfad 216 unter Verwendung großer Pfeile gezeigt. Die durchgezogenen Linien bezeichnen Information, die unter den verschiedenen Komponenten ausgetauscht wird.
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Ein Lufteinlass 214 kann Luft von der Umgebung aufnehmen und die Luft an einen Kompressor 202 liefern. Der Kompressor 202 kann derart konfiguriert sein, einen Druck in dem Luftlieferpfad 216 des Systems 200 beizubehalten. Der von dem Kompressor 202 beibehaltene Druck kann als ein Drucksollwert bezeichnet werden. Die Luftströmung kann von dem Kompressor 202 an einen BZ-Stapel 208 geliefert werden. Wie es dem Fachmann angemerkt sei, kann gemäß gewisser Ausführungsformen ein Brennstoff der Luftströmung hinzugefügt werden und/oder die Luftströmung kann konditioniert werden (z. B. die Feuchte oder Temperatur der Luftströmung kann gesteuert werden). Die Luftströmung kann Reaktanden an den BZ-Stapel 208 liefern und Nebenprodukte der Reaktionen, die in dem BZ-Stapel 208 stattfinden, wegführen.
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Ein Gegendruckventil 210 kann ebenfalls verwendet werden, um zu helfen, einen Drucksollwert in dem Luftlieferpfad beizubehalten. Die Position des Gegendruckventils 210 kann von dem Steuersystem 204 eingestellt werden, um einen Druck in dem Kathodenluftlieferpfad zu erhöhen oder zu verringern. Das Gegendruckventil 210 kann eine Vielzahl diskreter offener Positionen bieten oder kann über ein Analogsystem gesteuert werden, bei dem eine Fluidströmung durch das Gegendruckventil 210 eingestellt werden kann, um einen bestimmten Druck in dem Kathodenluftliefersystem beizubehalten. Die Position des Gegendruckventils 210 kann von der Temperatur des Systems, dem Druck des Systems und anderen Faktoren beeinflusst werden.
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Die Position des Gegendruckventils 210 kann auf einem Rückkoplungsregelungssystem (von engl.: ”closed-loop feedback system”) basieren, das ein Steuersystem 204 und einen Drucksensor (nicht gezeigt) in Kommunikation mit dem Luftlieferpfad 216 enthält. Wenn ein gemessener Druck in dem Kathodenluftlieferpfad unter einen Sollwert fällt, kann das Gegendruckventil seine Position einstellen, um die Luftströmung aus dem Luftlieferpfad 216 zu reduzieren oder zu behindern. Demgemäß kann der Druck in dem Luftlieferpfad 216 zunehmen. Wenn der gemessene Druck in dem Luftlieferpfad 216 über einen Sollwert ansteigt, kann das Gegendruckventil 210 seine Position einstellen, um die Luftströmung aus dem Luftlieferpfad 216 anzuheben oder zu unterstützen. Demgemäß kann der Druck in dem Luftlieferpfad 216 abnehmen. Ein Auspuff 212 kann in Kommunikation mit dem Gegendruckventil 210 stehen. Der Auspuff 212 kann einen Widerstand gegenüber der Luftströmung aufweisen, und demgemäß kann der Auspuff 212 den Druck in dem Luftlieferpfad 216 erhöhen.
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Ein Simulationssystem 206 kann Daten von dem BZ-Stapel 208, dem Gegendruckventil 210 und dem Steuersystem 204 empfangen. Das Simulationssystem 206 kann einen Druck in dem Luftlieferpfad 216 simulieren. Das Simulationssystem 206 kann gemäß einer Ausführungsform einen Druck von einem Sensor in Kommunikation mit einem Luftlieferpfad 216 empfangen. Eine Grundlinie kann auf Grundlage des gemessenen Parameters und des modellierten Parameters ermittelt werden. Eine Differenz kann ebenfalls zwischen dem gemessenen Parameter und dem modellierten Parameter ermittelt werden.
