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Stand der Technik
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In der
DE 10 2015 013 296 A1 ist bereits eine Temperierungsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Temperierkreislauf zu einer Temperierung eines Energiespeichers des Elektrofahrzeugs vorgeschlagen worden, wobei der Temperierkreislauf zumindest einen Wärmeübertrager zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Temperierkreislauf und einer Umgebungsluft des Temperierkreislaufs aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Temperierungsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Temperierkreislauf zu einer Temperierung eines Energiespeichers des Elektrofahrzeugs, wobei der Temperierkreislauf zumindest einen Wärmeübertrager zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Temperierkreislauf und einer Umgebungsluft des Temperierkreislaufs aufweist.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine Luftvortemperierungseinheit, welche in einem Einzugsbereich der Umgebungsluft angeordnet ist, zu einer Vortemperierung der Umgebungsluft vor dem Wärmeaustausch mittels des Wärmeübertragers vorgesehen ist. Der Energiespeicher ist vorzugsweise als elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Bevorzugt ist der Energiespeicher als Akkumulator ausgebildet, insbesondere mit einer elektrischen Spannung von mehr als 40 V, bevorzugt mehr als 100 V, besonders bevorzugt mehr als 200 V, in einem geladenen Zustand des Energiespeichers. Der Energiespeicher weist insbesondere eine Kapazität von mehr als 10 kWh, bevorzugt von mehr als 20 kWh, besonders bevorzugt von mehr als 35 kWh auf. Der Energiespeicher ist insbesondere dazu vorgesehen, zumindest einen Elektromotor und/oder einen Hybridantrieb des Elektrofahrzeugs zu einem Antrieb des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Der Energiespeicher kann insbesondere als Antriebsakkumulator oder als Reichweitenverlängerer ausgebildet sein. Der Temperierkreislauf ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Temperatur des Energiespeicher unterhalb einer zulässigen Maximaltemperatur und vorzugsweise oberhalb einer zulässigen Minimaltemperatur zu halten. Insbesondere ist die Temperierungsvorrichtung dazu vorgesehen, den Energiespeicher während eines Ladevorgangs, insbesondere eines Schnellladevorgangs, des Energiespeichers unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur des Energiespeichers zu halten. Unter einem „Schnellladevorgang“ soll insbesondere ein Ladevorgang mit einer elektrischen Leistung von mehr als 20 kW, bevorzugt mehr als 50 kW, besonders bevorzugt mehr als 100 kW verstanden werden. Der Energiespeicher ist insbesondere an einem Energiespeicherwärmeübertrager des Temperierkreislaufs angeordnet. Beispielsweise ist der Energiespeicher auf einer Wärmeübertragerplatte des Energiespeicherwärmeübertragers fixiert oder der Energiespeicherwärmeübertrager ist in ein Gehäuse des Energiespeichers integriert. Insbesondere umfasst der Temperierkreislauf ein Kühlmittel und/oder ein Kältemittel zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeübertrager und dem Energiespeicherwärmeübertrager, insbesondere zu einem Kühlen des Energiespeichers. Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf zumindest ein elektrisches Heizelement zu einer Wärmeübertragung von dem Heizelement zu dem Energiespeicherwärmeübertrager, insbesondere zu einem Aufheizen des Energiespeichers. Das elektrische Heizelement ist vorzugsweise als Widerstandsheizer ausgebildet, insbesondere als Hochvoltwiderstandsheizer, oder alternativ als Wärmepumpe, als Heizstrahler oder dergleichen.
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Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf einen Primärkreislauf. Insbesondere ist der Energiespeicherwärmeübertrager fluidtechnisch in den Primärkreislauf eingebunden. Das elektrische Heizelement ist bevorzugt in dem Primärkreislauf fluidtechnisch eingebunden. Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf einen Sekundärkreislauf. Der Primärkreislauf und der Sekundärkreislauf sind vorzugsweise fluidtechnisch voneinander getrennt ausgebildet. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager in dem Sekundärkreislauf fluidtechnisch eingebunden. Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf zumindest einen Austauschwärmeübertrager zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Primärkreislauf und dem Sekundärkreislauf. Alternativ ist der Wärmeübertrager fluidtechnisch in den Primärkreislauf eingebunden. Der Wärmeübertrager kann als Niedertemperaturkühler für das Kühlmittel des Temperierkreislaufs oder als Verflüssiger für das Kältemittel des Temperierkreislaufs ausgebildet sein. Bei einer Anordnung des Wärmeübertragers in dem Sekundärkreislauf umfasst der Primärkreislauf optional einen zusätzlichen Wärmeübertrager zu einem Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft. Vorzugsweise umfasst das Elektrofahrzeug zumindest einen Ventilator zu einem Fördern der Umgebungsluft zu dem Wärmeübertrager und optional dem zusätzlichen Wärmeübertrager. Vorzugsweise sind der Wärmeübertrager, der zusätzliche Wärmeübertrager und der Ventilator bezogen auf eine Hauptförderrichtung des Ventilators hintereinander angeordnet, insbesondere bezogen auf einen Luftstrom der Umgebungsluft in Reihe angeordnet. Bevorzugt ist der Ventilator zu einem Ansaugen der Umgebungsluft durch den Wärmeübertrager und optional den zusätzlichen Wärmeübertrager hindurch angeordnet. Der durch den Ventilator erzeugte Einzugsbereich der Umgebungsluft kann offen ausgebildet sein oder durch einen Luftzufuhrkanal des Elektrofahrzeugs begrenzt sein.
