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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wärmemanagementsysteme für Kraftfahrzeuge, und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Steuerung des Betriebs von Quellen und Senken thermischer Energie innerhalb eines Kraftfahrzeugs. Emissionsnormen, Umweltbelange und die Wahrnehmung des Fahrers in Bezug auf Ansprechverhalten, Laufruhe und Geräusch-, Vibrations- und Rauigkeitsentwicklung (NVH) sowie Fahrerkomfort diktieren viele der Wege, auf denen die thermische Energie innerhalb eines Kraftfahrzeugs gesteuert wird. Traditionell wurde nach Wirkungsgraden innerhalb der Grenzen der Brennkraftmaschinen (ICE) gesucht, die als Antriebsaggregate für Kraftfahrzeuge dienen. Solche Fortschritte haben im Allgemeinen die Form einer Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads (Maximierung der Umwandlung von Verbrennungsenergie in Antriebskraft), der Rückgewinnung bzw. Verwertung von thermischer Verbrennungsenergie zum Betrieb von Heizungs-/Lüftungs-/Klimatisierungs (HVAC)-Funktionen, der Rückgewinnung von kinetischer Energie beim Bremsen zum Aufladen der Batterie und Ähnlichem angenommen. Die Rückgewinnungsfunktionen werden häufig in speziellen Heiz-, Kühl- oder Stromkreisen ausgeführt, was zu einer relativ komplexen Reihe von Schaltkreisen führt, von denen viele fast völlig unabhängig voneinander funktionieren.
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Doch obwohl Brennkraftmaschinen immer effizienter geworden sind und wahrscheinlich auch weiterhin werden, werden erhebliche Mengen an thermischer Energie von den Brennkraftmaschinen erzeugt, von denen ein erheblicher Teil normalerweise an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben wird. Das heißt, in einem Fahrzeug mit Brennkraftmaschine wird ein Überschuss an thermischer Energie durch die Brennkraftmaschine erzeugt und kann nicht effektiv oder effizient innerhalb des Kraftfahrzeugs gehalten werden. So wird oft eine erhebliche Menge an so genannter „hochwertiger“ thermischer Energie aus dem Kraftfahrzeug an die Atmosphäre abgegeben. In dem Bestreben, die ineffiziente Nutzung von Brennkraftmaschinen abzuschwächen, die Emissionen zu senken, die Umweltbelastung zu reduzieren und das Ansprechverhalten, die Laufruhe, die NVH und den Fahrerkomfort zu verbessern, verlassen sich Kraftfahrzeuge zunehmend auf elektrischen Strom sowohl für den Antrieb als auch für das Management der Fahrgastraumumgebung. Der zunehmende Einsatz von elektrischem Strom, wie er von innovativen Antriebssystemen wie Hybridsystemen, Batterien, Brennstoffzellen und dergleichen erzeugt wird, hat jedoch die Menge und die Qualität der thermischen Energie, die von Fahrzeugen mit solchen innovativen Antriebssystemen erzeugt wird, drastisch reduziert.
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Dementsprechend können herkömmliche Systeme und Verfahren des Wärmemanagements, die ursprünglich für Brennkraftmaschinen entwickelt wurden, zwar auf innovative Antriebssysteme wie batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) angewandt werden - die sich in erster Linie auf eine Batterie und einen Elektromotor-Generator für den Antrieb verlassen -, der Überschuss an thermischer Energie ist jedoch viel geringer als bei einer Brennkraftmaschine. Während herkömmliche Systeme und Verfahren des Wärmemanagements in Brennkraftmaschinen ihren Zweck erfüllen können, besteht daher ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren des Wärmemanagements für Fahrzeuge, in denen die Verwendung von Brennkraftmaschinen reduziert und/oder ganz eliminiert wird. Daher besteht ein Bedarf an neuen und verbesserten Wärmemanagementsystemen und -verfahren, die thermische Energie effizient sammeln, speichern und an Fahrzeugsysteme verteilen, die diese Energie benötigen, während sie gleichzeitig die Hardwarekosten und -komplexität reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und eine verbesserte Sicherheit und Redundanz sowie eine geringere Reichweitenangst für Kraftfahrzeugbetreiber bieten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Fahrgastraum, ein Managementsystem für thermische Energie und einen Controller. Das Managementsystem für thermische Energie hat einen ersten und einen zweiten Thermofluidkreislauf. Der erste Thermofluidkreislauf umfasst eine Kühlmittelpumpe, die so konfiguriert ist, dass sie ein Kühlmittel durch mindestens eine Fahrzeugbatterie und einen Kältekompressor zirkulieren lässt, so dass der erste Thermofluidkreislauf so konfiguriert ist, dass er selektiv thermische Energie zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Kältekompressor überträgt. Der zweite Thermofluidkreislauf ist so konfiguriert, dass ein Kältemittel durch mindestens den Kältekompressor, einen Kompressor und mindestens einen Verflüssiger zirkuliert, so dass der zweite Thermofluidkreislauf so konfiguriert ist, dass er thermische Energie zwischen dem Kältekompressor und dem Verflüssiger überträgt. Der Controller ist so konfiguriert, dass er das Managementsystem für thermische Energie gemäß einem Fahrgastraumkühlungsmodus zur Kühlung des Fahrgastraums und einem Batteriekühlungsmodus zur Kühlung der Batterie steuert. Im Fahrgastraumkühlungsmodus wird der Kompressor mit einer ersten Leistungseinstellung betrieben. Im Batteriekühlungsmodus wird der Kompressor mit einer zweiten Leistungseinstellung betrieben, und der Kältekompressor wird so gesteuert, dass er thermische Energie vom ersten Thermofluidkreislauf an den zweiten Thermofluidkreislauf überträgt. Die zweite Leistungseinstellung ist kleiner als die erste Leistungseinstellung.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Leistungseinstellung eine Einstellung minimaler Betriebsleistung für den Kompressor.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Verflüssiger so konfiguriert, dass er thermische Energie aus dem zweiten Thermofluidkreislauf an die Umgebungsluft überträgt, und der Verflüssiger kann mit einer ersten Luftströmungsrate und einer zweiten Luftströmungsrate betrieben werden. Die zweite Luftströmungsrate ist größer als die erste Luftströmungsrate. Im Batteriekühlungsmodus wird der Verflüssiger mit der zweiten Luftströmungsrate betrieben. In solchen Ausführungsformen kann die zweite Luftströmungsrate eine maximale passive Luftströmungsrate für den Verflüssiger sein.
