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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt zur sicheren Konditionierung eines Kraftstoffsystems entsprechend unterschiedlicher Betriebssituationen am Beispiel mobiler Nutzung und Anwendung, z. B. in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Fahrzeuge, z. B. Automobile und leichte Lastwagen nach dem Stand der Technik, haben eine Karosserie, deren Funktion darin besteht, Insassen und zusätzliches Gepäck aufzunehmen und während der Fahrt zu transportieren und zu schützen. Karosserien sind mit zahlreichen mechanischen, elektrischen und strukturellen bzw. tragenden Komponenten verbunden, die in Kombination mit einer Karosserie ein voll funktionsfähiges Fahrzeug bilden. Ein Fahrwerk des Kraftfahrzeugs und ein mit dem Fahrwerk verbundener Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs sorgen für den Vortrieb des Kraftfahrzeuges. Das Fahrwerk mit seinen Antriebswellen und seinen an den Antriebswellen aufgenommenen Rädern überträgt die mechanische Arbeit des Antriebstrangs zumeist rotierend auf die Fahrbahn. Der Vortrieb eines Kraftfahrzeugs ist das Ergebnis einer Relativbewegung und nach Lagrange'scher Betrachtung zwischen der feststehenden Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug abhängig einer Beschleunigung und damit der zeitlichen Veränderung der Relativgeschwindigkeit zwischen feststehender Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug.
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Eine erste Hauptkomponente eines konventionellen Antriebstrangs ist ein Antriebsaggregat, in Form eines Verbrennungsmotors mit seinen so genannten Nebenaggregaten wie bspw. Einspritzanlage, Kühlwasserpumpe, Fremdgaseinspritzungsanlage, usw. Auch ein eine thermodynamische Leistung des Verbrennungsmotors steigerndes Aufladeaggregat wie z. B. Abgasturbolader oder mechanisch betriebener Kompressor ist den Nebenaggregaten zuzuordnen. Mit anderen Worten umfasst die erste Hauptkomponente sämtliche zum Betrieb des Verbrennungsmotors notwendigen Aggregate einschließlich des Verbrennungsmotors selbst.
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Dieser ersten Hauptkomponente sind des Weiteren zuzuordnen Brennstoff/Treib-, Aufbereitungs-, Zündung, -Umwandlungs- und Abführungssysteme bzw. Vorbehandlungs-, Nachbereitungskomponenten wie z. B. Pumpe-Düse-Systeme, Common-Rail, Injektions-Systeme, Abgasrückführ-Komponenten und -Systeme, Abgas-Katalyse-Systeme, Auspuff-Anlage mit Dämpfungs- und Nachreinigungs-Komponenten.
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Weitere der ersten Hauptkomponente zuzuordnende Bauteile sind Kühlsysteme wie z. B. Motorkühlsysteme (Ladeluftkühler, Wasserkühler, Ölkühler usw.) und z. B. Klima-Anlagen inkl. der Klima-Kühlstoffe für die Belüftung der Fahrgastzelle sowie Heizsysteme für die Innenraum-Beheizung aber auch Motor-Temperatur-Regelung.
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Damit eine Leistung des Verbrennungsmotors auf die Straße übertragen werden kann, ist die erste Hauptkomponente mit Hilfe einer zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle verbunden.
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Die zweite Hauptkomponente umfasst ein Übersetzungsmodul, mit Hilfe dessen es möglich ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu übersetzen und auf die Antriebswelle zu übertragen. Dabei kann die zweite Hauptkomponente in Form eines Schaltgetriebes mit einer Kupplung oder in Form eines Automatikgetriebes mit einem entsprechenden Wandler ausgebildet sein.
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Eine dritte Hauptkomponente, das Fahrwerk, weist die Antriebswelle oder, je nach Antriebsart mehrere Antriebswellen und ein Übertragungsmodul auf. Das Übertragungsmodul bildet sämtliche Bauteile, welche notwendig sind eine Ausgangswelle der zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle zu verbinden. Dazu gehören bspw. Achsgetriebe, Radlager, Feder-Dämpfer-Systeme, Hinterachsträger, Integralträger, usw. Weitere Fahrwerkkomponenten sind z. B. Federungssysteme, Dämpfungssysteme, Radaufhängung und -Lagerung, Räder, Reifen und Lenkung. Aktuelle Fahrzeuge sind mit elektrohydraulischen Lenkverstärkungskomponenten ausgerüstet.
