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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Steuerung von Kühlsystemen für Batterien, die in einem Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungssystem integriert sind.
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HINTERGRUND
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Automobile haben damit begonnen, Elektromotoren einzusetzen, um durch einen Hauptmotor, wie zum Beispiel eine Brennkraftmaschine, bereitgestellten Antrieb zu ergänzen. Diese Motoren verwenden Hochleistungsbatterien zum Speichen von Energie, die für den Antrieb erforderlich ist, sowie zum Speisen von Zubehörteilen. Ein potentielles Problem besteht darin, dass Hochleistungsbatterien eine große Wärmemenge erzeugen. Demgemäß ist es wünschenswert, die durch die Batterie für die Leistung der Batterie erzeugte Wärme zu entfernen und/oder zu reduzieren sowie eine Überhitzung zu verhindern.
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Bei einigen bekannten Batteriesystemen wird Luftstrom von dem Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungskältemittelsystem zum Kühlen solcher Batterien verwendet. Solche Batteriekühlsysteme, seien es eigenständige Konfigurationen oder solche, die in einem Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungskältemittelsystem integriert sind, verwenden eine Kühlvorrichtung. Wärme von der Batterie wird unter Verwendung eines Kühlkreislaufs, der über die Kühlvorrichtung in einem Kältesystem integriert ist, in die Kühlvorrichtung abgeführt. Diese Systeme sind jedoch mit Nachteilen behaftet. Zum Beispiel kann die Kühlvorrichtungskapazität Innenraumkühlung reduzieren oder beeinträchtigen. Wenn die Kühlvorrichtung anfänglich eingeschaltet wird, kann die Innenraumtemperatur sprunghaft ansteigen, was zu Unbehagen führt. Obgleich die Innenraumlufttemperatur in einem gewünschten Zustand gehalten werden kann, muss die Kühlvorrichtungskapazitätskühlrate verlangsamt werden, was einen negativen Einfluss auf die Batterien hat.
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KURZFASSUNG
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Ein Fahrzeug enthält eine Kühlanordnung, die einen Luftklimatisierungskreislauf und einen Batteriekühlkreislauf enthält, die durch eine gemeinsame Kühlvorrichtung miteinander verbunden sind und zum Kühlen von sowohl Innenraumluft als auch einer Batterie angeordnet sind. Ein Kühlmittel-Dreiwege-Proportionalsteuerventil ist mit der Kühlvorrichtung und der Batterie verbunden. Das Steuerventil ist dazu konfiguriert, eine Kapazität der Kühlvorrichtung für die Batterie wirksam zu steuern.
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Bei einer beispielhaften Anordnung kann die Fahrzeugkühlanordnung ferner ein thermisches Expansionsventil und mindestens einen Verdampfer zur Steuerung des Einleitens von Kältemittel innerhalb des Luftklimatisierungskreislaufs in die Kühlvorrichtung enthalten.
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Bei einer anderen beispielhaften Anordnung kann die Fahrzeugkühlanordnung ferner ein Duoventil umfassen, das die Batterie und einen Kühler wirksam verbindet.
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Bei einer anderen beispielhaften Anordnung kann die Fahrzeugkühlanordnung ferner eine Umgehungsleitung umfassen, die mit dem Proportionalventil wirksam erbunden ist, wobei ein Auslass der Umgehungsleitung mit einer Kühlmittelpumpe verbunden ist.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Kühlen einer Fahrzeugbatterie offenbart. Bei einer beispielhaften Anordnung umfasst das Verfahren selektives Leiten eines Kühlmittelstroms zu einem Proportionalsteuerventil, Betreiben des Proportionalsteuerventils zum selektiven Leiten mindestens eines Kühlmittelteils in eine Kühlvorrichtung und Einstellen eines Kühlmitteldurchsatzes in die Kühlvorrichtung als Reaktion darauf, dass die Batterietemperatur eine vorbestimmte Batterieschwellentemperatur übersteigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird unten unter Bezugnahme auf die unten angeführten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Schemadiagramm, das eine beispielhafte Anordnung eines Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungs- und Batteriekühlsystems darstellt; und
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2 ein Flussdiagramm, das Betrieb der beispielhaften Anordnung des Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungs- und Batteriekühlsystems von 1 darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die auf verschiedene und alternative Weisen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist.