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In einer beispielhaften Ausführungsform wird bei der zweiten Leistungseinstellung das Thermofluid im Verflüssiger in einem unterkritischen Zustand gehalten.
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Ein Verfahren zur Steuerung eines Managementsystems für thermische Energie für ein Fahrzeug mit einem Fahrgastraum umfasst das Versehen des Managementsystems für thermische Energie mit einem ersten und einem zweiten Thermofluidkreislauf. Der erste Thermofluidkreislauf umfasst eine Kühlmittelpumpe, die so konfiguriert ist, dass sie ein Kühlmittel durch mindestens eine Fahrzeugbatterie und einen Kältekompressor zirkulieren lässt, so dass der erste Thermofluidkreislauf so konfiguriert ist, dass er selektiv thermische Energie zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Kältekompressor überträgt. Der zweite Thermofluidkreislauf ist so konfiguriert, dass ein Kältemittel durch mindestens den Kältekompressor, einen Kompressor und mindestens einen Verflüssiger zirkuliert, so dass der zweite Thermofluidkreislauf so konfiguriert ist, dass er thermische Energie zwischen dem Kältekompressor und dem Verflüssiger überträgt. Das Verfahren beinhaltet auch, dass als Reaktion auf eine Anforderung zur Kühlung des Fahrgastraums der Kompressor über einen Controller automatisch auf eine erste Leistungseinstellung geregelt wird. Das Verfahren umfasst ferner, als Reaktion auf eine Batteriekühlungsanforderung, die automatische Steuerung des Kompressors auf eine zweite Leistungseinstellung und die automatische Steuerung des Kältekompressors, um thermische Energie vom ersten thermischen Kreislauf zum zweiten thermischen Kreislauf über den Controller zu übertragen. Die zweite Leistungseinstellung ist kleiner als die erste Leistungseinstellung.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Leistungseinstellung eine Einstellung minimaler Betriebsleistung für den Kompressor.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Verflüssiger so konfiguriert, dass er thermische Energie aus dem zweiten Thermofluidkreislauf an die Umgebungsluft überträgt. Der Verflüssiger kann mit einer ersten Luftströmungsrate und einer zweiten Luftströmungsrate betrieben werden, wobei die zweite Luftströmungsrate größer als die erste Luftströmungsrate ist. In solchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch, dass der Verflüssiger als Reaktion auf eine Batteriekühlungsanforderung automatisch über den Controller so gesteuert wird, dass er mit der zweiten Luftströmungsrate arbeitet. Die zweite Luftströmungsrate kann eine maximale passive Luftströmungsrate für den Verflüssiger sein.