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Der dritten Hauptkomponenten ebenfalls zugeordnet sind Bremssysteme zuzüglich der Assistenzsysteme wie z. B. Antiblockiersysteme oder auch Einzelrad-Beschleunigungssysteme zur optimalen Drehmomentverteilung.
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Eine vierte Hauptkomponente sind sämtliche Hilfs-, Betriebs- und Schmierstoffe, welche zum Betrieb der übrigen Hauptkomponenten notwendig sind. Es sind bekannt die Reinigungskomponenten wie z. B. Scheibenreinigungsanlagen inkl. ihrer Betriebs- und Hilfsstoffe.
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Eine fünfte Hauptkomponente ist als Motor- und Fahrzeugsteuermodul ausgebildet und umfasst sämtliche zur Motor- und Fahrzeugsteuerung benötigten Komponenten zusätzlich der benötigten Hard- und Software zur Informationsverarbeitung und -weiterleitung (Can-Bus). Energiewandler in Form technischer insbesondere elektrochemischer Systeme wie bspw. Brennstoffzellen, Stromabnehmer in galvanischen Zellen, Elektrolyseure und Batterien sind ebenfalls bekannt.
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Weiterhin bekannt sind Elektromotoren unterschiedlichster Bauarten inkl. ihrer Bestromung, Inverter-Technologien, die Gleich- in Wechselstrom umwandeln, Transformatoren wie z. B. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, Steuergeräte für unterschiedliche Steuerapplikationen inkl. Regelungsfunktionen, Sensoren für herkömmliche Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anwendungsspektren. All das ist bereits entwickelt und in Anwendung für Bordstromversorgung (z. B. 12 Volt und 24 Volt) in Fahrzeugen aber auch für höher bis Hoch-Volt-Anwendung wie z. B. für elektrische Antriebskomponenten von Fahrzeugen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen wenigstens einen Elektromotor zum Antrieb von wenigstens einem Antriebsrad des Fahrzeugs auf. Die für den Antrieb des wenigstens eines Elektromotors erforderliche elektrische Energie kann hierbei auf unterschiedlichen Wegen bereitgestellt werden. So sind beispielsweise Fahrzeuge bekannt, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Batterie (eines Akkumulators) bereitgestellt wird und solche, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird.
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Da bei einem Betrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Betriebszustände mit ganz unterschiedlichen Anforderungen in Bezug auf die benötigte oder auch rückgewinnbare elektrische Energie gegeben sein können (z. B. konstante Fahrt, geringe, mittlere oder starke positive oder negative Beschleunigungen), sind weiter elektrisch betriebene Fahrzeuge bekannt, die zwei Stromversorgungsquellen aufweisen, mit Hilfe derer unterschiedlichen Betriebszuständen besser gerecht werden kann, als dies mit nur einer Stromversorgungsquelle der Fall ist.
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Es sind auch Fahrzeuge und mobile Systeme bekannt, die mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie als Energiewandler ausgerüstet sind. Der Triebstrang besteht aus mindestens einem Elektromotor, aus mindestens einem Getriebe, aus mindestens einer Leistungselektrik, aus mindestens einer Leistungselektronik, aus mindestens einer Steuerungselektronik und aus mindestens einem Hochdruck-Tanksystem und konventionellen Bauteilen.
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Es sind auch Fahrzeuge und mobile Systeme bekannt, die mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens einem Treibstoff-Behältnis, das gasförmigen Treibstoff beinhaltet, ausgestattet sind.
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So beschreibt
DE 00 0019 500 711 C2 einen Hochdruck-Gastank für Fahrzeuge, die z. B. mit Erdgas unter einem Speicherdruck von mindestens 200 bar betrieben werden. Der Tank besteht hauptsächlich aus Kunststoffen. Die Tankform ist so strukturiert, dass sie sich in die Fahrzeugkonfiguration einpasst. Originaltext im Englischen: „High pressure vehicle gas fuel tank for vehicles fuelled by a gas such as natural gas at a pressure of at least 200 bar, and is made mostly of plastics. The tank shape is structured to fit within the vehicle configuration. The tank is produced by a winder from a plastics as a liner material, together with carbon or aramide fibres and the like, with a reinforcement material of vinyl ester resin, epoxy resin, etc. The tank can have a metal liner or metal plates to take up the pressure.”
