DE102020106320A1 - Method for operating an electrical drive system of a trailer vehicle of a towing vehicle-trailer vehicle combination as well as an electrical drive system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (11) eines Anhängefahrzeugs (3) einer Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination (1), bestehend aus einem Zugfahrzeug (2) und dem Anhängefahrzeug. Das Anhängefahrzeug weist eine Anhängefahrzeugachse (17c, 17d, 17e), eine pneumatische oder hydraulische Anhängerbremsanlage (9) mit einer Anhängefahrzeugreibbremse (23, 24, 25) an der Anhängefahrzeugachse sowie ein elektronisches Anhängerbremssystem (10) auf, mit dem die Anhängerbremsanlage steuerbar ist. Das Zugfahrzeug weist eine Zugfahrzeugachse (17a, 17b), einen Verbrennungsmotor (19), eine pneumatische oder hydraulische Zugfahrzeugbremsanlage (7) mit einer Zugfahrzeugreibbremse (21, 22) an dessen Zugfahrzeugachse, optional eine Dauerbremse (18) sowie ein elektronisch geregeltes Zugfahrzeugbremssystem (8) auf. Mittels des Zugfahrzeugbremssystems sind die Zugfahrzeugbremsanlage sowie die optionale Dauerbremse steuerbar. Die Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination weist ein Datenbussystem (4, 5, 6) auf, mit dem das elektrische Antriebssystem (11) sowie die elektronisch geregelten Bremssysteme (8, 10) in Verbindung stehen. Das Antriebssystem des Anhängefahrzeugs weist eine als Motor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine (12), einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher (16), ein Batteriemanagementsystem (14) zur Überwachung und zum Schutz des elektrischen Energiespeichers sowie einen Wechselrichter (13) zur Steuerung der elektrischen Maschine auf. Das elektrische Antriebssystem (11) wird durch das elektronisch geregelte Anhängerbremssystem (10) gesteuert.The invention relates to a method for operating an electric drive system (11) of a trailer vehicle (3) of a towing vehicle-trailer vehicle combination (1), consisting of a towing vehicle (2) and the trailer. The trailer has a trailer axle (17c, 17d, 17e), a pneumatic or hydraulic trailer brake system (9) with a trailer friction brake (23, 24, 25) on the trailer axle and an electronic trailer brake system (10) with which the trailer brake system can be controlled. The towing vehicle has a towing vehicle axle (17a, 17b), an internal combustion engine (19), a pneumatic or hydraulic towing vehicle brake system (7) with a towing vehicle friction brake (21, 22) on its towing vehicle axle, optionally a permanent brake (18) and an electronically controlled towing vehicle braking system (8) ) on. The towing vehicle brake system and the optional permanent brake can be controlled by means of the towing vehicle brake system. The tractor-trailer combination has a data bus system (4, 5, 6) with which the electric drive system (11) and the electronically controlled brake systems (8, 10) are connected. The drive system of the trailer vehicle has an electrical machine (12) that can be operated as a motor or generator, a rechargeable electrical energy store (16), a battery management system (14) for monitoring and protecting the electrical energy store and an inverter (13) for controlling the electrical machine on. The electric drive system (11) is controlled by the electronically controlled trailer brake system (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Anhängefahrzeugs einer Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination, bestehend aus einem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug. Das Anhängefahrzeug weist eine Anhängefahrzeugachse, eine pneumatische oder hydraulische Anhängerbremsanlage mit einer Anhängefahrzeugreibbremse an der Anhängefahrzeugachse sowie ein elektronisch geregeltes Anhängerbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Anhängerbremssystems ist die Anhängerbremsanlage steuerbar. Das Zugfahrzeug weist eine Zugfahrzeugachse, einen Verbrennungsmotor, eine pneumatische oder hydraulische Zugfahrzeugbremsanlage mit einer Zugfahrzeugreibbremse an der Zugfahrzeugachse, optional eine Dauerbremse, sowie ein elektronisch geregeltes Zugfahrzeugbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Zugfahrzeugbremssystems sind die Zugfahrzeugbremsanlage sowie die optionale Dauerbremse steuerbar. Die Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination weist ein Datenbussystem auf, mittels dessen das elektrische Antriebssystem sowie die elektronisch geregelten Bremssysteme in Verbindung stehen. Das Antriebssystem des Anhängefahrzeugs weist eine als Motor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine, einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und zum Schutz des elektrischen Energiespeichers sowie einen Wechselrichter zur Steuerung der elektrischen Maschine auf. Außerdem betrifft die Erfindung das genannte elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs sowie eine Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination mit einem solchen elektrischen Antriebssystem.The invention relates to a method for operating an electric drive system of a trailer vehicle of a towing vehicle-trailer vehicle combination, consisting of a towing vehicle and the trailer vehicle. The trailer vehicle has a trailer vehicle axle, a pneumatic or hydraulic trailer brake system with a trailer vehicle friction brake on the trailer vehicle axle and an electronically controlled trailer brake system. The trailer braking system can be controlled by means of the electronically regulated trailer braking system. The towing vehicle has a towing vehicle axle, an internal combustion engine, a pneumatic or hydraulic towing vehicle brake system with a traction vehicle friction brake on the towing vehicle axle, optionally a permanent brake, and an electronically controlled tractor braking system. The towing vehicle brake system and the optional permanent brake can be controlled by means of the electronically regulated towing vehicle brake system. The tractor-trailer combination has a data bus system, by means of which the electric drive system and the electronically controlled brake systems are connected. The drive system of the trailer vehicle has an electrical machine that can be operated as a motor or generator, a rechargeable electrical energy store, a battery management system for monitoring and protecting the electrical energy store, and an inverter for controlling the electrical machine. In addition, the invention relates to the said electrical drive system of the trailer vehicle and a tractor-trailer vehicle combination with such an electrical drive system.