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In einer beispielhaften Ausführungsform wird bei der zweiten Leistungseinstellung das Thermofluid im Verflüssiger in einem unterkritischen Zustand gehalten.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung bieten eine Reihe von Vorteilen. Zum Beispiel können Wärmemanagementsysteme gemäß der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu bekannten Lösungen eine geringere Komplexität, geringere Kosten und geringere Masse (und damit eine größere Reichweite) aufweisen
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Der obige Vorteil und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine schematische Darstellung eines Wärmemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 3A und 3B sind Flussdiagramm-Darstellungen eines Verfahrens zur Steuerung eines Wärmemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich repräsentativ. Die verschiedenen Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben sind, können mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die abgebildeten Merkmalskombinationen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die zu den Lehren dieser Offenbarung konsistent sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug dargestellt und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Während das Kraftfahrzeug 10 als Pkw dargestellt ist, kann das Kraftfahrzeug 10 ein Pkw, ein Lkw, ein Geländewagen, ein Transporter, ein Sattelschlepper, ein Traktor, ein Bus, ein Go-Kart oder ein anderes derartiges Kraftfahrzeug 10 sein, ohne dass dies vom Umfang oder dem Zweck der vorliegenden Offenbarung abweicht. Das Kraftfahrzeug 10 ist mit einem Wärmemanagementsystem 12 ausgestattet. Allgemein ausgedrückt arbeitet das Wärmemanagementsystem 12 so, dass es selektiv thermische Energie von einer Wärmequelle innerhalb des Wärmemanagementsystems 12 zu einer Wärmesenke im Wärmemanagementsystem 12 oder von einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke zu einem Ort innerhalb des Wärmemanagementsystems 12 transportiert, an dem die thermische Energie gewünscht wird. Das Wärmemanagementsystem 12 umfasst eine Vielzahl von unterschiedlichen Thermofluidkreisläufen 14 für verschiedene Subsysteme des Kraftfahrzeugs 10. Jeder der unterschiedlichen Thermofluidkreisläufe 14 hat Wärmequellen und Wärmesenken, die mit einem oder mehreren der Teilsysteme des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sind. Einige Wärmesenken sind jedoch wesentlich massiver und können daher mehr thermische Energie speichern als andere Wärmesenken. Dementsprechend kann in Abhängigkeit von den Speicherkapazitäten für thermische Energie von verschiedenen Wärmesenken innerhalb des Wärmemanagementsystems 12 thermische Energie von einem der unterschiedlichen Thermofluidkreisläufe 14 zu einem anderen bewegt werden.
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Wie bereits erwähnt, kann das Fahrzeug 10 thermische Energie über eine reduzierte Anzahl von Thermofluidkreisläufen 14 im Vergleich zu früheren Ansätzen zirkulieren oder übertragen. In dem in 1 dargestellten Beispiel zirkuliert das Fahrzeug 10 die an Bord des Fahrzeugs erzeugte thermische Energie nur über die beiden Fluidkreisläufe 14. Mit anderen Worten: Die thermischen Anforderungen des Fahrzeugs 10, d.h. der Bedarf an Heizung oder Kühlung von Komponenten des Fahrzeugs 10 sowie an Heizung oder Kühlung des Fahrgastraums, können erfüllt werden, indem nur die beiden Thermofluidkreisläufe 14 verwendet werden. Die thermische Energie kann über die Thermofluidkreisläufe 14 durch Konduktion, Konvektion oder jeden anderen geeigneten Wärmeübertragungsmechanismus übertragen werden.
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Ein Controller 16, der mit einer Vielzahl von Aktoren, Ventilen und dergleichen in elektronischer Verbindung steht, steuert den Betrieb des Wärmemanagementsystems 12, einschließlich der Vielzahl von unterschiedlichen Thermofluidkreisläufen 14. Der Controller 16 ist eine nicht-generalisierte, elektronische Steuervorrichtung mit einem vorprogrammierten Digitalcomputer oder Prozessor 18, einem Speicher oder nicht-transitorischen, computerlesbaren Medium 20, das zum Speichern von Daten wie Steuerlogik, Anweisungen, Nachschlagetabellen usw. dient., und einer Vielzahl von Eingangs-/Ausgangs-Peripheriegeräten oder Ports 22. Der Prozessor 18 ist so konfiguriert, dass er die Steuerlogik oder Anweisungen ausführt. Der Controller 16 kann zusätzliche Prozessoren oder zusätzliche integrierte Schaltungen haben, die mit dem Prozessor 18 kommunizieren, wie z.B. Logikschaltungen zur Analyse von Wärmemanagementdaten. In einigen Beispielen kann der Controller 16 besser als eine Vielzahl von Controllern 16 beschrieben werden, von denen jedes so ausgelegt ist, dass es mit spezifischen Komponenten innerhalb des Kraftfahrzeugs 10 zusammenarbeitet und diese verwaltet, und jeder der Vielzahl von Controllern 16 steht in elektronischer Kommunikation mit den anderen. Obwohl in einigen Beispielen mehr als ein Controller 16 verwendet werden kann, konzentriert sich die folgende Beschreibung zum besseren Verständnis auf ein Wärmemanagementsystem 12 mit nur einem einzigen Controller 16.
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Bezug nehmend auf 2 und mit weiterem Bezug auf 1 ist ein erster der unterschiedlichen Thermofluidkreisläufe 14 ein Kühlmittelkreislauf 24. Der Kühlmittelkreislauf 24 umfasst eine Kühlmittelpumpe 26, die so angeordnet ist, dass sie selektiv Kühlmittel 28 aus einer Kühlmittelfüllflasche 39 durch eine Vielzahl von Kühlmittelleitungen 32 pumpt. Die Kühlmittelleitungen 32 stehen in Fluidverbindung mit verschiedenen Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 24. In der dargestellten Ausführungsform enthalten die Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 24 ein integriertes Leistungselektronik (IPE)-Modul 34. Die IPE 34 ist eine elektronische Vorrichtung mit einer Vielzahl von Zubehörteilen, die vom Kraftfahrzeugbetreiber genutzt werden können. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die IPE 34 ein Wechselrichter-/Wandlermodul 31, ein Zubehörstrommodul 33 und ein Onboard-Lademodul (OBCM) 36. Andere Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehrere zusätzliche Zubehörteile anstelle der in 2 gezeigten oder zusätzlich zu diesen enthalten. Wenn die IPE 34 betrieben wird, wandelt die Elektronik innerhalb der IPE 34 elektrische Energie in eine Vielzahl von Funktionen um, die vom Kraftfahrzeug und/oder dem Bediener genutzt werden können. Zusätzlich entsteht thermische Energie als Nebenprodukt bei der Nutzung elektrischer Energie innerhalb der IPE-Vorrichtungen 34. Das Kühlmittel 28 führt die thermische Energie von den IPE-Vorrichtungen 34 an anderer Stelle in den Kühlmittelkreislauf 24.