DE 10 2009 000 406 A1 beschreibt ein Sicherheitssystem zur sicheren Evakuierung eines brennbaren Gases aus einem Hochdruck-Wasserstofftank an Bord eines Fahrzeugs in die Umgebung unter Zuhilfenahme von färbenden Elementen zur Flammfärbung. Das System verfügt über ein Entlastungsventil mit einem Element zum Ablassen eines brennbaren Mediums aus einem Drucktank in die Umgebung solange ein Schwellenwert überschritten wird. Originaltext im Englischen: „The system (10) has a relief valve (40) with a discharge element for discharging a combustible medium (100) from a pressure tank (20) into an environment during exceeding of threshold value. A coloring element (50) has flame-coloring liquid for discoloring flame of the medium during discharging of medium. The coloring element has a cavity in which the flame-coloring liquid is accommodated. The coloring liquid consists of sodium chloride, potassium chloride, rubidium chloride, caesium chloride, beryllium chloride, magnesium chloride, calcium chloride, Strontium Chloride and barium chloride. An independent claim is also included for a method for discharging a combustible medium from a pressure tank such as high pressure hydrogen tank into an environment.” Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur sicheren Konditionierung eines Kraftstoffsystems entsprechend unterschiedlicher Betriebssituationen.
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Die Erfindung ist am Beispiel eines Pkw (1, 1) mit z. B. Antriebsstrang mit Vorder- und Hinterachse (11, 10) mit mindestens einem Energiewandler mit mindestens physikalischem Wandlungsprozess, z. B. Brennstoffzelle (2), und mindestens einem Treibstoffbehältnis, z. B. Wasserstoffbehälter mit Entleerungs-/Evakuierungsvorrichtungen, z. B. Ventile in einer Tank-Kopf-Einheit, (3) dargestellt. Das System wird in diesem Beispiel von der Karosserie des Fahrzeugs (12) begrenzt.
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Das Fahrzeug ist mit z. B. optischer (z. B. bildgebend oder mit Lasertechnik) und/oder akustischer (z. B. Ultraschall) Sensorik (4) zur Situations- und/oder Positions- und/oder Umgebungserfassung und -bestimmung ausgestattet. Die Sensoren sind zur Erfassung unterschiedlicher Betriebssituationen geeignet, z. B. für Tag- und für Nachtbetrieb, und/oder es sind spezielle Sensoren für die Erfassung jeweiliger Betriebszustände verbaut (z. B. Infrarot-Sensoren für Nachtbetrieb). Die Sensorik ist so im Fahrzeug organisiert und arrangiert, dass das gesamte Umfeld des Fahrzeugs erfasst werden kann.
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Des Weiteren verfügt das System über Sensorik (8), die z. B. Beschleunigungen erfassen kann (z. B. mindestes eindimensionaler G-Sensor oder auch Beschleunigungssensor genannt), und mindestens eine zentrale Steuer- und Regeleinheit (9) inkl. notwendiger Informationsverarbeitungssysteme und -schnittstellen (z. B. Außenantenne (6)), um auch Daten und/oder Informationen aus systemexternen Quellen erhalten und verarbeiten zu können (z. B. Signale aus einem globalen Satellitennavigationssystem zur Positionsbestimmung, z. B. GPS-Signal (7)). Die Sensorik und Informations-/Datenverarbeitung sind mit der zentralen Steuer- und Regeleinheit (9) verbunden.
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Die zentrale Steuer- und Regeleinheit ist (teil-)verbunden mit der Aktorik des Systems, wie z. B. mit Entleerungs-/Evakuierungs- und Sperreinrichtungen (3) des Treibstoffsystems sowie Entleerungs-/Evakuierungs- und Sperreinrichtungen von Räumen mit Treibstoffbehältnissen (5), um diese steuern und/oder regeln zu können.
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Die z. B. optisch, elektromagnetisch und/oder akustisch arbeitenden Sensoren (4) werden verwendet, um die komplette Umgebung um das Fahrzeug herum zu erfassen und/oder Hindernisse zu erkennen.
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In der zentralen Steuerungs- und Regeleinheit (9), die auch mehrere Untereinheiten besitzen kann, ist mindestens ein übergeordnetes Steuerungs- und Regelprogramm hinterlegt. Dieses Steuerungs- und Regelprogramm kann dezentrale Untersysteme steuern und/oder regeln. Diese z. B. ggf. eingebauten dezentrale Untersysteme wiederum steuern und/oder regeln die Aktorik und Sensorik. Dabei werden Signale und Informationen der Sensorik so verarbeitet, dass vorteilhafterweise die Aktorik mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit auf unterschiedliche Situationen eingestellt werden kann.
