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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Hochvoltbatterie in elektrifizierten Kraftfahrzeugen, die Maßnahmen gegen eine übermäßige Alterung ergreift.
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Eine derartige Schutzvorrichtung ist beispielsweise in der älteren, nicht vorveröffentlichten
DE 10 2021 127 371 der Anmelderin beschrieben.
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In elektrifizierten Kraftfahrzeugen (z.B. Hybridfahrzeugen oder reinen Elektrofahrzeugen) kommen überwiegend Lithium-Ionen-Batterien als Traktionsakkumulatoren zum Einsatz, welche einer physikalisch bedingten Alterung unterliegen. Man unterscheidet zwischen kalendarischer und zyklischer Alterung, wobei die kalendarische Alterung beispielsweise umso stärker ist, je höher der Lagerungs-Ladezustand und die Temperatur des Traktionsakkumulators ist.
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Traktionsakkumulatoren als elektrische Energiequelle zum Antrieb von elektrifizierten Kraftfahrzeugen werden üblicherweise häufig auch als Hochvoltbatterie oder Hochvoltspeicher bezeichnet.
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Üblicherweise werden Hochvoltspeicher möglichst vollgeladen, sofern ein Ladekabel angesteckt ist und der Fahrzeugnutzer als Ladeziel einen Ladezustand von 100% eingestellt hat. Das Vollladen wird nach dem Stand der Technik in der Regel ohne intelligente Prädiktion der zu erwartenden Wieder-Inbetriebnahme des Fahrzeugs vorgenommen, außer wenn eine manuelle Eingabevorrichtung die Programmierung der konkreten Wieder-Inbetriebnahme-Zeit durch den Nutzer ermöglicht. Bleibt ein Elektrofahrzeug für längere Zeit angesteckt und wird nicht bewegt, so altert die Batterie unnötigerweise stark, insbesondere beispielsweise bei mehrwöchiger Abwesenheit (Urlaub, Dienstreise usw.). Dies ist nur ein Beispiel für ein Nutzerverhalten, das sich auf die Alterung einer Hochvoltbatterie auswirkt.
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Grundsätzlich ist es beispielsweise auch bereits allgemein bekannt, dass die Batterie deutlich geringer bei einem Ladezustand von maximal etwa 80% altert.
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Ein mögliches Verfahren zum Ermitteln eines Alterungs-Zustands einer Lithiumlonen-Batterie basierend auf Alterungskenngrößen ist beispielsweise aus der
DE 10 2019 125 375 A1 bekannt. Dieses Verfahren umfasst das Erfassen eines historischen Belastungsprofils der Batterie und das darauf basierte Bestimmen eines antizipierten Belastungsprofils, woraus ein zukünftiger Alterungswert vorhergesagt wird. Es können mehrere Alterungswerte basierend auf unterschiedlichen antizipierten Belastungsprofilen ermittelt werden. Wie dieses Verfahren zur Reduzierung der Alterung eingesetzt werden soll, bleibt offen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Alterung einer Batterie auf einfache und zuverlässige Weise weiter zu reduzieren, um aus Gründen erhöhter Nachhaltigkeit und reduzierter Kosten einen frühen Batterietausch zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine Hochvoltbatterie in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug ist mit einem Display und mit einer elektronischen Steuereinheit ausgestattet, die derart ausgestaltet ist, dass sie auf Basis definierter Parameter einen ersten prognostizierten Alterungszustand der Hochvoltbatterie sowie einen zweiten prognostizierten Alterungszustand der Hochvoltbatterie ermittelt und in Form von zwei getrennten Anzeigen auf dem Display ausgibt. Der erste prognostizierte Alterungszustand wird auf Basis des vergangenen Nutzungsverhaltens ermittelt. Der zweite prognostizierte Alterungszustand wird auf Basis der Annahme ermittelt, dass zukünftig mindestens einer vorgegebenen Nutzungsempfehlung (vorzugsweise allen vorgegebenen Nutzungsempfehlungen) gefolgt wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist gleichzeitig mit der Anzeige des zweiten prognostizierten Alterungszustands die mindestens eine Nutzungsempfehlung auf dem Display anzeigbar. Die mindestens eine Nutzungsempfehlung kann eine jeweils zeit- oder ereignisgesteuert ausgewählte Empfehlung aus einer Vielzahl von definierten und in der Steuereinheit abgespeicherten Nutzungsempfehlungen sein.