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Wenn sich eine Undichtigkeit oder eine Blockade in dem Luftlieferpfad 216 entwickelt, kann das System 200 beispielsweise dadurch kompensieren, dass die Position des Gegendruckventils 210 geändert wird. Das Simulationssystem 206 kann, da es nicht mit Information bezüglich einer Undichtigkeit/Blockade versehen ist, den Druck in dem Luftlieferpfad 216 auf Grundlage der eingestellten Position des Gegendruckventils 210 ungenau vorhersagen. Durch Beobachten einer Änderung zwischen der Grundlinie und der Differenz kann abgeleitet werden, dass der Luftlieferpfad 216 eine Undichtigkeit oder eine Blockade entwickelt hat.
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Die Richtung der Änderung kann angeben, ob der Luftlieferpfad 216 eine Blockade oder eine Undichtigkeit entwickelt hat. Wenn eine Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad 216 vorhanden ist, kann das Simulationssystem 206 einen Druck schätzen, der die Grundlinie überschreitet. Wenn eine Blockade in dem Luftlieferpfad 216 vorhanden ist, kann das Simulationssystem 206 einen Druck schätzen, der geringer als die Grundlinie ist. Auf Grundlage einer Ermittlung, dass eine Undichtigkeit oder eine Blockade vorhanden ist, kann das System 200 Aktionen implementieren, um eine Beeinflussung der Haltbarkeit oder Zuverlässigkeit zu minimieren, potentielle Brennstoffemissionen zu vermeiden, den Fahrer zu alarmieren, dass eine Wartung erforderlich ist, und dem Wartungstechniker zu helfen, die Ursache zu identifizieren.
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2B zeigt einen Graphen 250 über die Zeit eines gemessenen Drucks 256 und eines modellierten Drucks 260 in einem Luftlieferpfad, wie dem Luftlieferpfad, der in 2A gezeigt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Zeit entlang der Achse 254 aufgetragen, und der Druck ist entlang der Achse 252 aufgetragen. Zu einem ersten Zeitpunkt 262 können ein modellierter Druck 260 und ein gemessener Druck 256 ermittelt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Grundlinienversatz 258 zwischen dem gemessenen Druck 256 und dem modellierten Druck 260 vorhanden sein. Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Zeitpunkt 262 dem Beginn der Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems entsprechen. Der Grundlinienversatz 258 kann jegliche Variation von System zu System und/oder Komponente zu Komponente (z. B. Komponententoleranzen) berücksichtigen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Grundlinienversatz in den modellierten Druck 260 integriert sein, indem Einstellungen an Parametern eines Simulationssystems durchgeführt werden. Eine Abweichung zwischen dem modellierten Druck 260 und dem gemessenen Druck 256 kann eine Blockade oder eine Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad angeben. Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann der Grundlinienversatz 258 relativ konstant bleiben, sofern sich keine Undichtigkeit oder Blockade in dem Luftlieferpfad entwickelt.
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Wie in 2B gezeigt ist, beginnt sich an einem gewissen Punkt die Grundliniendifferenz zwischen dem modellierten Druck 260 und dem gemessenen Druck 256 zu ändern. Es sind zwei Szenarien gezeigt. Bei dem ersten Szenario beginnt der modellierte Druck 260a anzusteigen und gibt somit eine Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad an. Zu einem zweiten Zeitpunkt 266 überschreitet der modellierte Druck 260b den gemessenen Druck 256 um eine Größe, die mit 268 angegeben ist.
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Bei dem zweiten Szenario beginnt der modellierte Druck 260b abzunehmen und gibt somit eine Behinderung in dem Luftlieferpfad an. Zu dem zweiten Zeitpunkt 266 überschreitet der gemessene Druck 256 den modellierten Druck 260b um eine Größe, die mit 270 bezeichnet ist. Wie gezeigt ist, ist die Differenz zwischen dem gemessenen Druck 256 und dem modellierten Druck 260b größer als der Grundlinienversatz 258.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zum Detektieren einer Undichtigkeit oder einer Blockade in einem Luftlieferpfad in einem Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Bei 302 kann das Verfahren 300 begonnen werden. Bei 304 kann das Verfahren 300 eine Luftströmung und einen Drucksollwert in dem Luftlieferpfad ermitteln. Ein Kompressor kann bei 306 festgelegt werden, um eine Luftströmung bei dem Drucksollwert zu erzeugen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Kompressor eine Regelungsrückkopplung von einem Luftsensor in dem Luftlieferpfad empfangen.