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Wie weiter unten erörtert wird, kann die thermische Energie der IPE-Vorrichtungen 34 ggf. keine signifikante Leistung aufweisen und in diesem Sinne im Vergleich zu Quellen wie einer Brennkraftmaschine relativ „minderwertig“ sein. Dennoch kann, wie weiter unten beschrieben wird, das Managementsystem 12 für thermische Energie die Akkumulation solcher minderwertiger thermischer Energie erleichtern, so dass sie anschließend im Fahrgastraum oder an anderer Stelle im Fahrzeug 10 in einer Weise eingesetzt werden kann, die mit früheren Ansätzen übereinstimmt, die „hochwertige“ thermische Energiequellen wie Brennkraftmaschinen verwenden. So kann das Managementsystem 12 für thermische Energie trotz nicht vorhandener Brennkraftmaschine im Fahrzeug 10 dennoch eine ausreichende Heizleistung aufweisen.
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Das OBCM 36 ist elektrisch mit einer Hochspannungsbatterie 38 gekoppelt. Das OBCM 36 ist eine elektrische Vorrichtung, die dazu dient, Energie in eine Sekundärzelle oder wiederaufladbare Batterie 38 zu leiten, indem es einen elektrischen Strom durch die Batterie 38 erzwingt. In einigen Beispielen wird ein einphasiges OBCM 36 mit 3,5 kW bis 22 kW in das elektrische System des Kraftfahrzeugs 10 eingebaut und lädt die Batterie 38 des Kraftfahrzeugs 10 aus einem Stromnetz. In anderen Beispielen kann die Batterie 38 des Kraftfahrzeugs 10 als Energiequelle verwendet werden, und daher kann das OBCM 36 auch elektrische Energie an das Stromnetz oder an Zubehör- oder Zusatzgeräte innerhalb des Kraftfahrzeugs 10 leiten. Darüber hinaus kann das OBCM 36 auch elektrische Energie an Geräte wie Mobiltelefone und dergleichen leiten, die ein Bediener des Kraftfahrzeugs 10 über elektrische Anschlüsse innerhalb der IPE 34 des Kraftfahrzeugs 10 versorgen kann. In einigen Fällen ist das OBCM 36 also eine bidirektionale Vorrichtung zum Laden und Entladen der Batterie 38.
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In vielen Fällen wird die Batterie 38 am effizientesten geladen, wenn die Batterie 38 auf eine vorbestimmte Solltemperatur aufgeheizt ist. In einem Aspekt beträgt die vorbestimmte Solltemperatur etwa 25° Celsius. Abhängig von der Bestückung und den thermischen Anforderungen der Komponenten des Wärmemanagementsystems 12 kann die vorbestimmte Solltemperatur der Batterie 38 jedoch variieren. In einem Beispiel kann zum Erreichen des Solltemperaturbereichs die Batterie 38 elektrisch über die vom OBCM 36 gelieferte elektrische Energie beheizt werden. Im Beispiel übersteuert der Controller 16 das OBCM 36 effektiv oder steuert das OBCM 36 in einer kalkuliert ineffizienten Weise an, um eine vorbestimmte Menge an elektrischer Energie in thermische Energie umzuwandeln, z.B. um die Temperatur der Batterie 38 zu erhöhen. In einem anderen Beispiel wird die Batterie 38 selbst auf eine kalkuliert ineffiziente Weise geladen. Das heißt, die Batterie 38 wird ineffizient geladen, so dass ein Teil der elektrischen Energie, die durch das OBCM 36 in die Batterie 38 getrieben wird, in thermische Energie umgewandelt wird, die dann in der Masse der Batterie 38 gespeichert wird, während die Batterie 38 geladen wird. In einem weiteren Beispiel wird thermische Energie von anderen Wärmequellen innerhalb und außerhalb des Kühlmittelkreislaufs 24 über das vom Kühlmittelkreislauf 24 getragene Kühlmittel 28 zur Batterie 38 geleitet. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Kühlmittelkreislauf 24 eine Kühlmittelheizung 30. Die Kühlmittelheizung 30 ist eine elektrisch betriebene Heizung, die dem Kühlmittelstrom 28 thermische Energie hinzufügt und dadurch hilft, die Batterie 38 auf eine optimale Ladetemperatur zu bringen. In einigen Beispielen wird, nachdem die Batterie 38 ausreichend elektrisch und reichend mit thermischer Energie geladen wurde, die Temperatur der Batterie 38 durch das OBCM 36 geregelt.
