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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung eines Akkumulators. Die Konditionierung umfasst insbesondere eine Maßnahme zur Steigerung einer Speicherkapazität und Verringerung eines Innenwiderstands sowie zur Verlängerung einer Lebensdauer eines Akkumulators.
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Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis.
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Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren kommt es über die Lebensdauer zu Kapazitäts- und Perfomance-Verlusten, die auf eine Degeneration der Elektroden zurückzuführen sind.
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Aus der
WO 2004/070909 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, durch die eine Bleisäure-Batterie mit elektrischen Strompulsen beaufschlagt werden kann. Die Beaufschlagung der Batterie mit Strompulsen kann die Bildung von Sulfaten beeinflussen und die Lebensdauer der Batterie verlängern. Die Pulse weisen durchschnittliche Stromstärken von bis zu 60 mA [Milliampere] auf.
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Aus der
WO 2012/073194 A1 ist ein Ladegerät für eine Batterie bekannt. Das Ladegerät erzeugt einen Ladestrom, der positive Strompulse, negative Strompulse und konstante Stromstärken aufweisen kann.
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Aus der
WO 2014/065573 A1 ist ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Batterie mit Strompulsen bekannt. Dadurch soll eine Lebensdauer der Batterie verlängert werden. Insbesondere soll die Bildung von Sulfaten beschränkt werden. Die Pulse weisen durchschnittliche Stromstärken von bis zu 50 mA [Milliampere] auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit dem eine Speicherkapazität des Akkumulators gesteigert, ein Innenwiderstand verringert sowie eine Lebensdauer des Akkumulators verlängert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird ein Verfahren zur Konditionierung eines Akkumulators vorgeschlagen. Der Akkumulator ist Bestandteil einer Antriebsvorrichtung, wobei die Antriebsvorrichtung zusätzlich eine Leistungselektronik und mindestens eine elektrische Maschine aufweist, die über die Leistungselektronik mit elektrischer Leistung des Akkumulators beaufschlagbar ist. Das Verfahren umfasst zumindest den folgenden Schritt:
- a) Beaufschlagen des Akkumulators mit einem ersten Stromsignal, wobei das erste Stromsignal eine Mehrzahl von hochfrequenten elektrischen Pulsen umfasst, wobei über das erste Stromsignal und über mehrere elektrische Pulse hinweg eine durchschnittliche elektrische Leistung von mindestens 1,0 kW [Kilowatt], insbesondere von mindestens 2,0 kW, bevorzugt von mindestens 3,0 kW übertragen wird.
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Insbesondere wird über das erste Stromsignal und über mehrere elektrische Pulse hinweg eine durchschnittliche elektrische Leistung zwischen 1,0 und 6,0 kW [Kilowatt] übertragen.
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Insbesondere umfasst das erste Stromsignal einen Gleichstrom.
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Insbesondere weist das erste Stromsignal eine Frequenz von mindestens 50 Hz [Hertz] auf.
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Insbesondere weist das erste Stromsignal eine Frequenz von höchstens 500 Hz [Hertz] auf.
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Bevorzugt weist das erste Stromsignal eine Frequenz von ca. 300 Hz auf.
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Insbesondere beträgt eine Amplitude der Pulse mindestens 5 A [Ampere], bevorzugt mindestens 10 A, besonders bevorzugt mindestens 20 A oder mindestens 30 A.
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Insbesondere beträgt eine Amplitude der Pulse höchstens 200 A [Ampere], bevorzugt höchstens 170 A, besonders bevorzugt höchstens 150 A.
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Insbesondere umfasst das erste Stromsignal mindestens ein sinusförmiges oder ein rechteckiges Signal. Ggf. umfasst das erste Stromsignal mehrere einander überlagernde (sinusförmige, rechteckige) Signale, wobei jedes dieser Signale zeitlich versetzt zu den anderen Signalen des ersten Stromsignals und mit gleicher oder ggf. einer anderen Frequenz (und ggf. weiteren gleichen oder unterschiedlichen Parametern wie Amplitude der Stromstärke, Spannung, etc.) übertragen wird. Insbesondere werden Signale über PWM (Pulsweitenmodulation) erzeugt. Es können auch anders geformte Stromsignale erzeugt bzw. eingesetzt werden.