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Die Luftvortemperierungseinheit ist bezogen auf die Hauptförderrichtung des Ventilators vorzugsweise vor dem Wärmeübertrager angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Wärmeübertrager zwischen der Luftvortemperierungseinheit und dem Ventilator angeordnet. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit dazu vorgesehen, die Umgebungsluft zu temperieren, bevor die Umgebungsluft den Wärmeübertrager erreicht. Vorzugsweise umfasst die Luftvortemperierungseinheit zumindest einen Kühler, zu einem Kühlen der Umgebungsluft. Der Kühler ist beispielweise als Verdunstungskühler, als Wärmepumpe, als Peltierelement oder dergleichen ausgebildet. Optional umfasst die Luftvortemperierungseinheit einen elektrischen Luftheizer, um die Umgebungsluft zu erwärmen, bevor die Umgebungsluft den Wärmeübertrager erreicht, beispielsweise zu einem Enteisen des Wärmeübertragers.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Temperierungsvorrichtung kann der Temperierkreislauf vorteilhaft effektiv betrieben werden. Insbesondere kann eine Temperatur und/oder ein Druck des Kältemittels oder des Kühlmittels in dem Wärmeübertrager vorteilhaft niedrig gehalten werden. Insbesondere kann ein Kühlen des Energiespeichers vorteilhaft effektiv durchgeführt werden. Insbesondere kann ein Risiko einer vorzeitigen, temperaturbedingten Alterung des Energiespeichers vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann der Energiespeicher mit einer vorteilhaft hohen elektrischen Leistung geladen werden. Insbesondere kann ein Ladevorgang des Energiespeichers vorteilhaft kurz gehalten werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Luftvortemperierungseinheit einen Verdunstungskühler umfasst, der dazu vorgesehen ist, die Umgebungsluft mit Wasser zu versetzen. Insbesondere ist der Verdunstungskühler zu einem Abkühlen der Umgebungsluft durch einen Phasenübergang des in die Umgebungsluft eingebrachten Wassers zu Dampf vorgesehen. Vorzugsweise umfasst der Verdunstungskühler zumindest einen Zerstäuber, beispielsweise eine Druckdüse, einen pneumatischen Zerstäuber, einen Rotationszerstäuber, einen Ultraschallvernebler oder dergleichen. Insbesondere ist der Zerstäuber zur Bildung eines Aerosols aus der Umgebungsluft und dem Wasser vorgesehen. Die Luftvortemperierungseinheit umfasst vorzugsweise eine Pumpe zu einer Beaufschlagung des Wassers mit einem Druck, der insbesondere derart hoch ist, dass das Wasser bei einer Entspannung durch den Zerstäuber in Dampf übergeht. Optional umfasst der Verdunstungskühler mehrere, insbesondere baugleiche, Zerstäuber, insbesondere zu einer homogenen Verteilung des Wassers in der Umgebungsluft. Alternativ oder zusätzlich zu dem Zerstäuber umfasst der Verdunstungskühler zumindest eine Benetzungsfläche zu einem Aufbringen eines Films, insbesondere eines Rieselfilms, aus dem Wasser. Alternativ oder zusätzlich zu dem Zerstäuber umfasst der Verdunstungskühler zumindest einen luftdurchlässigen Kapillarkörper zu einem Aufsaugen und Verteilen des Wassers, beispielsweise ein Vlies, ein Gewebe, einen Schwamm oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Temperatur der Umgebungsluft, insbesondere witterungsabhängig, um bis zu 10 K abgekühlt werden, insbesondere um bis zu 16 K abgekühlt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Temperierungsvorrichtung eine Sensoreinheit umfasst, welche zumindest ein Kreislaufsensorelement in oder an dem Temperierkreislauf umfasst, um die Luftvortemperierungseinheit zu regeln. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit zumindest einen Speichertemperatursensor als Kreislaufsensorelement. Der Speichertemperatursensor ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Temperatur des Energiespeichers, insbesondere direkt oder indirekt, zu erfassen. Beispielsweise ist der Speichertemperatursensor an dem Energiespeicher, in einem Rücklauf des Primärkreislaufs von dem Energiespeicherwärmeübertrager oder in einem Vorlauf des Austauschwärmeübertragers angeordnet. Insbesondere ist der Speichertemperatursensor dazu vorgesehen, einen Betrieb der Luftvortemperierungseinheit oder des elektrischen Heizelements auszulösen und optional zu steuern. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit zumindest ein Sekundärsensorelement als Kreislaufsensorelement, welches in oder an dem Sekundärkreislauf angeordnet ist. Das Sekundärsensorelement ist insbesondere an dem Wärmeübertrager angeordnet, insbesondere zu einer Erfassung eines Betriebsparameters des Wärmeübertragers. Das Sekundärsensorelement kann beispielsweise als Temperatursensor oder als Drucksensor ausgebildet sein. Insbesondere ist das Sekundärsensorelement zu einer Regelung der Luftvortemperierungseinheit vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Luftvortemperierungseinheit vorteilhaft bedarfsorientiert betrieben werden. Insbesondere kann ein Wasserverbrauch und/oder ein Stromverbrauch der Luftvortemperierungseinheit vorteilhaft gering gehalten werden. Es kann insbesondere ein vorteilhaft effizienter Betrieb der Luftvortemperierungseinheit erreicht werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Temperierungsvorrichtung eine, insbesondere die bereits genannte, Sensoreinheit umfasst, welche zumindest ein Luftsensorelement außerhalb des Temperierkreislaufs umfasst, um die Luftvortemperierungseinheit zu regeln. Das Luftsensorelement ist insbesondere in dem Lufteinzugsbereich angeordnet. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise ein als Feuchtigkeitssensor ausgebildetes Luftsensorelement, welches zu einer Erfassung einer Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft vorgesehen ist. Der Feuchtigkeitssensor ist vorzugsweise zwischen der Luftvortemperierungseinheit und dem Wärmeübertrager angeordnet. Insbesondere ist der Feuchtigkeitssensor dazu vorgesehen, eine Ausgabemenge an Wasser durch die Luftvortemperierungseinheit zu regeln. Vorzugsweise ist der Feuchtigkeitssensor dazu vorgesehen, eine relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft während eines Betriebs der Luftvortemperierungseinheit unter 100 % zu halten. Optional umfasst die Sensoreinheit einen Lufttemperatursensor zu einer Erfassung einer Lufttemperatur der Umgebungsluft, insbesondere zu einer Ermittlung einer absoluten Aufnahmekapazität der Umgebungsluft für Wasserdampf. Optional umfasst die Sensoreinheit einen weiteren oder alternativen Feuchtigkeitssensor, welcher bezogen auf die Förderrichtung des Ventilators vor der Luftvortemperierungseinheit angeordnet ist, insbesondere um eine umweltbedingte Feuchtigkeit der Umgebungsluft zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Betrieb der Luftvortemperierungseinheit vorteilhaft auf Witterungsbedingungen abgestimmt werden. Insbesondere kann eine Rückkondensierung des Wassers vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Montageort der Temperierungsvorrichtung vorteilhaft trocken gehalten werden. Insbesondere kann eine Ladegeschwindigkeit des Energiespeichers abhängig von den Witterungsbedingung eingestellt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Temperierungsvorrichtung eine Versorgungsleitung und zumindest einen weiteren Wärmeübertrager aufweist zu einer Zuführung eines an dem weiteren Wärmeübertrager entstehenden Kondensats an die Luftvortemperierungseinheit. Insbesondere umfasst die Luftvortemperierungseinheit einen Wassertank, welcher an der Versorgungsleitung angeschlossen ist. Der weitere Wärmeübertrager ist vorzugsweise in dem Sekundärkreislauf fluidtechnisch eingebunden. Insbesondere ist der weitere Wärmeübertrager als Verdampfer für das Kältemittel ausgebildet. Vorzugsweise ist der weitere Wärmeübertrager mit einer Kabinenluft des Fahrzeugs in Kontakt, insbesondere zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Kabinenluft. Der Sekundärkreislauf bildet insbesondere einen Teil einer Klimaanlage des Elektrofahrzeugs. Vorzugsweise ist der weitere Wärmeübertrager und der Austauschwärmeübertrager fluidtechnisch parallel an den Verflüssiger angeschlossen. Besonders bevorzugt umfasst der Sekundärkreislauf ein Mehrwegeventil oder mehrere Einzelventile, um insbesondere einen Kältemittelfluss, insbesondere entweder, durch den Austauschwärmeübertrager oder den weiteren Wärmeübertrager zu leiten. Insbesondere ist die Versorgungsleitung dazu vorgesehen, das sich während eines Betriebs der Klimaanlage an dem weiteren Wärmeübertrager bildende Kondensat dem Wassertank zuzuführen. Ein Sammelbehälter der Klimaanlage für das Kondensat kann separat von dem Wassertank ausgebildet sein oder identisch mit dem Wassertank ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft zur Verfügung stehendes Wasser für die Luftvortemperierungseinheit genutzt werden. Insbesondere kann der Wassertank und/oder der Sammelbehälter vorteilhaft kompakt gehalten werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Luftvortemperierungseinheit relativ zu dem Temperierkreislauf unbeweglich ist. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit in einem festen Abstand zu dem Wärmeübertrager angeordnet. Insbesondere ist der Abstand zwischen dem Wärmeübertrager und der Luftvortemperierungseinheit unabhängig von einem Betriebszustand des Elektrofahrzeugs. Optional umfasst die Temperierungsvorrichtung einen Rahmen, ein Gestell, eine Montageplatte, ein Gehäuse oder dergleichen, an welchem die Luftvortemperierungseinheit und der Wärmeübertrager fixiert sind. Alternativ sind die Luftvortemperierungseinheit und der Wärmeübertrager separat voneinander ausgebildet und dazu eingerichtet, innerhalb des Elektrofahrzeugs an festen Montageplätzen eingebaut zu werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Temperierungsvorrichtung vorteilhaft nah an dem Wärmeübertrager positioniert werden. Insbesondere kann eine Rückerwärmung der Umgebungsluft vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Luftstrom der Umgebungsluft vorteilhaft zielgerichtet auf den Wärmübertrager gerichtet werden. Insbesondere kann ein mit dem Wasser zu versetzendes Volumen der Umgebungsluft vorteilhaft klein gehalten werden. Ferner kann die Temperierungsvorrichtung mit vorteilhaft vielen Ladestationen für den Energiespeicher kompatibel ausgebildet werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Luftvortemperierungseinheit separat von dem Temperierkreislauf ausgebildet ist. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit beweglich, insbesondere frei beweglich, gegen den Temperierkreislauf ausgebildet. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit dazu eingerichtet, während eines Ladevorgangs des Energiespeichers in dem Einzugsbereich der Umgebungsluft angeordnet zu werden und insbesondere nach dem Ladevorgang aus dem Einzugsbereich der Umgebungsluft, insbesondere von dem Elektrofahrzeug, entfernt zu werden. Die Luftvortemperierungseinheit kann insbesondere als eigenständiges Gerät oder als Teil einer Ladestation ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein in dem Elektrofahrzeug zu verbauender Teil der Temperierungsvorrichtung vorteilhaft kompakt und vorteilhaft gewichtsarm gestaltet werden. Insbesondere kann auf ein Mitführen des Wassertanks während einer Bewegung des Elektrofahrzeugs verzichtet werden.
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Darüber hinaus wird ein Elektrofahrzeug mit zumindest einem Energiespeicher und einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung vorgeschlagen. Das Elektrofahrzeug kann insbesondere als Landfahrzeug, als Luftfahrzeug oder als Wasserfahrzeug ausgebildet sein. Das Elektrofahrzeug kann insbesondere als bemanntes oder unbemanntes Fahrzeug ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst das Elektrofahrzeug zumindest den Elektromotor und/oder den Hybridantrieb zu einer Fortbewegung des Elektrofahrzeugs. Vorzugsweise umfasst das Elektrofahrzeug zumindest eine Kabine und/oder einen Laderaum. Vorzugsweise umfasst das Elektrofahrzeug die Klimaanlage, welche insbesondere zu einer Temperierung der Kabine und/oder des Laderaums vorgesehen ist. Insbesondere umfasst das Elektrofahrzeug zumindest einen elektrischen Ladeanschluss zu einer elektrischen Verbindung oder Kopplung des Energiespeichers mit einer Ladestation. Optional ist die Luftvortemperierungseinheit innerhalb des Elektrofahrzeugs angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft schnell ladbares Elektrofahrzeug bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Elektrofahrzeug mit einem Energiespeicher mit einer vorteilhaft langen Lebensdauer bereitgestellt werden.