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Die Batterie 38 ist elektrisch mit einem Motor 40 gekoppelt. Der Motor 40 ist so konfiguriert, dass er selektiv ein Antriebsmoment an die Fahrzeugräder liefert, z.B. über ein Getriebe. Bei der Bereitstellung des Antriebsmoments wird die in der Batterie 38 gespeicherte Energie dem Elektromotor 40 zugeführt und in ein Antriebsmoment umgewandelt. In einigen Ausführungsformen von Kraftfahrzeugen 10 mit regenerativen Bremssystemen wird der Elektromotor 40 auch als elektrischer Generator verwendet. Unter Umständen, wenn der Controller 16 und das OBCM 36 feststellen, dass die Batterie 38 voll geladen ist oder eine zusätzliche Heizung anderweitig gewünscht wird, kann die vom Elektromotor 40 erzeugte Elektrizität in thermische Energie umgewandelt und in der Masse der Batterie 38 oder anderer Komponenten des Wärmemanagementsystems 12 gespeichert werden.
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Der Kühlmittelkreislauf 24 leitet das Kühlmittel 28 zusätzlich durch einen Kältekompressor 50, der im zweiten der unterschiedlichen Thermofluidkreisläufe 14, insbesondere einem Kältemittelkreislauf 52, angeordnet ist. Der Kältekompressor 50 ist ein Wärmetauscher, der ein Mittel für die Übertragung der thermischen Energie zwischen dem Kühlmittelkreislauf 24 und dem Kältemittelkreislauf 52 bereitstellt. Der Kältekompressor 50 umfasst mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Durchgänge. Das heißt, auf einer ersten Seite des Kältekompressors 50 führt ein Kühlmitteldurchgang (nicht dargestellt) Kühlmittel 28 durch den Kältekompressor 50 als Teil des Kühlmittelkreislaufs 24. Auf einer zweiten Seite des Kältekompressors 50 führt ein Kältemitteldurchgang (nicht dargestellt) ein Kältemittel 74 durch den Kältekompressor 50 als Teil des Kältemittelkreislaufs 52. Es sollte jedoch verstanden werden, dass trotz der Tatsache, dass der Kältekompressor 50 sowohl einen Teil des Kühlmittelkreislaufs 24 als auch des Kältemittelkreislaufs 52 enthält, keine Flüssigkeitsschnittstelle zwischen Kühlmittel 28 und Kältemittel 74 innerhalb des Kältekompressors 50 vorhanden ist und somit eine Vermischung der Kühlmittel 28 und Kältemittel 74 verhindert wird.
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Der Kältemittelkreislauf 52 umfasst eine Vielzahl von Kältemittelleitungen 76, die eine Vielzahl von Vorrichtungen zur thermischen Regulierung eines Fahrgastraums (nicht speziell dargestellt) im Kraftfahrzeug 10 fluidisch verbinden. Der Fahrgastraum kann thermisch von anderen wärmeerzeugenden Fahrzeugkomponenten isoliert sein und kann über eine oder mehrere Entlüftungen oder andere Leitungen (nicht speziell dargestellt) des HVAC-Systems 78 mit thermischer Energie versorgt werden. Der Kältemittelkreislauf 52 transportiert auch thermische Energie zum und vom Kühlmittelkreislauf 24 über den Kältekompressor 50. Der Kältemittelkreislauf 52 umfasst eine Vielzahl von Bedienerkomfortsystemen, wie z.B. ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs (HVAC)-System 78. Grundsätzlich hat der Kältemittelkreislauf 52 eine Heizfunktion und eine Kühlfunktion. Innerhalb des Kältemittelkreislaufs 52 versorgt das HVAC-System 78 einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs 10 mit erwärmter und/oder gekühlter Luft. Anders ausgedrückt: Das HVAC-System 78 transportiert thermische Energie von einem kühleren Ort zu einem wärmeren Ort innerhalb des Kältemittelkreislaufs 52. In mehreren Aspekten funktioniert das HVAC-System 78 als Wärmepumpe. Das heißt, das HVAC-System 78 ist ein Klimagerät, bei dem sowohl Heiz- als auch Kühlfunktionen möglich sind.