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Eine Position des Gegendruckventils kann bei 308 auf Grundlage des Drucksollwertes hergestellt werden. Das Gegendruckventil kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Regelungsrückkopplung von einem Drucksensor in dem Luftlieferpfad empfangen. Die Position eines Gegendruckventils kann eingestellt werden, um den Druck in dem Luftlieferpfad zu steuern. Wenn ein gemessener Druck in dem Kathodenluftlieferpfad unter einen Drucksollwert fällt, kann das Gegendruckventil seine Position einstellen, um die Luftströmung aus dem Luftlieferpfad zu reduzieren oder zu behindern. Demgemäß kann der Druck in dem Luftlieferpfad zunehmen. Wenn der gemessene Druck in dem Luftlieferpfad über einen Sollwert zunimmt, kann das Gegendruckventil seine Position einstellen, um die Strömung von Luft aus dem Luftlieferpfad zu erhöhen oder zu unterstützen. Demgemäß kann der Druck in dem Luftlieferpfad abnehmen.
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Bei 310 kann ein modellierter Druck, der dem Luftlieferpfad zugeordnet ist, ermittelt werden. Der modellierte Druck kann von einem Modelliersystem erzeugt werden, das Eingänge bezüglich der physikalischen Bedingungen des Luftlieferpfads empfängt. Das Modelliersystem kann gemäß einiger Ausführungsformen als computerausführbare Anweisungen ausgeführt sein, die an einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind.
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Bei 312 kann das Verfahren 300 ermitteln, ob ein Grundlinienversatz ermittelt worden ist. Die Grundlinie kann auf Grundlage des gemessenen Parameters und des modellierten Parameters ermittelt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Ermittlung der Grundlinie nur einmal stattfinden. Wenn die Grundlinie ermittelt worden ist, kann das Verfahren 300 mit 316 fortfahren. Gemäß anderer Ausführungsformen kann jedoch die Grundlinie kontinuierlich über die Lebensdauer eines BZ-Stapels ermittelt werden.
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Bei 314 kann ein Grundlinienversatz ermittelt werden. Der Grundlinienversatz kann jegliche Variation von System zu System und/oder Komponente zu Komponente (z. B. Komponententoleranzen) gemäß einiger Ausführungsformen berücksichtigen. Die Grundlinie kann auf Grundlage des gemessenen Parameters und des modellierten Parameters ermittelt werden. Die Grundlinie kann sich abhängig von Betriebsbedingungen (z. B. primäre Luftströmung, Druckeinstellungen, Betriebstemperatur, etc.) ändern. Gemäß einiger Ausführungsformen kann der Grundlinienversatz unter Verwendung von Gleichung 1 ermittelt werden. PGrundlinie = Pmodelliert zum Zeitpunkt T – Pgemessen zum Zeitpunkt T Gl. 1
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Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Zeitpunkt T dem Beginn einer Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems entsprechen. Gemäß anderer Ausführungsformen kann der Zeitpunkt T nach einer bestimmten Zeitdauer auftreten oder kann periodisch neu berechnet werden. Bei 316 kann ein vorliegender Wert der Differenz zwischen einem modellierten Druck und einem gemessenen Druck unter Verwendung von Gleichung 2 ermittelt werden. PNun = Pmodelliert – Pgemessen Gl. 1
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Bei 318 können die Werte von PGrundlinie und PNun verglichen werden. Wenn die Werte gleich sind, kann das Verfahren 300 zu 304 zurückkehren. Wenn die Werte eine Änderung zeigen, kann das Verfahren 300 mit 320 fortfahren. Die Ermittlung der Änderung kann einen Vergleich der Grundlinie und der Differenz über eine Zeitdauer betreffen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Zeitdauer relativ kurz sein, während bei anderen Ausführungsformen die Zeitdauer relativ lang sein kann.