Anhängefahrzeuge mit elektrischen Antriebssystemen, welche in einem Rekuperationsbetrieb Bremsenergie in elektrische Energie umwandeln, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Derartige elektrische Antriebssysteme sind beispielsweise in Anhängern von Nutzfahrzeugen, wie Sattelaufliegern oder Deichselanhängern oder in Anhängern von Personenkraftwagen-Gespannen verbaut. Die elektrischen Antriebssysteme können beispielsweise als ein zusätzlicher elektromotorischer Antrieb zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors des Zugfahrzeugs dienen, um den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Möglich ist es auch, dass ein derartiges elektrisches Antriebssystem lediglich als eine Rekuperationseinrichtung wirksam ist, welche in einem Rekuperationsbetrieb eine elektrische Maschine als Generator zum Laden eines elektrischen Energiespeichers antreibt, um elektrische Energie zur Versorgung elektrisch betriebener Aggregate, wie beispielsweise eines Kühlaggregats in einem Kühlfahrzeug, oder anderer elektrischer Verbraucher zur Verfügung zu stellen.Trailer vehicles with electrical drive systems, which convert braking energy into electrical energy in a recuperation mode, are known in various designs. Such electrical drive systems are installed, for example, in trailers of commercial vehicles, such as semi-trailers or drawbar trailers, or in trailers for passenger vehicle combinations. The electric drive systems can serve, for example, as an additional electric motor drive to support an internal combustion engine of the towing vehicle in order to reduce fuel consumption and pollutant emissions. It is also possible that such an electrical drive system is only effective as a recuperation device, which drives an electrical machine as a generator for charging an electrical energy store in a recuperation mode in order to generate electrical energy for supplying electrically operated units, such as a cooling unit in a refrigerated vehicle, or to provide other electrical consumers.
Die
Aus der
Die elektrische Leistung des elektrischen Antriebssystems wird von einem aufladbaren elektrischen Energiespeicher, einer Antriebsbatterie, bereitgestellt. Die heutigen Antriebsbatterien sind meistens aus einem Batteriepack mit mehreren Zellen in Nickel-Metallhydrid-Technologie oder in Lithium-Ionen-Technologie aufgebaut. Typische Performancewerte für solche Antriebsbatterien sind Spannungen von 60 V oder mehr und elektrische Leistungen von 50 kW oder mehr.The electrical power of the electrical drive system is provided by a rechargeable electrical energy store, a drive battery. Today's drive batteries are mostly made up of a battery pack with several cells in nickel-metal hydride technology or in lithium-ion technology. Typical performance values for such drive batteries are voltages of 60 V or more and electrical outputs of 50 kW or more.
Der elektrische Energiespeicher wird durch Rekuperation beim aktiven oder passiven Bremsen des Fahrzeugs aufgeladen. Um dabei möglichst viel elektrische Energie zu gewinnen, sollte die maximal mögliche Rekuperationsleistung des elektrischen Antriebssystems ausgenutzt werden. Die maximal mögliche Rekuperationsleistung ist die größtmögliche elektrische Leistung, die das elektrische Antriebssystem bei der Rekuperation umwandeln kann und die von dem Energiespeicher aufgenommen werden kann. Sie ist durch die Spezifikationen der Antriebsbatterie und der elektrischen Maschine begrenzt. Diese Grenze sollte idealerweise optimal ausgenutzt werden. Andererseits darf die Antriebsbatterie beim Rekuperieren jedoch nicht überlastet werden, um irreversible Schäden, welche zu einer Verkürzung der Lebensdauer oder sogar zur Zerstörung der Batterie führen können, sicher zu vermeiden. Daher ist in der Regel ein Batteriemanagementsystem vorhanden, welches den Batteriestrom, die Batteriespannung der einzelnen Zellen sowie der Gesamtbatterie, den Batterieinnenwiderstand sowie die Temperatur erfasst und über ein Datenbussystem an eine elektronische Steuerung übermittelt. Diese elektronische Steuerung stellt den Batteriestrom ein. Das Batteriemanagementsystem bestimmt anhand der aktuellen Zellspannung und des Batterieinnenwiderstands einen maximal möglichen Ladestrom und daraus die aktuell maximale mögliche Ladeleistung der Batterie. Bei einer drohenden Überhitzung oder beim Verlassen eines sicheren Betriebsfensters (Über- oder Unterspannung) wird der Stromfluss zur Batterie durch ein Steuergerät oder das Batteriemanagementsystem unterbrochen.The electrical energy storage device is charged by recuperation when the vehicle is braked actively or passively. In order to gain as much electrical energy as possible, the maximum possible recuperation power of the electrical drive system should be used. The maximum possible recuperation performance is the greatest possible electrical power that the electrical drive system can convert during recuperation and that can be absorbed by the energy store. It is limited by the specifications of the drive battery and the electrical machine. Ideally, this limit should be optimally used. On the other hand, the drive battery must not be overloaded during recuperation in order to reliably avoid irreversible damage, which can lead to a shortening of the service life or even to the destruction of the battery. Therefore, there is usually a battery management system that records the battery current, the battery voltage of the individual cells and the entire battery, the internal battery resistance and the temperature and transmits it to an electronic controller via a data bus system. This electronic control adjusts the battery current. The battery management system uses the current cell voltage and the internal battery resistance to determine a maximum possible charging current and, from this, the current maximum possible charging power of the battery. In the event of imminent overheating or when leaving a safe operating window (over- or undervoltage), the current flow to the battery is interrupted by a control unit or the battery management system.