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Weiterhin ist die Ermittlung der beiden prognostizierten Alterungszustände auf eine definierte Zeitdauer bezogen, beispielsweise auf die gesamte angenommene Fahrzeugs-Lebensdauer (z. B. eine bestimmte Anzahl von Jahren) oder auf den Gewährleistungszeitraum der Hochvoltbatterie oder auf einen vom Nutzer auswählbaren Zeithorizont oder auf ein eingebbares Datum bezogen.
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Die Anzeige des zweiten prognostizierten Alterungszustands ist bevorzugt nach einer Ereignisregel während der Fahrt oder im Stillstand im Zusammenhang mit einer bestimmten aktuell auszugebenden Nutzungsempfehlung auf dem Display anzeigbar, die von der Steuereinheit zeit- oder ereignisgesteuert ausgewählt wird. Ein Ereignis kann z. B. ein angenommener kurz bevorstehender Start eines Ladevorgangs in Verbindung mit dem bisherigen Verhalten des Nutzers, stets vollzuladen, sein. Wird von der Steuereinheit das Vorliegen dieses beispielhaften Ereignisses erkannt, wird erfindungsgemäß erstens die Anzeige des zweiten prognostizierten Alterungszustands aktiviert und vorzugsweise zweitens gleichzeitig die diesbezüglich wirksamste Nutzungsempfehlung ausgegeben, nämlich die Empfehlung, den Ziel-Ladezustand auf 80 % einzustellen.
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Die mindestens eine (jeweils ereignisabhängig wirksamste) Nutzungsempfehlung wird dem Fahrzeug-Nutzer zu dessen Entlastung nur angezeigt, wenn deren Befolgung zu einer verbesserten Prognose führt. Somit werden nur Nutzungsempfehlungen ausgegeben, welche im bisherigen Nutzungsverhalten noch nicht oder zu wenig berücksichtigt wurden.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
- Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Hochvoltbatterie in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug, insbesondere eine Schutzvorrichtung zur Verringerung einer Hochvoltspeicher-Alterung mit Alterungs-Prädiktion. Der Alterungszustand wird auch als „Gesundheitszustand“ (kurz „SOH“ für „state of health") bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird eine separate SOH-Prognose erstellt, die zukünftig batterieschonenderes Verhalten miteinkalkuliert. Erfindungsgemäß werden dem Nutzer des Fahrzeugs vorzugsweise sowohl Ratschläge (Nutzungsempfehlungen) für ein verbessertes Verhalten zur Verfügung gestellt als auch eine Anzeige der SOH-Prognose auf einem Nutzer-Display ausgegeben, die von der Befolgung dieser Ratschläge ausgeht. Dabei wird die Anzeige einer ersten SOH-Prognose, die vom Beibehalten des bisherigen Verhaltes ausgeht, der zweiten SOH-Prognose, die von einem verbesserten Verhalten gemäß den Ratschlägen ausgeht, gegenübergestellt.
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Es sind beispielsweise unterschiedliche Bereiche einer Skala farblich voneinander abgegrenzt, um das Ausmaß der Alterung anzuzeigen.
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Bisher wird dem Fahrzeug-Nutzer der Alterungszustand bzw. der Gesundheitszustand (State-of-Health SOH) eines Traktionsakkumulators bzw. eines Hochvoltspeichers in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug in der Regel noch nicht unmittelbar angezeigt. In Zukunft kann dies jedoch gesetzlich vorgegeben werden.
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Zwar altern Traktionsakkumulatoren bzw. Hochvoltspeicher in Form von Lithiumlonen-Batterien physikalisch bedingt, jedoch kann der Fahrzeugnutzer mit seinem Nutzungsverhalten Einfluss auf das Ausmaß der Alterung nehmen. Diese Alterung kann nicht eliminiert werden, jedoch durch das Nutzer-Verhalten verringert werden.