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In einer beispielhaften Betriebsart bestimmt der Bediener des Kraftfahrzeugs 10 eine gewünschte Fahrgastraumlufttemperatur und wählt einen Heizzyklus für das HVAC-System 78 aus. Das HVAC-System 78 enthält einen Kompressor 80. Das Kältemittel 74 gelangt über eine Kältemittelleitung 76, die sogenannte Saugleitung 82, in den Kompressor 80. Der Kompressor 80 verdichtet gasförmiges Kältemittel 74 und erhöht dadurch die Temperatur und den Druck des Kältemittels 74. Das nun unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Kältemittel 74 verlässt dann den Kompressor 80 über eine Kältemittelleitung 76, die als Druckleitung 84 bezeichnet wird, und fließt in einen Fahrgastraumverflüssiger 86. In einigen Aspekten ist der Fahrgastraumverflüssiger 86 eine Wärmeaustauschvorrichtung mit einer Vielzahl von Verflüssigerwindungen, durch die das Kältemittel 74 fließt. Die Spulen stehen in Kontakt mit der Fahrgastraumatmosphäre. Ein HVAC-Gebläse oder -Ventilator (nicht abgebildet) bläst Luft über den Fahrgastraumverflüssiger 86 und gibt dadurch thermische Energie aus dem Verflüssiger 86 an die Fahrgastraumatmosphäre ab. In einigen Aspekten umfasst der Kältemittelkreislauf 52 einen zweiten oder externen Verflüssiger 90. Der externe Verflüssiger 90 steht in Kontakt mit der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs 10 und gibt im eingeschalteten Zustand thermische Energie des Kältemittels 74 aus dem Kraftfahrzeug 10 an die Atmosphäre ab.
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Das HVAC-System 78 umfasst außerdem eine Vielzahl von Expansionsventilen 92. Abhängig von den Auslegungsparametern des HVAC-Systems 78 können die Expansionsventile 92 mechanische thermostatische Expansionsventile (TXV) (nicht speziell dargestellt) und/oder elektronische Expansionsventile (EXV) (nicht speziell dargestellt) sein. Die Expansionsrate des Kältemittels 74 kann mit EXVs direkter und präziser gesteuert werden als mit TXVs, jedoch ist es in manchen Fällen wünschenswert, TXVs aus Gründen der Kosten, Einfachheit usw. zu verwenden. Das kondensierte, unter Druck stehende und noch etwas warme Kältemittel 74 aus dem Fahrgastraumverflüssiger 86 und/oder externen Verflüssiger 90 wird durch ein Expansionsventil 92 geleitet. Da das Kältemittel 74 durch das Expansionsventil 92 druckentlastet wird, kühlt das Kältemittel 74 ab. Das Kältemittel 74 durchläuft dann einen Verdampfer 94. Der Verdampfer 94 ist ein Wärmetauscher, in dem eine Reihe von Kühlschlangen (nicht dargestellt) einen Strom von gekühltem Kältemittel 74 führen. Die Kühlschlangen tauschen thermische Energie mit der Fahrgastraumatmosphäre aus. Das HVAC-Gebläse oder -Ventilator bläst Luft über den Fahrgastraum-Verdampfer 94 und kühlt dadurch den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs 10. Das Kältemittel 74 wird, nachdem es den Verdampfer 94 durchlaufen hat, wieder durch den Kompressor 80 geleitet. Das Kältemittel 74 wird auch selektiv durch ein Expansionsventil 92 stromabwärts des Kältekompressors 50 geleitet, wo thermische Energie entweder aus dem Kühlmittelkreislauf 24 gewonnen oder an diesen abgegeben wird, abhängig von den relativen Temperaturen des Kühlmittels 28 und des Kältemittels 74 und den thermischen Anforderungen der Batterie 38 und anderer Komponenten des Wärmemanagementsystems 12.
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In einem Beispiel kann das HVAC-System 78 intermittierend oder kontinuierlich von den Insassen im Fahrgastraum oder von der Steuerung 16 betrieben werden, je nach optimalem Heiz- und/oder Kühlbedarf des Fahrgastraums oder optimalem Heiz- und/oder Kühlbedarf anderer Komponenten des Wärmemanagementsystems 12. In einem Beispiel arbeitet das HVAC-System 78 kontinuierlich als Wärmepumpe. Wie bereits erwähnt, leitet das HVAC-System 78 im Betrieb als Wärmepumpe das Kältemittel 74 durch den Fahrgastraumverflüssiger 86, wodurch die thermische Energie im Kältemittel 74 an den Fahrgastraum abgegeben wird und das Kältemittel 74 gekühlt wird. Während das Kältemittel 74 beim Durchgang durch den Fahrgastraumverflüssiger 86 und den externen Verflüssiger 90 thermische Energie abgibt, wird beim Durchgang des Kältemittels 74 durch den Kältekompressor 50 thermische Energie gewonnen. In ähnlicher Weise leitet der Controller 16 in einem zweiten Beispiel das Kältemittel 74 durch den externen Verflüssiger 90, wo das Kältemittel 74 gekühlt wird, indem es thermische Energie an die Atmosphäre abgibt, aber da das Kältemittel 74 auch durch den Kältekompressor 50 fließt, wird thermische Energie übertragen und gewonnen, wenn das Kältemittel 74 den Kältekompressor 50 durchläuft.
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Herkömmliche Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine können einen oder mehrere zusätzliche Fluidkreisläufe enthalten, z.B. einen Schmiermittelkreislauf für die Brennkraftmaschine. In der dargestellten Ausführungsform eines batterieelektrischen Fahrzeugs 10 ist jedoch keine Brennkraftmaschine vorgesehen, und daher sind keine solchen Kreisläufe vorhanden.