Um die Antriebsbatterie beim Rekuperieren nicht zu überlasten, beziehungsweise um eine Notabschaltung oder einen Batterieschaden sicher zu vermeiden, muss die mechanische Leistung der elektrischen Maschine so begrenzt werden, dass die dabei erzeugte elektrische Leistung die zulässige Ladeleistung der Batterie nicht überschreitet. Die mechanische Leistung der elektrischen Maschine ergibt sich aus dem an einem Rotor der elektrischen Maschine anliegenden Drehmoment und der aktuellen Maschinendrehzahl. Die Regelung der Leistung der elektrischen Maschine erfolgt über eine Drehmomentvorgabe. Durch Leistungsverluste bei der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie aufgrund der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten des Antriebs - welche sind: die Wirkungsgrade der elektrischen Maschine, eines Wechselrichters, eines elektrischen Zwischenkreises zwischen Batterie und elektrischer Maschine, sowie eines gegebenenfalls im Kraftfluss zwischengeschalteten Getriebes - ist im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine die mechanische Leistung des elektrischen Antriebsystems stets größer als die durch Energiewandlung erzeugte elektrische Leistung.In order not to overload the drive battery during recuperation or to safely avoid an emergency shutdown or battery damage, the mechanical power of the electrical machine must be limited in such a way that the electrical power generated does not exceed the permissible charging power of the battery. The mechanical power of the electrical machine results from the torque applied to a rotor of the electrical machine and the current machine speed. The power of the electrical machine is regulated via a torque specification. Due to power losses when converting mechanical energy into electrical energy due to the efficiency of the individual components of the drive - which are: the efficiency of the electrical machine, an inverter, an electrical intermediate circuit between the battery and the electrical machine, as well as a transmission that may be interposed in the power flow - is in Generator operation of the electrical machine, the mechanical power of the electrical drive system is always greater than the electrical power generated by energy conversion.
Problematisch ist, dass alle Wirkungsgrade aller einzelnen Komponenten in der Wirkungsgradkette des elektrischen Antriebssystems zu jedem Zeitpunkt genau bekannt sein müssten, um die mechanische und damit die elektrische Leistung der elektrischen Maschine so einstellen zu können, dass die zulässige Ladeleistung der Batterie erreicht, jedoch nicht überschritten wird. Allerdings ist der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems nicht konstant, sondern unter anderem vom Betriebszustand der Batterie (Ladezustand [SOC; State of Charge], Alterungszustand [SOH; State of Health], Zellentemperatur) abhängig. Eine hinreichend genaue Bestimmung des Wirkungsgrads in jedem Betriebspunkt der Batterie ist kaum möglich. Die optimale Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine ist demnach nicht bekannt. Andererseits müsste bei einer Überlastung der Antriebsbatterie der generatorische Betrieb der Elektromaschine gegebenenfalls unerwartet notabgeschaltet werden, was natürlich vermieden werden soll. Schlimmstenfalls könnte auch die Antriebsbatterie zerstört werden.The problem is that all the efficiencies of all individual components in the efficiency chain of the electric drive system would have to be precisely known at all times in order to be able to adjust the mechanical and thus the electric power of the electric machine in such a way that the permissible charging power of the battery is reached, but not exceeded will. However, the efficiency of the electric drive system is not constant, but depends, among other things, on the operating state of the battery (state of charge [SOC; State of Charge], state of aging [SOH; State of Health], cell temperature)). A sufficiently precise determination of the efficiency at every operating point of the battery is hardly possible. The optimal torque requirement for the electrical machine is therefore not known. On the other hand, if the drive battery is overloaded, the generator operation of the electric machine may have to be unexpectedly switched off in an emergency, which of course should be avoided. In the worst case, the drive battery could also be destroyed.
Nachteilig ist nach alldem, dass bei den bekannten elektrischen Antriebssystemen und Verfahren zu deren Steuerung der elektrische Energiespeicher in der Regel zwar geschützt wird, der Rekuperationsbetrieb jedoch nicht optimal zur Speicherung der zurückgewonnenen elektrischen Energie genutzt wird.After all, it is disadvantageous that in the known electrical drive systems and methods for their control, the electrical energy storage device is generally protected, but the recuperation operation is not optimally used for storing the recovered electrical energy.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems mit einem elektrisch aufladbaren Energiespeicher vorzustellen, mit dem ein effektiverer und gleichzeitig betriebssicherer Rekuperationsbetrieb beim Laden des Energiespeichers erreicht wird. Zudem soll ein elektrisches Antriebssystem vorgestellt werden, an dem das genannte Verfahren betreibbar ist. Das Verfahren und das elektrische Antriebssystem sollen insbesondere an einem Anhängefahrzeug durchführbar beziehungsweise einsetzbar sein.Against this background, the invention is based on the object of presenting a method for operating an electrical drive system with an electrically chargeable energy storage device, with which a more effective and at the same time operationally reliable recuperation operation is achieved when charging the energy storage device. In addition, an electrical drive system is to be presented on which the above-mentioned method can be operated. The method and the electric drive system should be able to be carried out or used in particular on a trailer vehicle.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren beziehungsweise mit einem elektrischen Antriebssystem erreicht, welche die Merkmale der unabhängigen Ansprüche aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved with a method or with an electric drive system which has the features of the independent claims. Advantageous refinements and developments of the invention are defined in the respectively assigned dependent claims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es in einem elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs mit einem elektronisch geregelten Bremssystem möglich ist, in einem elektrischen Schalt- und Regelkreis mit einer elektrischen Maschine, einem Wechselrichter und einem elektrischen Energiespeicher sowie zusätzlich mit einem Gleichstromregler, im Zusammenwirken mit dem elektronisch geregelten Bremssystem, eine maximal mögliche und zulässige Ladeleistung des Energiespeichers bei gleichzeitigem Schutz vor Überlastung in einem Rekuperationsbetrieb des Antriebsystems einzuregeln.The invention is based on the knowledge that it is possible in an electrical drive system of a vehicle with an electronically controlled braking system, in an electrical switching and control circuit with an electrical machine, an inverter and an electrical energy store and additionally with a direct current regulator, in cooperation with the electronically controlled braking system to regulate a maximum possible and permissible charging power of the energy storage device with simultaneous protection against overload in a recuperation mode of the drive system.