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Stand der Technik ist, dass Nutzern von Elektrofahrzeugen grundsätzliche Möglichkeiten zur Verfügung stehen, um bestimmte Maßnahmen oder Einstellungen vorzunehmen. Zu diesen Möglichkeiten zählen u. a.:
- - Frei zugängliche Informationen zur Batterie-Alterung. (z. B. Elektroauto nicht in der Sonne parken)
- - Einstellmöglichkeiten im Fahrzeug. (z. B. Ladziel-Einstellung < 80%)
- - Anzeige im Fahrzeug bei Gefahr einer Tiefentladung
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Nachteile des Standes der Technik sind folgende:
- - Der Nutzer erhält nur grundsätzliche Informationen zur empfohlenen Nutzung. Eine zukünftige Prädiktion der HVS-Alterung und damit die hohe Wirksamkeit der empfohlenen Maßnahmen auf Basis der historischen Nutzung ist nicht vorhanden.
- - Der Nutzer erhält kein Feedback über sein bisheriges Nutzungsverhalten Somit kann keine sinnvolle Anpassung des Nutzer-Verhaltens zur Minimierung der HVS-Alterung erfolgen.
- - Die Batterie muss gegebenenfalls früher ersetzt werden, was den positiven Umweltschutz-Effekt (Nachhaltigkeit) von Elektrofahrzeugen verringert.
- - Der tendenziell frühere Batterietausch führt zu erhöhten Kosten.
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Die Erfindung umfasst folgendes grundlegendes Prinzip:
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Alterungszustand bzw.
- Gesundheitszustand (SOH) eines Hochvoltspeichers (HVS) in mindestens zwei getrennten Anzeigen (erste „SOH-Prognose-alt“ und zweite „SOH-Prognose-neu“) darzustellen. Auch kann eine dritte Anzeige vorgesehen sein, die jeweils den aktuellen Alterungszustand („SOH-Historie“) wiedergibt.
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Durch die Erfindung erhält der Fahrzeug-Nutzer die Möglichkeit, abhängig von konkreten, definierten und vorzugsweise interaktiven Nutzungsempfehlungen sein bisheriges Lade- und Fahrverhalten zu reflektieren und für die Zukunft gegebenenfalls zu verbessern.
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Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
- - Der Fahrzeug-Nutzer kann sein bisheriges Nutzungsverhalten reflektieren und sein zukünftiges Nutzungsverhalten an die Nutzungsempfehlungen anpassen.
- - Die Batterie altert nicht so stark und muss nicht so schnell ersetzt werden (Produktlanglebigkeit).
- - Dies begünstigt eine nachhaltige und ressourcenschonende Nutzung und vermeidet Reparaturkosten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für SOH-Anzeigen basierend auf der Historie und basierend auf einer Prognose abhängig von zukünftigen Verhaltensweisen und
- 2 eine schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung.
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Im Folgenden wird eine Anzeige zur Darstellung eines Alterungszustandes bzw. eines Gesundheitszustandes kurz als SOH-Anzeige bezeichnet.
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Anhand von 1 wird ein Ausführungsbeispiel für drei SOH-Anzeigen beschrieben, nämlich die Anzeige eines historisch bedingten Alterungszustandes „SOH-Historie“ zum aktuellen Zeitpunkt t1, eine erste prognostizierende Anzeige „SOH-Prognose-alt“ und eine zweite prognostizierende Anzeige „SOH-Prognose-neu“. Die zweite prognostizierende Anzeige „SOH-Prognose-neu“ ist jeweils abhängig von der zukünftigen Befolgung (hier z. B. aller) empfohlener Nutzungsempfehlungen 4 (2) zu batterieschonenden Nutzerverhaltensweisen. Mit der ersten prognostizierenden Anzeige „SOH-Prognose-alt“ wird die SOH-Prognose ohne Befolgung von Nutzungsempfehlungen bei Beibehaltung des bisherigem Nutzungsverhaltens der verbesserten SOH-Prognose unter Beachtung mindestens einer und bevorzugt aller Nutzungsempfehlungen gegenübergestellt. Vorzugsweise sind die Nutzungsempfehlung(en) bedarfsweise automatisch an das aktuelle Nutzerverhalten wie oben beschrieben zeit- oder ereignisgesteuert auswählbar und ausgebbar.