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Wärmemanagementsysteme nach dem Stand der Technik lehren die Einbeziehung eines passiven Kühlmechanismus in den Kühlmittelkreislauf 24. Solche Wärmemanagementsysteme würden z.B. einen Kühler zum Austausch von thermischer Energie zwischen dem Kühlmittel 28 und der Atmosphäre außerhalb des Kraftfahrzeugs 10 umfassen. Solche passiven Kühlmechanismen können zwar thermische Energie aus dem Kraftfahrzeug 10 ableiten, tragen aber auch zu Gewicht und Kosten des Wärmemanagementsystems bei.
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Wie zu sehen ist, verzichten die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung auf einen solchen passiven Kühlmechanismus. Vielmehr verwenden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie weiter unten mit Bezug auf 3 näher beschrieben wird, ein neuartiges Regelungsschema, um eine Kühlung mit hohem Leistungskoeffizienten (CoP) über den Kältemittelkreislauf ohne einen passiven Kühlmechanismus im Kühlmittelkreislauf zu erreichen.
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In 3 ist nun ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmemanagementsystems, z.B. des Wärmemanagementsystems 12, in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Allgemein ausgedrückt, steuert der Controller 16 die Funktionen des Kühlmittelkreislaufs 24 und des Kältemittelkreislaufs 52 über den Kältekompressor 50, um thermische Energie an Vorrichtungen innerhalb des Kraftfahrzeugs 10 zu übertragen, wo die thermische Energie benötigt wird.
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Das Wärmemanagementverfahren beginnt in Block 100, wo ein kontinuierlicher Regelkreis des Wärmemanagementsystems 12 eingeleitet wird.
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Das Verfahren geht weiter zu Block 102, wo der Controller 16 eine kritische Temperatur einer oder mehrerer Komponenten des Wärmemanagementsystems 12 berechnet. Solche Komponenten können die Batterie 38, der Motor 40, die IPE 34 und andere Komponenten im Wärmemanagementsystem 12 sein. Die kritische Antriebstemperatur bezieht sich auf eine Temperatur, bei der die gemessene Temperatur für eine bestimmte Komponente den optimalen Bereich für die Komponente überschreitet und sich einem Überhitzungszustand nähert. Die Berechnung der kritischen Temperatur kann auf einer Vielzahl von Faktoren basieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Temperaturanstiegsrate, Fahrzeuglasten, Kundenbetriebsarten und andere Faktoren. In einigen Ausführungsformen kann die kritische Temperatur so definiert werden, dass bei deren Überschreitung der Controller 16 so konfiguriert ist, dass die Kühlung Vorrang vor dem Energieverbrauch hat. Der Controller 16 ermittelt zusätzlich eine aktuelle Temperatur der einen oder mehreren Komponenten, z.B. über an diesen Komponenten angebrachte Thermosensoren oder andere geeignete Mittel.
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Das Verfahren geht weiter zu Operation 104, in der bestimmt wird, ob die aktuelle Temperatur einer oder mehrerer Komponenten des Wärmemanagementsystems 12 größer ist als die berechnete kritische Temperatur für diese Komponente.
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Wenn die Bestimmung von Operation 104 negativ ist, d.h. die aktuelle Temperatur die kritische Temperatur für keine Komponente des Wärmemanagementsystems 12 überschreitet, geht das Verfahren zu Operation 106 über, wo bestimmt wird, ob die Kriterien für einen Opportunitätskühlungsmodus erfüllt sind. Opportunitätskühlung bezieht sich auf einen Modus, bei dem die kritische Temperatur zwar derzeit nicht überschritten wird, aber ein zukünftiger Kühlbedarf absehbar ist und die Bedingungen für eine Kühlung vorhanden sind. Die Kriterien für den Opportunitätskühlungsmodus können Grenzwerte für die Umgebungstemperatur, den Luftstrom an der Vorderseite, die aktuellen Temperaturen verschiedener Komponenten des Wärmemanagementsystems 12, die geschätzte Temperatur basierend auf der Last sowie untere und obere Grenzen der gewünschten Betriebstemperaturen der verschiedenen Komponenten des Wärmemanagementsystems 12 umfassen
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Wenn die Bestimmung der Operation
106 negativ ist, d.h. die Kriterien für den Opportunitätskühlungsmodus nicht erfüllt sind, betreibt der Controller
16 das Wärmemanagementsystem
12 gemäß einem Standard-Thermobetriebsmodus, wie in Block
108 dargestellt. Ein Beispiel für einen solchen Standardbetrieb ist in der gemeinsam angemeldeten
US-Patentanmeldung S/N 16/100639 beschrieben.
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Das Verfahren kehrt dann zu Block 102 zurück, so dass das Verfahren eine Endlosschleife ist.
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Als Reaktion darauf, dass die Bestimmung von entweder Operation 104 oder 106 positiv ist, d.h. dass die aktuelle Temperatur die kritische Temperatur überschreitet oder dass Opportunitätskühlung verfügbar ist, fährt das Verfahren mit Operation 110 fort. In Operation 110 ermittelt der Controller 16, ob gerade eine Fahrgastraumwärmeänderung angefordert wird. Eine Fahrgastraumwärmeänderung bezieht sich auf eine Anforderung zum Heizen oder Kühlen eines Fahrgastraums. Als Reaktion auf die Bestimmung der Operation 110, die positiv ist, fährt das Verfahren wie oben beschrieben mit Block 108 fort.