Die Erfindung betrifft daher zunächst ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines Anhängefahrzeugs einer Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination, bestehend aus einem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug. Das Anhängefahrzeug weist eine Anhängefahrzeugachse, eine pneumatische oder hydraulische Anhängerbremsanlage mit einer Anhängefahrzeugreibbremse an der Anhängefahrzeugachse sowie ein elektronisch geregeltes Anhängerbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Anhängerbremssystems ist die Anhängerbremsanlage steuerbar. Das Zugfahrzeug weist eine Zugfahrzeugachse, einen Verbrennungsmotor, eine pneumatische oder hydraulische Zugfahrzeugbremsanlage mit einer Zugfahrzeugreibbremse an der Zugfahrzeugachse, optional eine Dauerbremse, sowie ein elektronisch geregeltes Zugfahrzeugbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Zugfahrzeugbremssystems sind die Zugfahrzeugbremsanlage sowie die optionale Dauerbremse steuerbar. Die Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination weist ein Datenbussystem auf, mittels dessen das elektrische Antriebssystem sowie die elektronisch geregelten Bremssysteme in Verbindung stehen. Das Antriebssystem des Anhängefahrzeugs weist eine als Motor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine, einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und zum Schutz des elektrischen Energiespeichers sowie einen Wechselrichter zur Steuerung der elektrischen Maschine auf.The invention therefore initially relates to a method for operating an electrical Drive system of a trailer vehicle of a towing vehicle-trailer combination, consisting of a towing vehicle and the trailer. The trailer vehicle has a trailer vehicle axle, a pneumatic or hydraulic trailer brake system with a trailer vehicle friction brake on the trailer vehicle axle and an electronically controlled trailer brake system. The trailer braking system can be controlled by means of the electronically regulated trailer braking system. The towing vehicle has a towing vehicle axle, an internal combustion engine, a pneumatic or hydraulic towing vehicle brake system with a traction vehicle friction brake on the towing vehicle axle, optionally a permanent brake, and an electronically controlled tractor braking system. The towing vehicle brake system and the optional permanent brake can be controlled by means of the electronically regulated towing vehicle brake system. The tractor-trailer combination has a data bus system, by means of which the electric drive system and the electronically controlled brake systems are connected. The drive system of the trailer vehicle has an electrical machine that can be operated as a motor or generator, a rechargeable electrical energy store, a battery management system for monitoring and protecting the electrical energy store, and an inverter for controlling the electrical machine.
Zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe sieht die Erfindung zunächst vor, dass das elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs durch das elektronisch geregelte Anhängerbremssystem gesteuert wird. Dabei wird in einem Rekuperationsbetrieb primär das elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs gesteuert, um in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und den elektrischen Energiespeicher zu laden. Die elektrische Energie wird zur Unterstützung des Verbrennungsmotors mit einer zusätzlichen elektromotorischen Antriebsleistung und/oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher der Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination genutzt. Mithilfe eines in dem elektrischen Antriebssystem des Anhängefahrzeugs integrierten Gleichstromreglers sowie mittels des Wechselrichters wird eine über das Datenbussystem durch das Batteriemanagementsystem vorgegebene maximal zulässige oder maximal mögliche elektrische Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers eingeregelt und zu jedem Zeitpunkt zumindest nahezu eingehalten. Erforderlichenfalls werden sekundär die optional vorhandene Dauerbremse und tertiär die Zugfahrzeugbremsanlage und/oder die Anhängerbremsanlage angesteuert, um ein angefordertes Bremsmoment zu erreichen.To solve the process-related problem, the invention initially provides that the electric drive system of the trailer vehicle is controlled by the electronically regulated trailer brake system. In this case, the electrical drive system of the trailer vehicle is primarily controlled in recuperation mode, in order to convert braking energy into electrical energy and to charge the electrical energy storage device in generator mode of the electrical machine. The electrical energy is used to support the internal combustion engine with an additional electric motor drive power and / or to supply electrical consumers of the towing vehicle-trailer combination. With the help of a DC controller integrated in the electric drive system of the trailer vehicle and the inverter, a maximum permissible or maximum possible electric charging power of the electric energy storage device specified via the data bus system by the battery management system is regulated and at least almost maintained at all times. If necessary, the optionally available sustained-action brake is activated secondarily and the towing vehicle brake system and / or the trailer brake system are activated secondarily in order to achieve a requested braking torque.
Unter einer Drehmomentanforderung wird im Folgenden der Wert eines angeforderten Drehmoments verstanden. Ein Wechselrichter kann alternativ auch als Inverter bezeichnet werden. Mit der Formulierung „zu jedem Zeitpunkt zumindest nahezu eingehalten“ ist gemeint, dass das genannte Ziel, soweit dies physikalisch-technisch möglich ist, erreicht wird.In the following, a torque request is understood to mean the value of a requested torque. Alternatively, an inverter can also be referred to as an inverter. The phrase “at least almost complied with at all times” means that the stated goal will be achieved, as far as this is physically and technically possible.