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Bei 320 kann die Änderung gegenüber einem oder mehreren Kriterien verglichen werden. Es kann eine Vielzahl von Kriterien verwendet werden, um zu ermitteln, ob die Änderung eine Undichtigkeit oder eine Blockade in einem Luftlieferpfad angibt. Beispielsweise kann die Größe der Änderung bewertet werden. Wenn die Änderung eine Größe aufweist, die kleiner als die Schwelle ist, kann die Änderung außer Acht gelassen werden. Wenn die Änderung eine Größe aufweist, die größer als die Schwelle ist, können eine oder mehrere Korrekturaktionen implementiert werden. Bei einem anderen Beispiel kann die Richtung der Änderung ermittelt werden. Wie oben beschrieben ist, kann eine derartige Ermittlung angeben, ob die Differenz eine Blockade oder eine Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad angibt. Eine Zunahme kann eine Undichtigkeit angeben, während eine Abnahme eine Blockade angeben kann.
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Es ist eine Vielzahl von Korrekturaktionen denkbar. Beispielsweise kann die Korrekturaktion ein Einstellen des Betriebs des Kompressors umfassen, um einen Drucksollwert einzustellen. Bei einem anderen Beispiel kann die Korrekturaktion eine Benachrichtigung eines Nutzers oder eines Technikers über die Blockade oder die Undichtigkeit in dem Luftlieferpfad umfassen. Die Bereitstellung einer Benachrichtigung kann helfen, einen Haltbarkeits- oder Zuverlässigkeitseinfluss zu minimieren, potentielle Brennstoffemissionen zu vermeiden, den Fahrer zu benachrichtigen, dass Wartung erforderlich ist, und/oder einem Wartungstechniker zu helfen, die Ursache von damit in Verbindung stehenden Leistungsproblemen zu identifizieren.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Betriebsbedingungen in Einstellungen des Verfahrens 300 resultieren. Beispielsweise können gemäß einigen Ausführungsformen verschiedene Sollwerte auf Grundlage von Druck- und/oder Luftströmungscharakteristiken hergestellt werden. Ferner können verschiedene Kriterien bewertet werden, um die Anwesenheit einer Blockade oder einer Undichtigkeit abhängig von Bedingungen zu ermitteln. Noch weiter kann eine Mehrzahl von Grundlinienversatzwerten entwickelt werden, und ein geeigneter Grundlinienversatz kann abhängig von den Bedingungen gewählt werden.
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4 zeigt ein Blockdiagramm eines Computersystems 400, das bei der Implementierung gewisser Ausführungsformen der Systeme und Verfahren, die hier offenbart sind, verwendet werden kann. Bei gewissen Ausführungsformen kann das Computersystem 400 ein Personalcomputersystem, ein Servercomputersystem, ein an Bord-Fahrzeugcomputer, ein BZ-Steuerungssystem und/oder irgendein anderer Typ von System sein, der zur Implementierung der offenbarten Systeme und Verfahren geeignet ist.
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Wie gezeigt ist, kann das Computersystem 400 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 402, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 404, eine Kommunikationsschnittstelle 406, eine Nutzerschnittstelle 408 sowie ein nichtflüchtiges, computerlesbares Speichermedium 410 aufweisen. Der Prozessor 402, der RAM 404, die Kommunikationsschnittstelle 406, die Nutzerschnittstelle 408 und das computerlesbare Speichermedium 410 können über einen gemeinsamen Datenbus 412 kommunikativ miteinander gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 400 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und/oder irgendeiner Kombination daraus implementiert sein.
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Die Nutzerschnittstelle 408 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen aufweisen, die einem Nutzer ermöglichen, mit dem Computersystem 400 zu interagieren.
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Beispielsweise kann die Nutzerschnittstelle 408 dazu verwendet werden, einem Nutzer eine interakive Schnittstelle anzuzeigen. Die Nutzerschnittstelle 408 kann ein separates Schnittstellensystem sein, das kommunikativ mit dem Computersystem 400 gekoppelt ist. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Nutzerschnittstelle 408 an einem Touchscreen-Display erzeugt werden. Die Nutzerschnittstelle 408 kann auch eine beliebige Anzahl anderer Eingabevorrichtungen aufweisen, einschließlich beispielsweise Tastatur, Trackball und/oder Zeigervorrichtungen.