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Das Steuerungs- und Regelprogramm ist in der Lage, unterschiedliche betriebsrelevante Situationen, die mit definierten Kennwerten und ihrer Konstellationen in Qualität und Quantität beschrieben sind, (z. B. Stadtverkehr, Autobahnfahrt etc.) zu erkennen, auszuwerten und in adäquater Weise darauf zu reagieren. Unterschiedliche Situationen werden durch unterschiedliche Kennwerten und ihrer Konstellationen beschrieben. Dabei erreichen die Kennwerte unterkritische, kritische oder überkritische Werte. Das Kippen einer Situation zu einer Risikosituation (auch Gefahren-Situation genannt) wird durch Erreichen mindestens einer Risiko-Grenze eines Kennwerts beschrieben.
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In z. B. einer mindestens potentiellen Gefahren-Situation für das System und/oder seine Anwender und/oder Nutzer bei z. B. Erreichen von und/oder Übersteigen der Risiko-Grenzen von (Risiko-)Kennwerten wird eine Reaktion des Systems eingeleitet. Dies kann auch erfolgen, wenn bereits ein definierter Differenzwert zur Risiko-Grenze eines (Risiko-)Kennwerts erreicht wird. Spätestens dann wird eine Reaktion des Systems durch das Steuerungs- und Regelprogramm eingeleitet.
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So kann z. B. beim einem Unfall und damit Überschreiten von definierten (Risiko-)Kennwert-Grenzen z. B. der Entleerungs-/Evakuierungsvorgang aus z. B. den Treibstoffbehältnissen in die Umgebung definiert eingeleitet und anschließend möglichst schnell abgeschlossen werden. Es kann z. B. auch mindestens ein Sperrventil als Reaktion auf eine bestimmte (Risiko-)Kennwert-Konstellation und ihre erreichten Grenzwerte gesperrt werden, sodass der Innendruck der Treibstoffbehältnisse gleich bzw. konstant gehalten wird, um z. B. Teile des Systems als Reaktion auf eine bestimmte Situation möglichst steif zu halten.
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Das System strebt vorteilhafterweise eine möglichst schnelle Rückführung der (Risiko)Kennwert-Konstellation inkl. ihrer Werte von mindestens kritischen auf unterkritische Werte an und stabilisiert das System. Dies kann mindestens teilautomatisch und damit ohne Eingriff des Nutzers und/oder Anwenders erfolgen. Ebenso ist es möglich so, z. B. mindestens einen Kennwert mit einer definierten Differenz zu einem Grenzwert unterkritisch zu halten.
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Vorteilhafterweise ist das System in der Lage, z. B. mit Hilfe der Sensorik Hindernisse durch z. B. Distanzmessung zu erkennen und z. B. mit Hilfe des Steuerungs- und Regelungsprogramms schon antizipativ Maßnahmen zur Risikoreduzierung durchzuführen.
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Vorteilhafterweise lernt das System aus eigenerlebten und/oder nicht eigenerlebten (z. B. über Datenschnittstellen aus Datenbanken übertragenen) Situationen, Situationen voneinander abzugrenzen. Dabei geht es im Wesentlichen um die Abgrenzung von potentiellen Gefahren- und/oder Risikosituationen zu unterkritischen Situationen und um die Steigerung der Aktions- und/oder Reaktionsfähigkeit des Systems.
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Vorteilhafterweise kann das System erweitert und/oder ausgebaut werden und/oder erweitert und/oder baut sich selbst aus, indem es z. B. mit anderen informations- und/oder datenverarbeitenden Systemen kommuniziert und sich austauscht. Dies kann erfolgen z. B. dezentral über direkten Austausch von Daten mit z. B. mit anderen Fahrzeugsystemen und z. B. ihren Bord-Datenbanken und/oder indirekt mit zentralen Informations- und/oder Datensystemen. Der Austausch kann in Echtzeit oder nicht in Echtzeit z. B. über das datenleitungsungebundene lokale Netzwerk, auch genannt WLAN, von Stellplätzen erfolgen. Vorteilhafterweise kann das System auch in Varianten mit Echtzeitfähigkeit dargestellt werden, um maximale Reaktionsfähigkeit darstellen zu können. Das System kann ggf. auch manuell z. B. mittels eines dem Anwender/Nutzer zugänglichen Schalters de- bzw. aktiviert werden.