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Die Offenbarung betrifft eine Anordnung für ein Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungs- und Batteriekühlsystem 10, das ein Ventil aufweist, welches wirksam konfiguriert ist, sich zu öffnen und zu schließen, um variabel einen Kühlmitteldurchsatz zu einer Kühlvorrichtung oder sogar Umgehung der Kühlvorrichtung zu gestatten. Die offenbarte Anordnung steuert die Kühlvorrichtungskapazität und das Kühlausmaß, die bzw. das für die Fahrzeugbatterien erforderlich ist, indem sie einen Betriebszyklus (das heißt eine Öffnungs-/Schließrate) eines 3-Wege-Kühlmittelventils steuert. Ferner hat die offenbarte Anordnung das Vermögen, die Innenraumlufttemperatur in einem gewünschten Zustand zu halten, indem sie eine Kühlvorrichtungskapazitätskühlrate verlangsamt. Im Vergleich zu eigenständigen Batteriekühlsystemen, die von einem Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungssystem getrennt sind, hat die hierin offenbarte Anordnung ferner das Vermögen, ohne einen Verdichter, einen Kondensator und Kühlmittelleitungen, die mit getrennter Batteriekühlung verbunden sind, auszukommen. Durch Verzicht auf diese Komponenten kann das Gewicht eines Fahrzeugs reduziert werden, und es können verbesserte Packaging-Anordnungen erreicht werden, was zu geringeren Kosten führt.
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Eine beispielhafte Anordnung eines Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungs- und Batteriekühlsystems 10 wird in 1 gezeigt. Bei dieser Anordnung enthält das Kühlsystem 10 einen Batteriekühlkreislauf 12 und einen Luftklimatisierungskreislauf 14. Der Batteriekühlkreislauf 12 enthält eine Batterie 15, die in der Regel mehrere Zellen enthält. Die Batterie 15 kann durch Verwendung des Batteriekühlkreislaufs 12 gekühlt werden. Die Batterie 15 kann mit einem Zuführungsnetz für elektrische Energie des Fahrzeugs wirksam verbunden sein und elektrische Energie nach Bedarf bereitstellen und speichern. Das Kühlsystem 10 enthält ferner eine Kühlvorrichtung 16, einen Kühler 18, wie zum Beispiel einen Niedertemperaturkühler, und eine Pumpe 20. Ein 3-Wege-Kühlmittelventil 22 ist über Kühlmittelleitungen 24 mit einem Auslass der Batterie 14 und einem Einlass 26 der Kühlvorrichtung 16 verbunden. Batteriekühlmittel wird durch die Kühlmittelleitungen 24 geleitet. Bei der beispielhaften Anordnung ist zum Erreichen einer Soll-Kühlleistung der Batterie 14 das 3-Wege-Kühlmittelventil 22 ein Proportionalventil, dessen Betrieb unten ausführlicher erläutert wird. Der Gesamtstrom des Batteriekühlmittels wird von der Batterie 15 in das 3-Wege-Kühlmittelventil 22, von dem der Gesamtstrom in die Kühlvorrichtung 16 geleitet werden kann, eine Umgehungsleitung 17 zum Leiten eines Kühlmittelstroms zu einem zweiten Duoventil 28, das mit dem Batteriekühler 18 wirksam verbunden ist, oder eine Kombination von beiden geleitet. Das Duoventil 28 ist ein Ein/Aus-Ventil. Der Betriebszustand des zweiten Duoventils 28 wird jedoch von Umgebungsbedingungen abhängen, wie ausführlicher erläutert wird.
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Das Kühlmittelventil 22 wird mit einer Steuereinheit 43 dahingehend betrieben, einen vorgegebenen variablen Kühlmitteldurchsatz bereitzustellen, um Kühlmittelstrom mit einer vorbestimmten Rate zu der Kühlvorrichtung 16 zu leiten und so die Kapazität der Kühlvorrichtung 16 zu steuern, die durch den Luftklimatisierungskreislauf 14 oder den Batteriekreislauf 12 beeinflusst werden kann. Zum Verlangsamen der Kapazität der Kühlvorrichtung 16 kann das Kühlmittelventil 22 den Kühlmittelstrom (über die Umgehungsleitung 17) zum Kühler 18 leiten, so dass Wärme vom Kühlmittel abgezogen werden kann, indem ein Umgebungsluftstrom dort hindurchgeleitet wird. Als Alternative dazu kann das Duoventil 28 eine Umgehung des Kühlers 18 gestatten.