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Bevorzugt setzt sich das erste Stromsignal aus gleichen Signalen zusammen, deren wellenförmiger (insbesondere sinusförmiger) oder rechteckiger (infolge PWM) oder anders ausgebildeter Verlauf zeitlich versetzt zueinander übertragen wird. Damit kann z. B. ein erstes Stromsignal mit 300 Hz aus drei gleichen Signalen mit jeweils 100 Hz bestehen, wobei die drei sonst gleichen Signale um jeweils ein Drittel ihrer Periode zeitlich zueinander versetzt verlaufen.
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Das erste Stromsignal wird insbesondere mit der vorgesehenen Betriebsspannung des Akkumulators übertragen. Die vorgesehene Betriebsspannung beträgt insbesondere mindestens 200 V [Volt], bevorzugt mindestens 360 V oder ca. 400 V.
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Insbesondere wird das erste Stromsignal einem zum Antrieb der mindestens einen elektrischen Maschine vorgesehenen zweiten Stromsignal überlagert, wobei das erste Stromsignal Antriebsmomentneutral für die mindestens eine elektrische Maschine ist.
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Antriebsmomentneutral heißt hier insbesondere, dass über das erste Stromsignal kein Drehmoment in der elektrischen Maschine erzeugt wird. Insbesondere wird ausschließlich das zweite Stromsignal zum Antrieb der mindestens einen elektrischen Maschine und zur Erzeugung eines Drehmoments durch die elektrische Maschine eingesetzt.
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Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden, d. h. z. B. bei Inbetriebnahme eines Kraftfahrzeuges oder bei einer unmittelbar bevorstehenden Inbetriebnahme eines Kraftfahrzeuges sowie dauerhaft während des Betriebs eines Kraftfahrzeuges.
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Das Verfahren wird insbesondere zumindest dann durchgeführt, wenn eine Anforderung zum Antrieb der mindestens einen elektrischen Maschine durch ein zweites Stromsignal vorliegt und der für das zweite Stromsignal erforderliche elektrische Strom mindestens 75 % der von dem Akkumulator zu diesem Zeitpunkt erlaubten Stromgrenze beträgt.
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Insbesondere wird das erste Stromsignal über die Leistungselektronik erzeugt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das erste Stromsignal über eine elektrische Kurzschluss-Schaltung innerhalb des Akkumulators erzeugt werden. Dabei wird das erste Stromsignal insbesondere nicht außerhalb des Akkumulators über elektrische Leitungen geleitet, sondern wird ausschließlich innerhalb z. B. eines Gehäuses des Akkumulators übertragen. Über die elektrische Kurzschluss-Schaltung können zumindest ein Teil der Zellen des Akkumulators gesteuert miteinander verbunden werden, so dass das erste Stromsignal erzeugt wird.
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Das vorliegende Verfahren basiert auf der Erkenntnis, das hochfrequente Strompulse eine positive Auswirkung auf Akkumulatoren haben können. Dieser Effekt kann mit höheren elektrischen Strömen noch verstärkt werden. Insbesondere konnte beobachtet werden, dass ein Innenwiderstand des Akkumulators im Verlauf von mehreren Ladezyklen weniger schnell steigt und eine Energiekapazität gesteigert werden kann, gerade über eine Vielzahl von Zyklen (Laden und Entladen des Akkumulators bis zu jeweils bestimmten Ladezuständen, z. B. Entladen bis zu einem SOC - state of charge - von höchstens 10 % einer Ladekapazität des Akkumulators, Laden bis zu einem SOC von mindestens 85 %) des Akkumulators hinweg. Insbesondere wird so eine Alterung des Akkumulators verlangsamt.
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Weiter kann durch die Beaufschlagung mit dem ersten Stromsignal eine Erwärmung des Akkumulators durchgeführt werden. Bei kalten Akkumulatoren sind gerade die Stromgrenzen (also die höchste abrufbare Stromstärke aus dem Akkumulator, so dass der Akkumulator nicht beschädigt wird) sehr gering, so dass bereits bei Anforderungen nach geringen Drehzahlen bzw. Drehmomenten der mindestens einen elektrischen Maschine die dann vorliegende Stromgrenze schon erreicht werden kann. Gerade in derartigen Situationen kann mit dem ersten Stromsignal eine doppelte Wirkung erzielt werden, einerseits die Aufheizung des Akkumulators und andererseits eine positive Konditionierung des Akkumulators (Erhöhung Energiekapazität, Verringerung Innenwiderstand, Verlängerung Lebensdauer).