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Insgesamt wird also die Sicherheit des System-Anwenders und/oder Nutzers erhöht. Im Falle z. B. eines Fahrzeug-Systems wird auch die Sicherheit im Straßenverkehr und die Sicherheit für Fahrzeugführer und Insassen und aller Verkehrsteilnehmer gesteigert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt eines Systems zur sicheren Konditionierung eines Kraftstoffsystems entsprechend unterschiedlicher Betriebssituationen darzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein bereits existierendes System damit ausgerüstet werden kann. Genauso wie dass ein neues System mit diesen Attributen aufgebaut werden kann.
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Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die mit diesem System ausgerüsteten Produkte verglichen zu anderen bis heute dargestellten Systemen deutlich sicherer für den Nutzer und/oder Anwender sind. Im Falle eines z. B. Unfalles wird z. B. ein Fahrzeug, das mit diesem System ausgerüstet ist, situationskonform entweder daran gehindert in eine potentielle Gefahrensituation zu gelangen und/oder aus einer Risiko-Situation für das System und/oder der Nutzer und/oder Anwender heraus zu führen. In z. B. einem Umfall wird das System auf Werte, die ein minimales Gefahren-Potential für mindestens System, Nutzer und/oder Anwender darstellen, eingestellt.
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Ein weiterer signifikanter Vorteil dieses Verfahrens, dieser Vorrichtung und dieses Produkts ist, dass durch die Optimierung der Nutzer und/oder Anwender-Sicherheit, alternative Marktprodukte in der Sparte der Energiebereitstellungs- und -wandlungssysteme zu einer validen Alternative gegenüber heute etablierter Konkurrenzprodukte dargestellt werden können. Signifikantester Vorteil ist die Annahme der damit CO2-neutralen Produkte durch den Nutzer/Anwender.
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Sofern alle Hauptkomponenten des ersten Systems durch das optimierte System z. B. für die mobile Anwendung, welches bevorzugt ein vollständig elektrochemisches System darstellt, ersetzt werden, ist ein vollelektrischer Antriebstrang ausgebildet, bestehend aus Elektromotor inkl. Getriebe und Brennstoffzelle und Antriebsbatterie inkl. deren Systemkomponenten mit einem sicheren Tanksystem und Ladesysteme und Steuerungskomponenten. Auf diese Weise ist ein vollständig emissionsarmes Kraftfahrzeug erzeugbar.
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Somit ist eine technische Lösung angegeben zur sicheren Konditionierung eines Kraftstoffsystems entsprechend unterschiedlicher Betriebssituationen.
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Mit anderen Worten wird die genannte Aufgabe gelöst durch den Einbau und/oder (Teil-)Ersetzen von mechanischen, elektrischen, elektronischen und Signal- und Informationstechnischen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Teilen, Bauteilen, Stoffen und Transformation dieser Systeme, Teilsysteme, Teilkomponenten und Komponenten, das Umbauen, Ergänzen und Modifizieren von bestehenden Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten und durch das Einbauen von neuen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Bauteilen und Steuerungssystemen und deren Subsystemen.
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1 in einer Prinzipdarstellung ist ein möglicher Aufbau des Systems in einem Pkw mit Brennstoffzelle und mehreren Treibstoffbehältnissen abgebildet.
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2 in einer Prinzipdarstellung ist ein möglicher Aufbau von Sensorik in einem Pkw mit zentraler Steuerungs- und Regelungseinheit abgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plattform für das System (z. B. Pkw)
- 2
- Energiewandler (z. B. Brennstoffzelle)
- 3
- Treibstoffsystem mit Entleer- und/oder Sperreinheiten
- 4
- Sensorik zur Situations- und/oder Positions- und/oder Umgebungserfassung und -bestimmung
- 5
- Aktorik z. B. (Entleer- und/oder Sperreinheiten von Räumen mit Treibstoffbehältnissen)
- 6
- Datenschnittstelle (z. B. Außenantenne)
- 7
- Informations- und/oder Datenquelle (z. B. GPS-Signal)
- 8
- Sensorik zur Erfassung von z. B. Beschleunigungen
- 9
- Zentrale Steuerungs- und Regelungseinheit inkl. notwendiger Informationsverarbeitungssysteme und Schnittstellen
- 10
- Hinterachse
- 11
- Vorderachse
- 12
- Prinzipielle Karosserie-Begrenzung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000019500711 C2 [0016]
- DE 102009000406 A1 [0016]