Unter einem elektrischen Antriebssystem wird ein System verstanden, bei dem die durch Rekuperation zurückgewonnene elektrische Energie nicht nur zum Antreiben von Fahrzeugrädern, sondern über einen elektrischen Energiespeicher auch zur Speisung von elektrischen Nebenverbrauchern verwendet werden kann. Insofern kann das elektrische Antriebssystem alternativ auch Rekuperationseinrichtung genannt werden. Dauerbremsen in einen Kraftfahrzeug sind, wie eingangs erwähnt, an sich bekannt. Sie können beispielsweise als Motorbremse oder als hydrodynamischer Retarder ausgebildet sein.An electrical drive system is understood to mean a system in which the electrical energy recovered through recuperation can be used not only to drive vehicle wheels, but also to feed electrical auxiliary consumers via an electrical energy store. In this respect, the electric drive system can alternatively also be called a recuperation device. Retarder brakes in a motor vehicle are, as mentioned above, known per se. They can be designed, for example, as an engine brake or as a hydrodynamic retarder.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 schlägt die Erfindung demnach vor, das elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs mittels des elektronisch geregelten Anhängerbremssystems zu steuern. Die elektrische Maschine wird abhängig von der Fahrsituation als Generator oder als Motor betrieben, wobei deren Ansteuerung in Abstimmung mit dem Betrieb einer gegebenenfalls vorhandenen Dauerbremse, wie beispielsweise einem Retarder, und in Abstimmung mit dem Betrieb der pneumatischen oder hydraulischen Bremsanlagen des Zugfahrzeugs und des Anhängefahrzeugs erfolgt.According to the features of claim 1, the invention accordingly proposes to control the electric drive system of the trailer vehicle by means of the electronically controlled trailer brake system. The electric machine is operated as a generator or as a motor, depending on the driving situation, and it is controlled in coordination with the operation of any permanent brake, such as a retarder, and in coordination with the operation of the pneumatic or hydraulic brake systems of the towing vehicle and the trailer vehicle .
Im Rekuperationsbetrieb wird die elektrische Maschine als Generator betrieben, wobei zunächst die Bremsleistung des Generators ausgenutzt wird, bevor die Dauerbremse und die Reibbremsen zum Einsatz kommen, um das Fahrzeug gegebenenfalls weiter abzubremsen, sofern die Bremsleistung des Generators nicht ausreicht. Die zurückgewonnene Bremsenergie wird entsprechend des Wirkungsgrades bei der Umwandlung als elektrische Energie in dem Energiespeicher gespeichert und durch den Energiespeicher im Fahrzeug zur Verfügung gestellt.In recuperation mode, the electric machine is operated as a generator, the braking power of the generator being used first before the retarder and the friction brakes are used to further brake the vehicle if the braking power of the generator is insufficient. The recovered braking energy is stored as electrical energy in the energy storage unit according to the conversion efficiency and made available by the energy storage unit in the vehicle.
Das elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs wird mithilfe einer Regelung des Gleichstroms durch einen zusätzlich angeordneten und in dem elektrischen Antriebssystem integrierten Gleichstromregler beim Laden des Energiespeichers derart vorteilhaft gesteuert, dass zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist, dass die maximal mögliche Ladeleistung des Energiespeichers möglichst vollständig ausgeschöpft wird. Dadurch wird die Umwandlung von kinetischer Energie in elektrischer Energie maximiert und als Ergebnis davon die Umwandlung von kinetischer Energie in thermische Energie beispielsweise im Retarder und/oder in den Radbremsen minimiert.The electric drive system of the trailer vehicle is advantageously controlled with the help of a control of the direct current by an additionally arranged direct current regulator integrated in the electric drive system when charging the energy storage device in such a way that it is ensured at all times that the maximum possible charging power of the energy storage device is exhausted as completely as possible. As a result, the conversion of kinetic energy into electrical energy is maximized and, as a result thereof, the conversion of kinetic energy into thermal energy, for example in the retarder and / or in the wheel brakes, is minimized.
Gemäß einer weiter entwickelten Ausführungsform der Erfindung kann für eine vorteilhafte Laderegelung des Energiespeichers vorgesehen sein, dass bei einer durch einen Fahrerwunsch oder durch ein Assistenzsystem angeforderten Verzögerung der Fahrt der Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination zunächst ein für die angeforderte Verzögerung notwendiges Bremsmoment mindestens eines Fahrzeugrades ermittelt wird. Eine diesem Radbremsmoment entsprechende Drehmomentanforderung für die elektrische Maschine wird dann berechnet und an den Wechselrichter übermittelt. Falls erforderlich, wird dazu ein in einem Datenspeicher abgespeichertes Kennfeld herangezogen. Aus der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine und dem Wert der Drehmomentanforderung wird anschließend eine aktuelle mechanische Leistungsanforderung an die elektrische Maschine bestimmt. Die mechanische Leistungsanforderung an die elektrische Maschine wird dann mit der durch das Batteriemanagementsystem vorgegebenen maximal zulässigen elektrischen Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers verglichen. Für den Fall, dass die mechanische Leistungsanforderung an die elektrische Maschine oberhalb der maximal zulässigen elektrischen Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers liegt, wird daraufhin ein Optimierungszyklus gestartet und durchlaufen. Dabei wird zunächst der Wert der aktuellen mechanischen Leistung der elektrischen Maschine ermittelt und dieser auf die maximal zulässige elektrische Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers begrenzt. Der sich aus der begrenzten aktuellen mechanischen Leistung der elektrischen Maschine ergebende abgesenkte Drehmomentwert wird dann an den Wechselrichter als neue Drehmomentanforderung übermittelt. Anschließend wird mittels des Gleichstromreglers die Ladeleistung der elektrischen Maschine derart geregelt, dass sich die an den Wechselrichter übermittelte abgesenkte Drehmomentanforderung an die elektrischen Maschine wieder sukzessive erhöht, bis die maximal zulässige elektrische Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers erreicht ist.According to a further developed embodiment of the invention, it can be provided for an advantageous charge control of the energy storage device that, in the event of a deceleration of the journey of the towing vehicle / trailer vehicle combination requested by a driver's request or by an assistance system, a braking torque of at least one vehicle wheel necessary for the requested deceleration is determined . A torque request for the electrical machine corresponding to this wheel braking torque is then calculated and transmitted to the inverter. If necessary, a map stored in a data memory is used for this purpose. A current mechanical power requirement for the electrical machine is then determined from the current speed of the electrical machine and the value of the torque requirement. The mechanical power requirement of the electrical machine is then compared with the maximum permissible electrical charging power of the electrical energy storage device specified by the battery management system. In the event that the mechanical power requirement on the electrical machine is above the maximum permissible electrical charging power of the electrical energy store, an optimization cycle is then started and run through. First, the value of the current mechanical power of the electrical machine is determined and this is limited to the maximum permissible electrical charging power of the electrical energy store. The reduced torque value resulting from the limited current mechanical power of the electrical machine is then transmitted to the inverter as a new torque request. The charging power of the electrical machine is then regulated by means of the DC regulator in such a way that the lowered torque requirement for the electrical machine transmitted to the inverter increases again gradually until the maximum permissible electrical charging power of the electrical energy store is reached.