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Insbesondere kann das erste Stromsignal über PTC-Elemente (Positive Temperature Coefficient), z. B. der Leistungselektronik, geleitet und gesteuert werden. Dabei kann über die PTC-Elemente z. B. eine Pulslänge des ersten Stromsignals gesteuert werden (der PTC schaltet bei Erreichen einer bestimmten Temperatur als Überhitzungsschutz ab).
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Es wird weiter eine Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Akkumulator, eine Leistungselektronik und mindestens eine elektrische Maschine, die über die Leistungselektronik mit einer elektrischen Leistung des Akkumulators beaufschlagbar ist, sowie ein Steuergerät, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ausgeführt ist bzw. das Verfahren ausführt.
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Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor eines Steuergeräts ausgeführt werden.
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Es wird auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens ausführt.
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Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Achse und die beschriebene Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Achse durch die mindestens eine elektrische Maschine.
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Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf das Kraftfahrzeug, das computerimplementierte Verfahren und die Antriebsvorrichtung übertragbar und umgekehrt.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein erstes Diagramm;
- 2: ein zweites Diagramm;
- 3: ein drittes Diagramm; und
- 4: ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt ein erstes Diagramm. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Lade-Zyklen 11 des Akkumulators 1 aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die relative Kapazität 9 des Akkumulators 1 in Prozent aufgetragen.
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Die Parametersätze des ersten Stromsignals 5 der einzelnen Verläufe 13, 14, 15, 16, 17 sind auf der rechten Seite dargestellt. Der erste Verlauf 13 stellt die Entwicklung der relativen Kapazität 9 über der Anzahl der Zyklen 11 dar, wobei bei dem ersten Verlauf der Akkumulator 1 nicht mit einem ersten Signal 5 beaufschlagt wird.
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Die Parametersätze betragen für den zweiten Verlauf 14: 5 Ampere Amplitude des ersten Signals 5 bei einer Frequenz von 100 Hertz; für den dritten Verlauf 15 entsprechend 5 Ampere bei 300 Hertz; für den vierten Verlauf 16 entsprechend 15 Ampere bei 100 Hertz und für den fünften Verlauf 17 entsprechend 15 Ampere bei 300 Hertz.
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Aus dem ersten Diagramm ist klar erkennbar, dass die relative Kapazität 9 des Akkumulators 1 durch die Beaufschlagung mit dem ersten Signal 5 unterschiedlich stark gesteigert werden kann, wobei Beaufschlagung mit dem fünften Parametersatz (fünfter Verlauf 17) die stärkste Steigerung beobachtet werden konnte.
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2 zeigt ein zweites Diagramm. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Lade-Zyklen 11 des Akkumulators 1 aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist der relative Innenwiderstand 10 des Akkumulators 1 in Prozent aufgetragen.
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Die Parametersätze des ersten Stromsignals 5 der einzelnen Verläufe 13, 14, 15, 16, 17 sind auf der rechten Seite dargestellt. Der erste Verlauf 13 stellt die Entwicklung des relativen Innenwiderstands 10 über der Anzahl der Zyklen 11 dar, wobei bei dem ersten Verlauf der Akkumulator 1 nicht mit einem ersten Signal 5 beaufschlagt wird.
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Die Parametersätze betragen für den zweiten Verlauf 14: 5 Ampere Amplitude des ersten Signals 5 bei einer Frequenz von 100 Hertz; für den dritten Verlauf 15 entsprechend 5 Ampere bei 300 Hertz; für den vierten Verlauf 16 entsprechend 15 Ampere bei 100 Hertz und für den fünften Verlauf 17 entsprechend 15 Ampere bei 300 Hertz.
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Aus dem zweiten Diagramm ist klar erkennbar, dass der relative Innenwiderstand 10 des Akkumulators 1 durch die Beaufschlagung mit dem ersten Signal 5 unterschiedlich stark reduziert werden kann, wobei Beaufschlagung mit dem fünften Parametersatz (fünfter Verlauf 17) die stärkste Reduzierung beobachtet werden konnte.