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Die Ansteuerung der SOH-Anzeigen auf einem Display 2 eines elektrifizierten Fahrzeugs 1 erfolgt durch entsprechende Ausgestaltung (insbesondere Programmierung) einer elektronischen Steuereinheit 3 (siehe 2).
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Die SOH-Anzeigen sind beispielsweise - wie hier in 1 dargestellt - mittels eines digitalen Zeigers auf einer hier runden Skala ausführbar. Möglich wäre auch eine balkenförmige Skala.
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Die beiden SOH-Prognose-Anzeigen „SOH-Prognose-alt“ und „SOH-Prognose-neu“ beziehen sich jeweils vorzugsweise auf eine definierte Zeitdauer te, z.B. das Ende einer angenommenen Laufzeit (z.B. 8 Jahre).
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Die Anzeige „SOH-Prognose-neu“ wird auf Basis eines möglichen zukünftigen verbesserten Nutzungsverhaltens (Laden/Fahren) ab einem aktuellen Zeitpunkt t1 aktiviert.
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Zumindest diese zweite SOH-Prognose-Anzeige „SOH-Prognose-neu“ kann gemäß einer in der Steuereinheit 3 abgelegten Zeit- oder Ereignisregel aktiviert werden. Eine Ereignisregel wäre beispielsweise das Erkennen einer gerade hilfreichen Nutzungsempfehlung 4 (2).
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Vorzugsweise wird gleichzeitig mit der zweiten Anzeige „SOH-Prognose-neu“ mindestens eine alterungsreduzierende Nutzungsempfehlung 4, z.B. die bisher am wenigsten in der Historie beachtete oder wirksamste, vorgeschlagen.
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Alle angezeigten SOH-Zustände können z.B. jeweils mit Hilfe von drei (z.B. grün ⇒ gelb => rot) bis fünf Skala-Bereichen mit verschiedenen Farben (z.B. hier von links nach rechts: fünf Graustufen oder grün => gelb => orange => hellrot => dunkelrot) angezeigt werden.
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Beispielhafte Klassifizierung bei einem Skala-Beispiel mit drei Skala-Bereichen:
- Grün: Der Nutzer beachtete die Nutzungs-Empfehlungen und der HV-Speicher ist nur gering gealtert und besser als der Durchschnitt. Beispielsweise wird/wurde das Auto regelmäßig nur bis 80% Ladezustand aufgeladen, nur selten Schnellladen genutzt, bei moderaten Außentemperaturen geparkt und mittleren Fahrgeschwindigkeiten gleichmäßig mit geringem Verbrauch bewegt.
- Gelb: Der Nutzer beachtete die Nutzungs-Empfehlungen sporadisch und der HV-Speicher ist etwas gealtert und liegt im Durchschnitt. Beispielsweise wird/wurde das Auto öfter bis 100 % Ladezustand aufgeladen, öfter Schnellladen genutzt, teils bei höheren Außentemperaturen geparkt und öfter bei hohen Fahrgeschwindigkeiten sportlich bewegt.
- Rot: Der Nutzer beachtete die Nutzungs-Empfehlungen selten und der HV-Speicher ist stärker gealtert und liegt unter dem Durchschnitt. Beispielsweise wird/wurde das Auto fast immer bis 100 % Ladezustand aufgeladen, fast immer Schnellladen genutzt, oft bei höheren Außentemperaturen geparkt und oft bei sehr hohen Fahrgeschwindigkeiten sehr sportlich bewegt.
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Die Anzeige des zweiten prognostizierten Alterungszustands SOH-Prognose-neu wird also unter der Prämisse, dass die Nutzungsempfehlungen (Laden/Fahren) zukünftig berücksichtigt werden, ausgegeben.
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Die Anzeige des zweiten prognostizierten Alterungszustands SOH-Prognose-neu kann wie die erste SOH-Anzeige, also z.B. mittels der oben genannten Skala, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann sie in einem Diagramm entsprechend oder ähnlich dem in 1 dargestellten Diagramm D angezeigt werden.