Demnach wird bei einem Verzögerungswunsch des Fahrers oder eines Bremsassistenzsystems ein dem Verzögerungswunsch entsprechendes Bremsmoment Mbrems an mindestens einem Fahrzeugrad mittels des elektronisch geregelten Anhängerbremssystems angefordert. Mit dem Bremsmoment Mbrems wird eine Drehmomentanforderung
Die sich aus der Ladespannung
Der Wirkungsgrad
Es wird somit im Fahrzeugbetrieb häufig Ladeleistung
Die Erfindung löst dieses Problem. Dazu wird zunächst überprüft, ob die angeforderte mechanische Leistung Pmech der elektrischen Maschine über der maximal möglichen Ladeleistung
Die Erfindung schlägt, mit anderen Worten gesagt, eine Betriebsstrategie für elektrische Antriebe in Fahrzeuganhängern vor, bei der ein Gleichstromregler genutzt wird, um so viel kinetische Energie wie möglich in elektrische Energie zu rekuperieren. Dazu werden mithilfe von Informationen, welche auf einem Datenbus des Fahrzeugs verfügbar sind, in einem elektronischen Regelkreis zyklisch Vergleiche eines maximal zulässigen Ladestroms, eines aktuellen Ladestroms sowie einer angeforderten mechanischen Bremsleistung des Antriebs ausgewertet und die Ladeparameter des elektrischen Energiespeichers anhand dieses Vergleichs fortlaufend optimiert.In other words, the invention proposes an operating strategy for electric drives in vehicle trailers in which a direct current regulator is used in order to recuperate as much kinetic energy as possible into electrical energy. For this purpose, with the help of information that is available on a data bus of the vehicle, cyclical comparisons of a maximum permissible charging current, a current charging current and a requested mechanical braking power of the drive are evaluated in an electronic control circuit, and the charging parameters of the electrical energy storage device are continuously optimized on the basis of this comparison.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass permanent eine Temperaturüberwachung der elektrischen Maschine und des Wechselrichters des elektrischen Antriebsystems erfolgt, und dass bei Überschreitung eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts die Drehmomentanforderung an die elektrische Maschine mittels des Wechselrichters um einen vorgegebenen Faktor herabgesetzt wird. Demnach kann der Wechselrichter zusätzlich dazu ausgebildet sein, bei einer drohenden Überhitzung der elektrischen Maschine und/oder des Wechselrichters selbst die Drehmomentanforderung an die elektrische Maschine zu reduzieren. Dies erfolgt unabhängig von der Regelung der Drehmomentanforderung durch den Gleichstromregler. Dadurch ist sichergestellt, dass bei der Optimierung der elektrischen Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers die elektrische Maschine und der Wechselrichter nicht thermisch überlastet werden können.According to a further development of the method according to the invention, the temperature of the electrical machine and the inverter of the electrical drive system can be continuously monitored, and that the torque requirement on the electrical machine is reduced by a specified factor by means of the inverter when a specified temperature limit is exceeded. Accordingly, the inverter can also be designed to reduce the torque demand on the electric machine in the event of an impending overheating of the electrical machine and / or the inverter itself. This takes place independently of the regulation of the torque demand by the direct current regulator. This ensures that the electrical machine and the inverter cannot be thermally overloaded when optimizing the electrical charging power of the electrical energy store.
Das beschriebene Verfahren ist an einem elektrischen Antriebssystem eines Anhängefahrzeugs einer Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination betreibbar, wobei diese aus einem Zugfahrzeug und dem Anhängefahrzeug besteht.The method described can be operated on an electric drive system of a trailer vehicle of a towing vehicle-trailer vehicle combination, this comprising a towing vehicle and the trailer vehicle.
Das Anhängefahrzeug weist eine Anhängefahrzeugachse, eine pneumatische oder hydraulische Anhängerbremsanlage mit einer Anhängefahrzeugreibbremse an der Anhängefahrzeugachse sowie ein elektronisch geregeltes Anhängerbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Anhängerbremssystems ist die Anhängerbremsanlage steuerbar. Das Zugfahrzeug weist eine Zugfahrzeugachse, einen Verbrennungsmotor, eine pneumatische oder hydraulische Zugfahrzeugbremsanlage mit einer Zugfahrzeugreibbremse an der Zugfahrzeugachse, optional eine Dauerbremse, sowie ein elektronisch geregeltes Zugfahrzeugbremssystem auf. Mittels des elektronisch geregelten Zugfahrzeugbremssystems sind die Zugfahrzeugbremsanlage sowie die optionale Dauerbremse steuerbar. Die Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination weist ein Datenbussystem auf, mittels dessen das elektrische Antriebssystem sowie die elektronisch geregelten Bremssysteme in Verbindung stehen. Das Antriebssystem des Anhängefahrzeugs weist eine als Motor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine, einen aufladbaren elektrischen Energiespeicher, ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung und zum Schutz des elektrischen Energiespeichers sowie einen Wechselrichter zur Steuerung der elektrischen Maschine auf.The trailer vehicle has a trailer vehicle axle, a pneumatic or hydraulic trailer brake system with a trailer vehicle friction brake on the trailer vehicle axle and an electronically controlled trailer brake system. The trailer braking system can be controlled by means of the electronically regulated trailer braking system. The towing vehicle has a towing vehicle axle, an internal combustion engine, a pneumatic or hydraulic towing vehicle brake system with a traction vehicle friction brake on the towing vehicle axle, optionally a permanent brake, and an electronically controlled tractor braking system. The towing vehicle brake system and the optional permanent brake can be controlled by means of the electronically regulated towing vehicle brake system. The tractor-trailer combination has a data bus system, by means of which the electric drive system and the electronically controlled brake systems are connected. The drive system of the trailer vehicle has an electrical machine that can be operated as a motor or generator, a rechargeable electrical energy store, a battery management system for monitoring and protecting the electrical energy store, and an inverter for controlling the electrical machine.