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Der Luftklimatisierungskreislauf 14 ist über die Kühlvorrichtung 16 in dem Batteriekühlkreislauf 12 integriert. Zusätzlich zu der Kühlvorrichtung 16 umfasst der Luftklimatisierungskreislauf 14 auch mindestens einen Verdampfer 30. Bei der in 1 gezeigten Anordnung ist ein vorderer Verdampfer 30A sowie ein hinterer Verdampfer 30B vorgesehen. Ein vorderes Gebläse 31A und ein rückwärtiges Gebläse 31B können mit dem vorderen und hinteren Verdampfer 30A bzw. 30B wirksam verbunden sein. Ferner umfasst der Luftklimatisierungskreislauf 14 einen Wärmetauscher 32 (als "IHX" bezeichnet) thermische Expansionsventile 34a, 34b, 34c (als "TXV" bezeichnet), einen Verdichter 38 und einen Kondensator 40, der mit dem Kühler 18 verbunden ist. Ein Kraftmaschinen-/Antriebsstranggebläse 33 kann mit dem Kühler 18 wirksam verbunden sein. Kältemittel wird durch Kältemittelleitungen des Luftklimatisierungskreislaufs 14 geleitet. Im Betrieb wird das Kältemittel durch den Luftklimatisierungskreislauf 14 zykliert, der Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum aufnimmt und die Wärme an die Umgebungsluft abführt.
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Der Verdichter 38 nimmt Niederdruckkältemittel mit niedriger Temperatur auf, das sich in einem Dampfzustand befindet und aus den Verdampfern 30a, 30b und der Kühlvorrichtung 16 kommt. Niederdruckkältemitteldampf auf niedriger Temperatur ist ein überhitztes Gas. Der Verdichter 38 komprimiert dann das Kältemittel auf einen Hochdruckdampf mit hoher Temperatur, der dann zu einem Kondensator 40 geleitet wird. Der Hochdruckkältemitteldampf mit hoher Temperatur wird dann durch den Kondensator 40 geleitet, wo ein Kondensatorgebläse (oder Antriebsstrangkühlgebläse) 33 Umgebungsluft über den Kondensator 40 bläst und Wärme von dem Hochdruckkältemitteldampf mit hoher Temperatur auf die über den Kondensator 40 geblasene Umgebungsluft übertragen wird. Das den Kondensator 40 verlassende Kältemittel ist eine Hochdruckflüssigkeit mit hoher Temperatur, die dann in einen (nicht gezeigten) Aufnahmetrockner eintritt. Der Aufnahmetrockner dient als Filter, der jegliche Feuchtigkeit und einige Verunreinigungen, die in den Luftklimatisierungskreislauf 14 gelangen, entfernt. Der Aufnahmetrockner enthält ein Trocknungsmittel, das Feuchtigkeit aus dem Kältemittel abzieht. Bei der in 1 gezeigten Anordnung können der Kondensator 40 und der Aufnahmetrockner zu einer einzigen Einheit kombiniert sein.
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Nach dem Verlassen des Aufnahmetrockners befindet sich das Kältemittel immer noch in dem Hochdruckflüssigkeitszustand mit hoher Temperatur und tritt dann in die thermischen Expansionsventile (TXV) 34a, 34b, 34c ein. Das TXV 34a steuert die in die Kühlvorrichtung 16 eintretende Kältemittelmenge. Das TXV 34a kann selektiv geöffnet werden, um zu gestatten, dass flüssiges Kältemittel nach Bedarf in die Kühlvorrichtung 16 strömt, um einen Temperaturgradienten über die Kühlvorrichtung 16 von der Kältemittelseite zu der Kühlmittelseite bereitzustellen. Das 3-Wege-Kühlmittelventil 22 gestattet einen vorgegebenen/adäquaten Kühlmittelstrom in die Kühlvorrichtung 16 über den Batteriekühlkreislauf 12 zum Verwalten der erforderlichen Abgabekapazität aus der Kühlvorrichtung 22.