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3 zeigt ein drittes Diagramm. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Lade-Zyklen 11 des Akkumulators 1 aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Temperatur 12 des Akkumulators 1 in Grad Celsius aufgetragen.
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Die Parametersätze des ersten Stromsignals 5 der einzelnen Verläufe 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 sind auf der rechten Seite dargestellt. Der erste Verlauf 13 stellt die Entwicklung der Temperatur 12 des Akkumulators 1 über der Anzahl der Zyklen 11 dar, wobei bei dem ersten Verlauf der Akkumulator 1 nicht mit einem ersten Signal 5 beaufschlagt wird.
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Die Parametersätze betragen für den zweiten Verlauf 14: 5 Ampere Amplitude des ersten Signals 5 bei einer Frequenz von 100 Hertz; für den dritten Verlauf 15 entsprechend 5 Ampere bei 300 Hertz; für den vierten Verlauf 16 entsprechend 15 Ampere bei 100 Hertz; für den fünften Verlauf 17 entsprechend 15 Ampere bei 300 Hertz; für den sechsten Verlauf 18 entsprechend 60 Ampere bei 100 Hertz; für den siebten Verlauf 19 entsprechend 60 Ampere bei 300 Hertz; für den achten Verlauf 20 entsprechend 160 Ampere bei 100 Hertz.
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Aus dem dritten Diagramm ist klar erkennbar, dass die starken Pulse des ersten Signals bei dem achten Verlauf 20 zu einer ausgeprägten Erhöhung der Temperatur 12 des Akkumulators 1 führen, der dann selbstverständlich auch mehr elektrische Leistung abgeben kann als die kälteren Akkumulatoren. Dieser Anstieg der Temperatur 12 kann insbesondere als mögliche Ursache für die deutlich geringere Alterung des mit dem ersten Stromsignal 5 beaufschlagten Akkumulators 1 gesehen werden.
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4 zeigt ein Kraftfahrzeug 21 mit einer Achse 22 und einer Antriebsvorrichtung 2 zum Antrieb der Achse 22 durch die elektrische Maschine 4. Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst einen Akkumulator 1, eine Leistungselektronik 3 und die elektrische Maschine 4, die über die Leistungselektronik 3 mit einer elektrischen Leistung des Akkumulators 1 beaufschlagbar ist, sowie ein Steuergerät 8, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ausgeführt ist bzw. das Verfahren ausführt.
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Das erste Stromsignal 5 wird über die Leistungselektronik 3 erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Stromsignal 5 über eine elektrische Kurzschluss-Schaltung 7 innerhalb des Akkumulators 1 erzeugt werden. Dabei wird das erste Stromsignal 5 nicht außerhalb des Akkumulators 1 über elektrische Leitungen geleitet, sondern ausschließlich innerhalb z. B. eines Gehäuses des Akkumulators 1 übertragen. Über die elektrische Kurzschluss-Schaltung 7 können zumindest ein Teil der Zellen des Akkumulators 1 gesteuert miteinander verbunden werden, so dass das erste Stromsignal 5 erzeugt wird.
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Das erste Stromsignal 5 wird einem zum Antrieb der elektrischen Maschine 4 vorgesehenen zweiten Stromsignal 6 überlagert, wobei das erste Stromsignal 5 Antriebsmomentneutral für die elektrische Maschine 4 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akkumulator
- 2
- Antriebsvorrichtung
- 3
- Leistungselektronik
- 4
- Maschine
- 5
- erstes Stromsignal
- 6
- zweites Stromsignal
- 7
- Kurzschluss-Schaltung
- 8
- Steuergerät
- 9
- relative Kapazität
- 10
- relativer Innenwiderstand
- 11
- Zyklus
- 12
- Temperatur
- 13
- erster Verlauf
- 14
- zweiter Verlauf
- 15
- dritter Verlauf
- 16
- vierter Verlauf
- 17
- fünfter Verlauf
- 18
- sechster Verlauf
- 19
- siebter Verlauf
- 20
- achter Verlauf
- 21
- Kraftfahrzeug
- 22
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/070909 A1 [0004]
- WO 2012/073194 A1 [0005]
- WO 2014/065573 A1 [0006]