Das elektrische Antriebssystem des Anhängefahrzeugs weist erfindungsgemäß einen Gleichstromregler auf, mittels dem in einem Rekuperationsbetrieb eine vorgegebene maximal zulässige oder maximal mögliche elektrische Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers einstellbar sowie zu jedem Zeitpunkt zumindest nahezu einhaltbar ist. Dabei ist der Gleichstromregler mit dem elektronisch geregelten Anhängerbremssystem wirkverbunden oder wirkverbindbar.According to the invention, the electrical drive system of the trailer vehicle has a direct current regulator, by means of which a predetermined maximum permissible or maximum possible electrical charging power of the electrical energy store can be set and at least almost maintained at any point in time in recuperation mode. The DC regulator is or can be actively connected to the electronically controlled trailer braking system.
Auch hier wird durch die Formulierung „zumindest nahezu“ deutlich gemacht, dass die genannte optimale Zielerreichung nur so weit möglich ist, wie dies im konkreten Anwendungsfall physikalisch-technisch erreichbar ist.Here, too, the phrase “at least almost” makes it clear that the aforementioned optimal target achievement is only possible to the extent that it is physically and technically achievable in the specific application.
Mithilfe eines Gleichstromreglers kann bei der Rekuperation die maximal mögliche oder maximal zulässige elektrische Ladeleistung des Energiespeichers (Sollgröße) fortlaufend mit der tatsächlichen Ladeleistung (Istgröße) verglichen und die an den Wechselrichter übermittelte Drehmomentanforderung (Stellgröße) derart angepasst werden, dass die maximal mögliche oder maximal zulässige Ladeleistung eingeregelt wird.With the help of a direct current regulator, the maximum possible or maximum permissible electrical charging power of the energy store (target value) can be continuously compared with the actual charging power (actual value) during recuperation and the torque request (manipulated variable) transmitted to the inverter can be adjusted so that the maximum possible or maximum permissible Charging power is regulated.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gleichstromregler als ein Pl-Regler ausgebildet ist. Pl-Regler sind als stetige lineare Regler mit einem schnellen Ansprechverhalten bei gleichzeitiger hoher Regelgenauigkeit bekannt und am Markt verfügbar. Es hat sich herausgestellt, dass ein solcher Pl-Regler besonders vorteilhaft zur Optimierung der elektrischen Ladeleistung eines elektrischen Energiespeichers im Rekuperationsbetrieb eines elektrischen Antriebssystems geeignet ist.According to one embodiment of the invention it is provided that the direct current regulator is designed as a PI regulator. PI controllers are known and are available on the market as continuous linear controllers with a fast response behavior and high control accuracy at the same time. It has been found that such a PI controller is particularly advantageously suitable for optimizing the electrical charging power of an electrical energy store in the recuperation mode of an electrical drive system.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination mit einem elektrischen Antriebssystem, wie es oberhalb beschrieben wurde. Das elektrische Antriebssystem ist betreibbar zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oberhalb beschrieben wurde.Finally, the invention relates to a towing vehicle / trailer vehicle combination with an electric drive system as described above. The electric drive system can be operated to carry out a method as described above.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von einem in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Ansicht einer Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-Kombination mit einem Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems eines Anhängefahrzeugs gemäß der Erfindung, und -
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems gemäß1 .
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1 a schematic view of a tractor-trailer vehicle combination with a block diagram of an electrical drive system of a trailer vehicle according to the invention, and -
2 a flowchart of the method according to the invention for operating an electric drive system according to FIG1 .
Demnach weist die in
Das Zugfahrzeug
Das Zugfahrzeug
Entsprechend bestehen - in
Das elektronisch geregelte Zugfahrzeugbremssystem
Das elektronisch geregelte Anhängerbremssystem
Die elektrische Maschine
Vorliegend ist lediglich eine elektrische Maschine
In einem Rekuperationsbetrieb wird die elektrische Maschine
- Über den CAN-Bus
6 desAnhängefahrzeugs 3 erhält das elektronisch geregelte Anhängerbremssystem10 beziehungsweise dessen Steuergerät eine Anforderung zur Erzeugung eines bestimmten, fahrsituationsabhängigen BremsmomentsMbrems . Dieses Bremsmoment Mbrems kann durch Betätigen eines mit dem elektronisch geregelten Zugfahrzeugbremssystem8 verbundenen Bedienelements der Zugfahrzeugbremsanlage7 oder der Dauerbremse18 (Bremspedal, Bedienhebel) ausgelöst werden und ist mit einem bestimmten Bremssteuerdruck korreliert. Das elektronisch geregelte Anhängerbremssystem10 sendet ein diesbezügliches Signal andas elektrische Antriebssystem 11 zur Einschaltung der elektrischen Maschine12 in den Generatorbetrieb.
- Via the CAN bus
6th of thetrailer vehicle 3 receives the electronically controlledtrailer braking system 10 or its control unit a request to generate a specific, driving situation-dependent braking torqueM brake . This braking torque Mbrems can be activated by actuating one of the electronically controlled towing vehicle braking systems8th connected control element of the towing vehicle brake system7th or the retarder18th (Brake pedal, operating lever) and is correlated with a specific brake control pressure. The electronically controlledtrailer braking system 10 sends a signal to this effect to theelectric drive system 11 to switch on the electrical machine12th in generator mode.