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Ferner wird eine Ladestation für ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug, mit einem Ladegehäuse und einer Ladevorrichtung zu einem Laden des Energiespeichers des Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Luftvortemperierungseinheit zusammen mit der Ladevorrichtung in dem Ladegehäuse angeordnet ist. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit außerhalb des Elektrofahrzeugs angeordnet. Die Ladevorrichtung umfasst insbesondere einen elektrischen Anschluss zu einer Verbindung mit dem Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs. Optional umfasst die Ladestation einen an dem Elektrofahrzeug anordenbaren Luftauslass, insbesondere in Form eines Einfüllstutzens, zu einer Einspeisung der vortemperierten Umgebungsluft in den Einzugsbereich des Elektrofahrzeugs. Alternativ umfasst die Ladestation einen Ventilator zu einer Ausspeisung der vortemperierten Umgebungsluft, insbesondere in Richtung des an der Ladevorrichtung angeschlossenen Elektrofahrzeugs. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Ladestation bereitgestellt werden, welche den Energiespeicher gleichzeitig lädt und kühlt. Insbesondere kann die Ladestation mit einer vorteilhaft hohen nutzbaren elektrischen Leistung ausgelegt werden.
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Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung vorgeschlagen. Vorzugsweise umfasst die Temperierungsvorrichtung zumindest eine Steuereinheit zu einer Durchführung des Verfahrens. Unter einer „Steuereinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Insbesondere umfasst das Verfahren einen Temperaturkontrollschritt, in welchem die Steuereinheit mittels des Speichertemperatursensors einen Temperierungsbedarf der Energiespeichers überprüft. Insbesondere aktiviert die Steuereinheit das Heizelement, wenn eine mit dem Speichertemperatursensorelement erfasste Temperatur unterhalb des zulässigen Minimalwerts liegt. Insbesondere aktiviert die Steuereinheit den Sekundärkreislauf, wenn die mit dem Speichertemperatursensorelement erfasste Temperatur oberhalb des zulässigen Maximalwerts liegt. Insbesondere lenkt die Steuereinheit mittels zumindest eines Ventils einen Kältemittelstrom des Sekundärkreises durch den Austauschwärmeübertrager. Vorzugsweise aktiviert die Steuereinheit die Luftvortemperierungseinheit. Ein Aktivieren der Luftvortemperierungseinheit kann beispielsweise simultan mit einem Aktivieren des Sekundärkreislaufs durchgeführt werden. Alternativ wird die Luftvortemperierungseinheit aktiviert, wenn das Aktivieren des Sekundärkreislaufs nicht ausreichend ist, um den Temperierungsbedarf zu decken. Alternativ wird das Aktivieren der Luftvortemperierungseinheit durch einen Ladevorgang des Energiespeichers ausgelöst oder durch einen Anschluss des Ladeanschlusses an die Ladestation. Während eines Betriebs der Luftvortemperierungseinheit, fördert die Pumpe das Wasser aus dem Wassertank zu dem Verdunstungskühler und beaufschlagt das Wasser insbesondere mit einem Druck. Vorzugsweise speist der Verdunstungskühler das Wasser in die Umgebungsluft ein. Vorzugsweise bewirkt der Verdunstungskühler, insbesondere im Zusammenspiel mit der Pumpe, eine Flash-Verdampfung des Wassers in der Umgebungsluft. Insbesondere kühlt die Umgebungsluft durch ein Einspeisen des Wassers ab. Der Ventilator fördert insbesondere die vortemperierte Luft zu dem Wärmeübertrager. Der Wärmeübertrager überträgt eine Wärme des Kältemittels auf die vortemperierte Luft. Vorzugsweise ist ein Druck und/oder eine Temperatur des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers kleiner als bei einem Betrieb des Sekundärkreislaufs ohne das Aktivieren der Luftvortemperierungseinheit. Insbesondere überträgt der Austauschwärmeübertrager Wärme von dem Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf. Optional wird das Wasser während eines Betriebs der Klimaanlage gesammelt. Insbesondere kondensiert während eines Betriebs der Klimaanlage Wasser an dem weiteren Wärmeübertrager. Das Wasser wird optional während eines Betriebs der Klimaanlage direkt in dem Wassertank gesammelt. Alternativ umfasst der Wassertank einen Füllstandsensor, welcher ein Auffüllen des Wassertanks veranlasst, insbesondere durch ein Öffnen einer Fluidverbindung mit dem Sammelbehälter der Klimaanlage. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft effektives und kostengünstiges Verfahren zu einer Kühlung des Energiespeichers bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug, die erfindungsgemäße Ladestation und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug, die erfindungsgemäße Ladestation und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs und eine erfindungsgemäße Ladestation,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung,
- 3 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Elektrofahrzeug 12a und eine Ladestation 42a für das Elektrofahrzeug 12a. Das Elektrofahrzeug 12a ist hier beispielhaft als Elektro-Personenkraftwagen dargestellt. Das Elektrofahrzeug 12a umfasst insbesondere zumindest einen Elektromotor 50a zu einer Fortbewegung des Elektrofahrzeugs 12a. Das Elektrofahrzeug 12a umfasst einen Energiespeicher 18a. Der Energiespeicher 18a ist insbesondere zu einer Versorgung des Elektromotors 50a mit elektrischer Energie vorgesehen. Das Elektrofahrzeug 12a umfasst vorzugsweise eine Ladeanschluss 48a zu einem Laden des Energiespeichers 18a. Die Ladestation 42a umfasst insbesondere eine Ladevorrichtung 40a zu einem Laden, insbesondere einem Schnellladen, des Energiespeichers 18a. Die Ladevorrichtung 40a umfasst insbesondere einen zu dem Ladeanschluss 48a des Elektrofahrzeugs 12a komplementären Anschluss 46a, insbesondere einen elektrischen Stecker. Die Ladestation 42a umfasst vorzugsweise ein Ladegehäuse 38a. Die Ladevorrichtung 40a ist insbesondere in dem Ladegehäuse 38a angeordnet.
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2 zeigt eine Temperierungsvorrichtung 10a des Elektrofahrzeugs 12a. Die Temperierungsvorrichtung 10a umfasst zumindest einen Temperierkreislauf 14a zu einer Temperierung des Energiespeichers 18a des Elektrofahrzeugs 12a. Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf 14a einen Primärkreislauf 52a. Der Primärkreislauf 52a ist insbesondere zu einer direkten Temperierung des Energiespeichers 18a vorgesehen. Vorzugsweise umfasst der Temperierkreislauf 14a einen Sekundärkreislauf 54a. Der Sekundärkreislauf 54a ist insbesondere zu einer Temperierung des Primärkreislaufs 52a vorgesehen und insbesondere zu einer mittelbaren Temperierung des Energiespeichers 18a.
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Vorzugsweise umfasst der Primärkreislauf 52a zumindest einen, insbesondere plattenförmigen, Energiespeicherwärmeübertrager, an welchem der Energiespeicher 18a fixiert ist. Vorzugsweise umfasst der Primärkreislauf 52a ein Kühlmittel zu einem Wärmetransport. Der Primärkreislauf 52a umfasst insbesondere ein Kühlmittelpumpe 56a zu einem Umwälzen des Kühlmittels. Vorzugsweise umfasst der Primärkreislauf 52a zumindest ein elektrisches Heizelement 57a zu einer Erwärmung des Kühlmittels. Vorzugsweise umfasst der Primärkreislauf 52a zumindest einen Austauschwärmeübertrager 58a zu einem Kühlen des Kühlmittels. Insbesondere ist der Austauschwärmeübertrager 58a in den Sekundärkreislauf 54a eingebunden. Der Sekundärkreislauf 54a und der Primärkreislauf 52a sind bevorzugt fluidtechnisch voneinander getrennt ausgebildet. Insbesondere ist der Austauschwärmeübertrager 58a zu einer, insbesondere stofflosen, Wärmeübertragung von dem Primärkreislauf 52a auf den Sekundärkreislauf 54a vorgesehen.