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Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung kann im Hinblick auf die Anzeigen der SOH-Prognosen in Form eines Diagramms vorzugsweise folgende Optionen, auswählbar über ein Menü im Display (z.B. vorzugsweise als Ein- und Ausgabeeinheit ausgestaltet), wahlweise oder insgesamt anbieten und ausführen:
- a. Anzeige der SOH-Prognose-alt auf Basis des gesamten bisherigen historischen Nutzungsverhaltens (Laden/Fahren) über die gesamte definierte Zeitdauer te hochgerechnet.
- b. Anzeige der SOH-Prognose auf Basis des bisherigen historischen Nutzungsverhaltens (Laden/Fahren) über eine definierte kürzere Zeit als die gesamte definierte Zeitdauer te (z. B. die letzten 1000 km oder 3 Wochen oder 15 Ladevorgänge).
- c. Anzeige der SOH-Prognose-neu auf Basis der Annahme, dass der Nutzer bzw. Fahrer die ausgegebene(n) Nutzungsempfehlung(en) (z. B. „Ladeziel max. 80%“ und „weniger DC-Laden“) in Zukunft dauerhaft befolgt.
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Weitere mögliche zumindest sinngemäß vorgebbare und auch einzeln auswählbare Nutzungsempfehlungen 4 werden im Folgenden in Tabelle 1 beispielhaft aufgelistet, die bedarfsweise zeit- oder ereignisgesteuert automatisch abhängig von den definierten Parametern zur Ermittlung des Alterungszustandes SOH zusammen mit der SOH-Anzeige „SOH-Prognose-neu“ des zweiten prognostizierten Alterungszustand der Hochvoltbatterie ausgebbar sind: Tabelle 1:
| (1) | Bei Langstreckenfahrten erhöhen Pausen (z.B. ab ca. 15 Minuten) die Lebensdauer des Hochvoltspeichers |
| (2) | Die Vermeidung hoher Fahr- und Lade-Leistungen insbesondere kurz nach dem Fahr- und Lade-Start und bei niedrigen Umgebungstemperaturen verlängert die Lebensdauer des Hochvoltspeichers. |
| (3) | Eine gleichmäßige Fahrweise, z.B. mit dem Tempomat, mit geringer Fahrdynamik schont die Lebensdauer des Hochvoltspeichers. |
| (4) | Ein rechtzeitiges Laden vor Erreichen von Ladezuständen kleiner 10 % sowie kleine Ladehübe vergrößern die Lebensdauer des Hochvoltspeichers. |
| (5) | Bei Ladezuständen größer 50 % und ausreichender Restreichweite für die nächste Fahrt ist es empfehlenswert, den Speicher erst nach dieser Fahrt zu laden. |
| (6) | Ein seltenes Vollladen begünstigt die Lebensdauer des Hochvoltspeichers. Ein sinnvolles Ladeziel zur Abdeckung typischer Fahrstrecken liegt bei etwa 80 %. |
| (7) | Der optimale Ladezustand bei längeren Standzeiten eines Elektrofahrzeugs, z.B. aufgrund eines Urlaubs, liegt zwischen 30 % und 50 %. |
| (8) | Die optimale Temperatur zum Parken eines Elektrofahrzeugs liegt etwa zwischen 10 und 15 °C. Ein Vermeiden hoher Temperaturen, z.B. aufgrund direkter Sonneneinstrahlung, verbessert die Lebensdauer. |
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Definierte Parameter P zur Ermittlung des Alterungszustandes sind beispielsweise die Anzahl von Volladevorgängen, die Fahrpedalbetätigung, die übliche Außentemperatur in geparktem Zustand, die Pause-Zeiten bei Langstreckenfahrten, die Anzahl des Schnelllade-Vorgänge und/oder die Leistungsanforderung durch den Fahrerwunsch.
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Somit kann der Fahrer je nach Bedarf selbst entscheiden, wie er das Auto in Zukunft fährt.
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Die erfindungsgemäße „Ausgestaltung“ der elektronischen Steuereinheit wird vorzugsweise durch ein entsprechend programmiertes Funktionsmodul in Form eines Computerprogrammprodukts (Software-Modul) realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021127371 [0002]
- DE 102019125375 A1 [0007]