Das Anhängerbremssystem
Um bei dem Verzögerungsvorgang des Fahrzeugs
Die
Gemäß dem Funktionsblock F2 wird dann ein dem Bremssteuerdruck entsprechendes gewünschtes Bremsmoment Mbrems in ein an die elektrische Maschine
Ist die angeforderte mechanische Leistung
Ist die angeforderte mechanische Leistung
Da die aktuellen Werte der Ladespannung
Nur der Anteil an dem gewünschten Gesamtbremsmoment, welcher bei der Regelung der Ladeleistung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Zugfahrzeug-Anhängefahrzeug-KombinationTowing vehicle-trailer combination
- 22
- ZugfahrzeugTowing vehicle
- 33
- AnhängefahrzeugTrailer vehicle
- 44th
- Elektrische Datenverbindung, Datenbussystem (Bremsen-CAN-Bus)Electrical data connection, data bus system (brake CAN bus)
- 55
- CAN-Bus des ZugfahrzeugsCAN bus of the towing vehicle
- 66th
- CAN-Bus des AnhängefahrzeugsCAN bus of the trailer vehicle
- 77th
- Pneumatische/hydraulische Zugfahrzeugbremsanlage mit ReibbremsenPneumatic / hydraulic towing vehicle brake system with friction brakes
- 88th
- Elektronisch geregeltes ZugfahrzeugbremssystemElectronically controlled towing vehicle braking system
- 99
- Pneumatische/hydraulische Anhängerbremsanlage mit ReibbremsenPneumatic / hydraulic trailer brake system with friction brakes
- 1010
- Elektronisch geregeltes AnhängerbremssystemElectronically controlled trailer braking system
- 1111
- Elektrisches Antriebssystem des AnhängefahrzeugsElectric drive system of the trailer vehicle
- 1212th
- Elektrische Maschine (Motor/Generator)Electric machine (motor / generator)
- 1313th
- WechselrichterInverter
- 1414th
- BatteriemanagementsystemBattery management system
- 1515th
- GleichstromreglerDC regulator
- 1616
- Elektrischer Energiespeicher, AntriebsbatterieElectrical energy storage, drive battery
- 17a17a
- Erste ZugfahrzeugachseFirst towing vehicle axle
- 17b17b
- Zweite ZugfahrzeugachseSecond towing vehicle axle
- 17c17c
- Erste AnhängefahrzeugachseFirst trailer axle
- 17d17d
- Zweite AnhängefahrzeugachseSecond trailer axle
- 17e17e
- Dritte AnhängefahrzeugachseThird trailer axle
- 1818th
- Dauerbremse, RetarderPermanent brake, retarder
- 1919th
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 2020th
- Steuergerät des elektrischen AntriebsystemsControl unit of the electric drive system
- 2121
- Erste ZugfahrzeugreibbremseFirst traction vehicle friction brake
- 2222nd
- Zweite ZugfahrzeugreibbremseSecond traction vehicle friction brake
- 2323
- Erste AnhängefahrzeugreibbremseFirst trailer friction brake
- 2424
- Zweite AnhängefahrzeugreibbremseSecond trailer friction brake
- 2525th
- Dritte AnhängefahrzeugreibbremseThird trailer friction brake
- 3030th
- Fahrzeugrad an der ersten ZugfahrzeugachseVehicle wheel on the first tractor axle
- 3131
- Fahrzeugrad an der zweiten ZugfahrzeugachseVehicle wheel on the second tractor axle
- 3232
- Fahrzeugrad an der ersten AnhängefahrzeugachseVehicle wheel on the first trailer axle
- 3333
- Fahrzeugrad an der zweiten AnhängefahrzeugachseVehicle wheel on the second trailer axle
- 3434
- Fahrzeugrad an der dritten AnhängefahrzeugachseVehicle wheel on the third trailer axle
- F1 - F7F1 - F7
- FunktionsblöckeFunction blocks
- IladeIlade
- Ladestrom des EnergiespeichersCharging current of the energy storage
- Ilade,maxIlade, max
- Maximaler Ladestrom des EnergiespeichersMaximum charging current of the energy storage
- MM.
- DrehmomentTorque
- ManfManf
- DrehmomentanforderungTorque requirement
- MbremsMbrems
- BremsmomentBraking torque
- MredMred
- Reduzierte DrehmomentanforderungReduced torque requirement
- nn
- Drehzahl der elektrischen MaschineSpeed of the electric machine
- PelPel
- Elektrische Leistung der elektrischen MaschineElectric power of the electric machine
- PladePlade
- Elektrische Ladeleistung des EnergiespeichersElectrical charging power of the energy storage
- Plade,aktuellPlade, currently
- Reduzierter aktueller Wert der elektrischen LadeleistungReduced current value of the electrical charging power
- Plade,maxTray, max
- Maximal mögliche bzw. zulässige Ladeleistung des EnergiespeichersMaximum possible or permissible charging power of the energy storage
- Pmech,anfPmech, beg
- Angeforderte mechanische Leistung der elektrischen MaschineRequired mechanical power of the electrical machine
- UladeUlade
- Ladespannung des EnergiespeichersCharging voltage of the energy storage
- Ulade,maxUlade, max
- Maximale Ladspannung des EnergiespeichersMaximum charging voltage of the energy storage
- ηη
- WirkungsgradEfficiency
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016003356 A1 [0003]DE 102016003356 A1 [0003]
- WO 2019/179866 A1 [0004]WO 2019/179866 A1 [0004]
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-
2020
- 2020-03-09 DE DE102020106320.2A patent/DE102020106320A1/en active Pending
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