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Der Sekundärkreislauf 54a umfasst vorzugsweise ein Kältemittel zu einem Wärmetransport. Der Temperierkreislauf 14a weist zumindest einen Wärmeübertrager 20a zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Temperierkreislauf 14a und einer Umgebungsluft 22a des Temperierkreislaufs 14a auf. Der Wärmeübertrager 20a ist vorzugsweise in dem Sekundärkreislauf 54a fluidtechnisch eingebunden. Insbesondere ist der Wärmeübertrager 20a als Verflüssiger ausgebildet zu einem Verflüssigen des Kältemittels. Vorzugsweise umfasst der Sekundärkreislauf 54a einen Verdichter 60a zu einem Umwälzen des Kältemittels. Vorzugsweise ist der Austauschwärmeübertrager 58a als Verdampfer zu einem Verdampfen des Kältemittels ausgebildet. Die Temperierungsvorrichtung 10a umfasst zumindest einen weiteren Wärmeübertrager 36a. Der weitere Wärmeübertrager 36a ist vorzugsweise als weiterer Verdampfer zu einem Verdampfen des Kältemittels vorgesehen. Der weitere Wärmeübertrager 36a ist insbesondere zu einem Wärmeaustausch zwischen einer Kabinenluft 61a des Elektrofahrzeugs 12a und dem Kältemittel vorgesehen. Der Austauschwärmeübertrager 58a und der weitere Wärmeübertrager 36a sind vorzugsweise fluidtechnisch parallel zueinander an dem Wärmeübertrager 36a angeschlossen. Vorzugsweise umfasst der Sekundärkreislauf 54a einen Expansionskörper 62a, insbesondere ein Expansionsventil, zu einem Entspannen des Kältemittels. Vorzugsweise ist der Expansionskörper 62a fluidtechnisch in Reihe mit dem Austauschwärmeübertrager 58a angeordnet. Der Sekundärkreislauf 54a umfasst insbesondere einen weiteren Expansionskörper 64a, insbesondere ein Expansionsventil, zu einem Entspannen des Kältemittels. Der weitere Expansionskörper 64a ist vorzugsweise fluidtechnisch in Reihe mit dem weiteren Wärmeübertrager 36a angeordnet. Optional umfasst der Sekundärkreislauf 54a ein Mehrwegeventil 66a, um einen Kältemittelfluss zwischen dem Austauschwärmeübertrager 58a und dem weiteren Wärmeübertrager 36a hin und her zu schalten oder aufzuteilen.
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Vorzugsweise umfasst die Temperierungsvorrichtung 10a zumindest einen Ventilator 68a. Der Ventilator 68a ist zu einem Transport der Umgebungsluft 22a durch den Wärmeübertrager 20a hindurch vorgesehen. Insbesondere definiert der Ventilator 68a einen Einzugsbereich, aus welchem der Ventilator 68a die Umgebungsluft 22a ansaugt. Die Temperierungsvorrichtung 10a umfasst eine Luftvortemperierungseinheit 24a. Die Luftvortemperierungseinheit 24a ist in dem Einzugsbereich der Umgebungsluft 22a angeordnet. Die Luftvortemperierungseinheit 24a ist relativ zu dem Temperierkreislauf 14a unbeweglich. Insbesondere ist die Luftvortemperierungseinheit 24a im Inneren des Elektrofahrzeugs 12a montiert, insbesondere in einem fixen Abstand von dem Wärmeübertrager 20a. Die Luftvortemperierungseinheit 24a ist zu einer Vortemperierung der Umgebungsluft 22a vor dem Wärmeaustausch mittels des Wärmeübertragers 20a vorgesehen. Die vortemperierte Umgebungsluft 22a' ist insbesondere kälter als die untemperierte Umgebungsluft 22a.
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Die Luftvortemperierungseinheit 24a umfasst einen Verdunstungskühler 25a. Der Verdunstungskühler 25a ist dazu vorgesehen, die Umgebungsluft 22a mit Wasser 26a zu versetzen. Insbesondere umfasst der Verdunstungskühler 25a zumindest einen Zerstäuber 70a, vorzugsweise mehrere Zerstäuber. Der Zerstäuber 70a ist insbesondere zu einer Bildung eines Aerosols aus der Umgebungsluft 22a und dem Wasser 26a zu erzeugen. Insbesondere umfasst die Luftvortemperierungseinheit 24a eine Pumpe 72a zu einer Beaufschlagung des Wassers 26a innerhalb des Verdunstungskühlers 25a mit einem Druck. Insbesondere geht das Wasser 26a bei einer Entspannung durch den Zerstäuber 70a und nicht gesättigter Umgebungsluft 22a in Dampf über und kühlt insbesondere dadurch die Umgebungsluft 22a ab. Die Luftvortemperierungseinheit 24a umfasst vorzugsweise einen Wassertank 74a zu einer Aufbewahrung des Wassers 26a. Insbesondere ist der Wassertank 74a zu einer Wasserversorgung der Pumpe 72a vorgesehen. Optional umfasst die Temperierungsvorrichtung 10a eine Versorgungsleitung 34a. Die Versorgungsleitung 34a ist zu einer Zuführung eines an dem weiteren Wärmeübertrager 36a entstehenden Kondensats an die Luftvortemperierungseinheit 24a, insbesondere den Wassertank 74a, vorgesehen. Alternativ umfasst der weitere Wärmeübertrager 36a keine Fluidverbindung mit dem Wassertank 74a.