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Wenn die Bestimmung von Operation 110 negativ ist, d.h. keine Änderung der Fahrgastraumwärme angefordert wird, fährt das Verfahren mit Operation 112 fort. Bei Operation 112 bestimmt der Controller, ob eine Differenz zwischen einer Temperatur des Kühlmittels 28 am Einlass des Kältekompressors 50 und einer Umgebungstemperatur in der Nähe des Fahrzeugs 10 einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Der vordefinierte Schwellenwert bezieht sich auf einen positiven Wert ungleich Null, der mit Hilfe einer Kostenfunktion auf der Grundlage des Luftstroms am vorderen Ende des Fahrzeugs definiert wird und so berechnet wird, dass eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel 28 und der Umgebungsluft in der Nähe des Fahrzeugs 10 gewährleistet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Schwellenwert im Bereich von 7° bis 10° C festgelegt werden.
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Wenn die Bestimmung von Operation 112 negativ ist, fährt das Verfahren wie oben beschrieben mit Block 108 fort.
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Als Reaktion darauf, dass die Bestimmung der Operation 112 positiv ist, d.h. dass die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels 28 am Einlass des Kältekompressors 50 und der Umgebungstemperatur mindestens gleich dem vordefinierten Schwellenwert ist, wird der Kältemittelkreislauf gemäß einem Modus mit erhöhtem CoP gesteuert, wie in Block 114 dargestellt. Der Modus mit erhöhtem CoP wird in 3b näher beschrieben. Die Steuerung kehrt dann zu Block 102 zurück.
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Wie in 3b gezeigt, wird im Modus mit erhöhtem CoP der vordere Luftstrom zum externen Verflüssiger 90 so gesteuert, dass er sich erhöht, wie in Block 114a dargestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform wird dies durch die Steuerung eines Blendensystems durchgeführt, das sich öffnet und den Luftstrom zum externen Verflüssiger 90 erhöht. Das Blendensystem kann vollständig geöffnet werden, um den passiven Luftstrom zum externen Verflüssiger 90 zu maximieren. In einigen Ausführungsformen kann auch ein mit dem externen Verflüssiger 90 verbundener Frontlüfter aktiviert werden, um den Luftstrom durch aktive Mittel weiter zu erhöhen. In solchen Ausführungsformen können die Lüfter auf eine niedrige Leistungseinstellung geregelt werden, um den Stromverbrauch zu minimieren.
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Der Controller 16 steuert den Kompressor 80 anschließend mit einer reduzierten Leistungseinstellung, wie in Block 114b dargestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform wird bei der reduzierten Leistungseinstellung das Kältemittel 74 in einem unterkritischen Zustand gehalten, d.h. es findet während der Verdichtung kein Phasenübergang von Flüssigkeit zu Gas statt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die reduzierte Leistung eine minimale Betriebsleistung des Kompressors 80 sein, d.h. die niedrigste Leistung, die nicht Null ist, bei der der Kompressor 80 für den Betrieb konfiguriert ist.
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Dann wird das elektronische Expansionsventil (EXV) für den Kältekompressor 50 eingeschaltet, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel 28 und dem Kältemittel 74 zu ermöglichen, wie in Block 114c dargestellt.
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Ein optimiertes Überhitzungssoll für das EXV wird dann berechnet und aktualisiert, wie in Block 114d dargestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Überhitzungssoll auf der Grundlage eines gewünschten Wärmeübergangs zwischen dem Kühlmittel 28 und dem Kältemittel 28 berechnet, z.B. unter Verwendung einer Kostenfunktion zur Bestimmung einer Wärmeübertragungsrate zur Maximierung des CoP. Der Controller kann daraufhin das EXV ansteuern und das Ventilsoll auf diesen berechneten Überhitzungssollwert einstellen.
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Das beispielhafte Managementsystem 12 für thermische Energie kann vorteilhaft thermische Energie zwischen den beiden Thermofluidkreisläufen übertragen, wie oben erwähnt. Auf diese Weise kann überschüssige thermische Energie von Wärmequellen wie der Fahrzeugbatterie 38 oder anderer Elektronik über den Kältemittelkreislauf 52 mit relativ geringem Energieaufwand an die Atmosphäre abgegeben werden. Bei bisherigen Ansätzen für Fahrzeugheizungen wäre es dagegen notwendig, einen separaten Radiator innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 24 vorzusehen. Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung haben dadurch im Vergleich zu bekannten Lösungen eine geringere Komplexität, geringere Kosten, eine geringere Masse (und damit eine größere Reichweite) sowie geringere Geräusche und Vibrationen.
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Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu weiteren beispielhaften Aspekten der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder abgebildet sind. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften beschrieben werden könnten, erkennen Fachleute, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtsystemeigenschaften zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können u. a. Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Somit sind Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale beschrieben werden, nicht außerhalb des Anwendungsbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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