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Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die zur Kommunikation mit anderen Computersystemen, peripheren Vorrichtungen und/oder Ausstattung in der Lage ist, die kommunikativ mit dem Computersystem 400 gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Kommunikationsschnittstelle 406 dem Computersystem 400 ermöglichen, mit anderen Computersystemen (z. B. Computersystemen, die externen Datenbanken und/oder dem Internet zugeordnet sind) zu kommunizieren, wodurch die Übertragung wie auch der Empfang von Daten von derartigen Systemen zugelassen wird.
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Der Prozessor 402 kann einen oder mehrere Allzweckprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Digitalsignalprozessoren, FPGAs, andere kundenanpassbare oder programmierbare Verarbeitungsvorrichtungen und/oder irgendwelche anderen Vorrichtungen oder Anordnung von Vorrichtungen aufweisen, die in der Lage sind, die hier offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren.
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Der Prozessor 402 kann derart konfiguriert sein, computerlesbare Anweisungen auszuführen, die an einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert sind. Das computerlesbare Speichermedium 410 kann andere Daten oder Information nach Bedarf speichern. Bei einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare funktionale Module 414 aufweisen. Beispielsweise können die computerlesbaren Anweisungen ein oder mehrere funktionale Module aufweisen, die derart konfiguriert sind, die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren zu implementieren.
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Spezifische funktionale Modelle, die an einem computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert sein können, umfassen ein Simulationssystemmodul, ein Steuersystemmodul, ein Benachrichtigungsschnittstellenmodul und dergleichen. Ein Simulationssystemmodul kann die Modellierungsfunktionalität implementieren, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist. Genauer kann das Simulationssystemmodul derart konfiguriert sein, die Funktionen, die dem Simulationssystem 206 zugeordnet sind, auszuführen, wie in 2A gezeigt und oben beschrieben ist. Ferner kann ein Steuersystemmodul derart konfiguriert sein, die Funktionen, die dem Steuersystem 204 zugeordnet sind, auszuführen, was ebenfalls in 2A gezeigt und oben beschrieben ist.
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Zurück zu einer Diskussion von 4 kann ein Benachrichtigungsmodul derart konfiguriert sein, eine Benachrichtigung für einen Nutzer oder einen Techniker über eine Undichtigkeit oder eine Blockade in einem Luftlieferpfad bereitzustellen. Gemäß einiger Ausführungsformen kann die Benachrichtigung über eine Nutzerschnittstelle 408 angezeigt werden. Ferner kann die Benachrichtigung über die Kommunikationsschnittstelle 406 an eine Diagnosevorrichtung übertragen werden, die von einem Wartungstechniker verwendet werden kann, um die Diagnose gewisser Probleme und/oder Nutzerbenachrichtigungen zu unterstützen. Alternative Ausführungsformen können mehr oder weniger Module einschließen, oder alternativ kann eine Funktionalität, die in Verbindung mit mehreren Modulen beschrieben ist, von einem einzelnen Modul ausgeführt werden.
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Das System und die Verfahren, wie hier beschrieben ist, können unabhängig von der Programmiersprache, die verwendet ist, um die computerlesbaren Anweisungen zu erzeugen, und/oder irgendeines Betriebssystems implementiert sein, das an dem Computersystem 400 arbeitet. Beispielsweise können die computerlesbaren Anweisungen in irgendeiner geeigneten Programmiersprache beschrieben sein, von denen Beispiele enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, C, C++, Visual C++ und/oder Visual Basic, Java, Perl oder irgendeine andere geeignete Programmiersprache. Ferner können die computerlesbaren Anweisungen und/oder funktionalen Module in der Form einer Sammlung separater Programme oder Module und/oder eines Programmmoduls in einem größeren Programm oder einem Anteil eines Programmmoduls vorliegen. Die Verarbeitung von Daten durch ein Computersystem 400 kann in Ansprechen auf Nutzeranweisungen, Ergebnisse einer vorhergehenden Verarbeitung und/oder einer Anforderung erfolgen, die durch irgendeine andere Verarbeitungsmaschine durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass das Computersystem 400 irgendein geeignetes Betriebssystem verwenden kann, einschließlich beispielsweise Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux und/oder dergleichen.
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Es können viele Änderungen an den Details der oben beschriebenen Ausführungsformen ohne Abweichung von den zugrundeliegenden Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sei daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt.