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Das TXV 34b steuert die in den hinteren Verdampfer 30b eintretende Kältemittelmenge. Wenn die Temperatur des den hinteren Verdampfer 30b verlassenden Kältemittels nicht zu heiß ist, öffnet sich das TXV 34b, wodurch gestattet wird, dass mehr flüssiges Kältemittel in den hinteren Dampfer 30b strömt. Wenn die Temperatur des den hinteren Verdampfer 30b verlassenden Kältemittels zu kalt ist, schließt sich das TXV 34b, wodurch die in den hinteren Verdampfer 30b strömende Kältemittelmenge reduziert wird.
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Das TXV 34c steuert die in den vorderen Verdampfer 30a eintretende Kältemittelmenge. Wenn die Temperatur des den vorderen Verdampfer 30a verlassenden Kältemittels zu heiß ist, öffnet sich das TXV 34c, wodurch gestattet wird, dass mehr flüssiges Kältemittel in den vorderen Verdampfer 30a strömt. Wenn die Temperatur des den vorderen Verdampfer 30a verlassenden Kältemittels zu kalt ist, schließt sich das TXV 34c, wodurch die in den vorderen Verdampfer 30a strömende Kältemittelmenge reduziert wird.
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Dann verlässt das Kältemittel die TXV 34a, 34b, 34c in einer/einem Niederdruckflüssigkeit und -dampfgemisch mit niedriger Temperatur und tritt in die Verdampfer 30a, 30b und/oder die Kühlvorrichtung 16 ein, und Wärme wird aus der Luft auf das Kältemittel übertragen. Die gekühlte Luft wird dann in den Fahrzeuginnenraum eingeleitet. Dass die Verdampfer 30a, 30b und die Kühlvorrichtung 16 verlassende Kältemittel ist ein überhitzter Niederdruckdampf mit niedriger Temperatur, der dann durch den Wärmetauscher 32 und dann wieder zu dem Verdichter 38 strömt, wo sich der Zyklus dann selbst wiederholt.
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Auf 2 Bezug nehmend, wird der Betrieb des Fahrzeuginnenraumluftklimatisierungs- und Batteriekühlsystems 10 in Verbindung mit dem Prozessablauf 100 ausführlicher erläutert. Der Prozessablauf 100 beginnt mit einem anfänglichen Schritt 102 des Messens der Temperatur der Batterie 15. Wenn die Batterietemperatur auf oder unter einer Schwellengrenze liegt, hält der Prozess an. Wenn die Batterietemperatur die Schwellengrenze übersteigt, dann geht der Prozess zu Schritt 104 über, durch den die Umgebungstemperatur gemessen und mit der Batterietemperatur verglichen wird.
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In den Wintermonaten steht in vielen Klimazonen (oder anderen kälteren Klimazonen) genug kalte Umgebungsluft zum Kühlen der Batterie 15 zur Verfügung. Wenn die Umgebungstemperatur unter der Batterietemperatur liegt, geht der Prozess somit zu Schritt 106 über, durch den der Kühlmittelstrom über das Ventil 28 durch den Kühler 18 geleitet wird.
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Während der Sommermonate oder in warmen Klimazonen wird die Umgebungstemperatur jedoch nicht dazu dienen, die Batterie 15 ausreichend zu kühlen. Wenn die Umgebungstemperatur größer als (oder gleich der) Batterietemperatur ist, bewegt sich der Prozess demgemäß zu Schritt 108. In Schritt 108 wird bestimmt, ob die Fahrzeuginnenraumluftklimatisierung (Innenraum-A/C) eingeschaltet ist. Ist das Ergebnis der Bestimmung "ja" (das heißt, wenn die Innenraumluftklimatisierung eingeschaltet ist), dann bewegt sich der Prozess zu Schritt 110. Wenn die Innenraumluftklimatisierung nicht eingeschaltet ist, bewegt sich die Operation zu 114, um Kältemittel- und Kühlmittelwärmeübertragung in der Kühlvorrichtung 16 zu gestatten. Insbesondere wird Kühlmittel durch das Ventil 28 zu dem 3-Wege-Kühlmittelventil 22 geleitet, um Strom in die Kühlvorrichtung 16 zu leiten.
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In Schritt 110 wird die Ist-Verdampfertemperatur mit einer Soll-Verdampfertemperatur verglichen. Wenn die Ist-Verdampfertemperatur größer als die Soll-Verdampfertemperatur ist, dann wird das Kältemittelventil 34a der Kühlvorrichtung 16 abschalten, um maximale Kühlpriorität für den Innenraum bereitzustellen. Wenn die Ist-Verdampfertemperatur geringer als die Soll-Verdampfertemperatur ist, bewegt sich die Operation zu Schritt 112. Während eines anfänglichen Anlaufmodus (das heißt, nachdem das Fahrzeug nach dem Herunterfahren eingeschaltet oder hochgefahren worden ist), wird das Ventil 28 dahingehend betätigt, Kühlmittel zum Kühlmittelventil 22 zu leiten, um Strom in die Kühlvorrichtung 16 zu leiten. Für die anschließende Operation von Schritt 112 wird die Steuereinheit 43 dahingehend betrieben, das Proportionalventil selektiv zum Halten der Soll-Verdampfertemperatur einzustellen.
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Ferner wird das Ventil 22 in Schritt 112 dahingehend eingestellt, eine selektive Einstellung des Kühlmitteldurchsatzes in die Kühlvorrichtung 16 zum Erreichen einer Soll-Kapazität der Kühlvorrichtung 22 zu gestatten. Somit kann zur Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes ein Teil des Kühlmittelstroms durch die Umgehungsleitung 17 geleitet werden. Nach dem Leiten durch die Umgehungsleitung 17 wird der umgeleitete Kühlmittelstrom wieder in den Hauptstrompfad geführt, und der gesamte Kühlmittelstrom wird zur Kühlmittelpumpe 20 zurückgeleitet.
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Nach Durchführung der Schritte 112 oder 114 bewegt sich der Prozess zu Schritt 115, durch den die Batterietemperatur gemessen wird. Als Nächstes wird in Schritt 116 bestimmt, ob die gemessene Batterietemperatur unter einer Batterietemperaturschwelle/-betriebstemperatur liegt. Wenn das Ergebnis der Bestimmung "nein" ist, kehrt die Operation zu Prozess 110 zurück, um einen Wärmelastaustausch zwischen Kühlmittel zu gestatten. Wenn das Ergebnis der Bestimmung von Schritt 110 "ja" ist (das heißt, die Ist-Verdampfertemperatur über einer Soll-Verdampfertemperatur liegt), hält der Kältemittelstrom in die Kühlvorrichtung an, und der Prozess bewegt sich zu Schritt 118, um Austausch von Wärmelast zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel in der Kühlvorrichtung 16 anzuhalten (da das TXV 34a abgeschaltet ist).
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Schließlich kann das Ventil 22 auch dahingehend eingestellt werden, ein Hochfahren der Fahrzeuginnenraumtemperatur bereitzustellen und eine Innenraumtemperaturspitze zu beseitigen, wenn eine Kühlvorrichtungsanforderung in Schritt 110 vorliegt.
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Schritt 117 gewährleistet, dass das Ventil 22, wenn die Batterietemperatur geringer oder niedriger als die Batterieschwellentemperatur/-betriebstemperatur ist, abgeschaltet werden kann und der gesamte Kühlmittelstrom in die Umgehungsleitung 17 geleitet werden kann. Darüber hinaus gewährleistet die vorliegende Offenbarung, dass eine selektive Einstellung des Ventils 22 durch die Steuereinheit 43 erreicht werden kann, derart, dass überschüssiges Kühlmittel (das heißt nur ein Teil des gesamten Kühlmittelstroms) durch die Umgehungsleitung 17 umgeleitet werden kann und der umgeleitete Kühlmittelstrom wieder in den Hauptstrompfad zurückgeführt wird, so dass der gesamte Kühlmittelstrom zu der Kühlmittelpumpe 20 zurückgeleitet wird.
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Obgleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