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Vorzugsweise umfasst die Temperierungsvorrichtung 10a eine Steuereinheit 76a. Insbesondere ist die Steuereinheit 76a dazu vorgesehen, den Temperierkreislauf 14a zu steuern, bevorzugt zu regeln. Die Temperierungsvorrichtung 10a umfasst eine Sensoreinheit 28a. Die Sensoreinheit 28a umfasst zumindest ein Kreislaufsensorelement 30a in oder an dem Temperierkreislauf 14a um die Luftvortemperierungseinheit 24a zu regeln. Das Kreislaufsensorelement 30a ist insbesondere als Temperatursensor ausgebildet. Das Kreislaufsensorelement 30a ist beispielsweise an einem Rücklauf des Energiespeichers 18a angeordnet. Insbesondere ist das Kreislaufsensorelement 30a dazu vorgesehen, einen Temperierungsbedarf des Energiespeichers 18a zu erfassen. Insbesondere aktiviert die Steuereinheit 76a das Heizelement 57a, wenn eine mit dem Kreislaufsensorelement 30a erfasste Temperatur unter einen zulässigen Minimalwert fällt. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit 76a dazu vorgesehen, eine Temperatur des Energiespeichers 18a über 15°C zu halten. Insbesondere aktiviert die Steuereinheit 76a die Luftvortemperierungseinheit 24a, wenn eine mit dem Kreislaufsensorelement 30a erfasste Temperatur über einen zulässigen Maximalwert ansteigt. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit 76a dazu vorgesehen, die Temperatur des Energiespeichers 18a unter 30°C zu halten.
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Die Sensoreinheit 28a umfasst zumindest ein Luftsensorelement 32a außerhalb des Temperierkreislaufs 14a, um die Luftvortemperierungseinheit 24a zu regeln. Vorzugsweise ist das Luftsensorelement 32a als Feuchtigkeitssensor ausgebildet. Insbesondere stellt die Steuereinheit 76a in Abhängigkeit von einem Messwert des Luftsensorelements 32a eine Ausspeiserate der Luftvortemperierungseinheit 24a für das Wasser 26a ein. Insbesondere ist die Steuereinheit 76a dazu vorgesehen, eine relative Luftfeuchtigkeit der vortemperierten Umgebungsluft 22a' unter 100 % zu halten. Besonders bevorzugt steuert die Steuereinheit 76a die Ausspeiserate über einen Auslastungsgrad der Luftvortemperierungseinheit 24a. Insbesondere ist die Steuereinheit 76a dazu vorgesehen, einen Druck in der Luftvortemperierungseinheit 24a konstant zu halten, insbesondere um eine Flash-Verdampfung des Wassers 26a in der Umgebungsluft 22a zu ermöglichen.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 44a zum Betrieb der Temperierungsvorrichtung 10a. Das Verfahren 44a umfasst insbesondere zumindest einen Betriebszustandstest 78a. Insbesondere ermittelt die Steuereinheit 76a in dem Betriebszustandstest 78a, in welchem Betriebszustand sich das Elektrofahrzeug 12a befindet. Insbesondere unterscheidet die Steuereinheit 76a zumindest zwischen einem Fahrbetrieb 80a des Elektrofahrzeugs 12a und einem Ladevorgang 86a des Energiespeichers 18a. Beispielsweise ermittelt die Steuereinheit 76a den Betriebszustand mittels einer Abfrage von einem Bordcomputer des Elektrofahrzeugs 12a. Alternativ ermittelt die Steuereinheit 76a den Betriebszustand mittels einer Erfassung einer Richtung eines elektrischen Stromflusses durch den Energiespeicher 18a. Das Verfahren 44a umfasst optional eine Wassersammelphase 82a. Optional ist während des Fahrbetriebs 80a der Sekundärkreislauf 54b aktiv, insbesondere zu einer Temperierung der Kabinenluft 61a. Bei einem aktiven Sekundärkreislauf 54a kann insbesondere eine Luftfeuchtigkeit der Kabinenluft 61a an dem weiteren Wärmeübertrager 36b ein Kondensat bilden. Insbesondere wird in der Wassersammelphase 82a das Kondensat gesammelt.
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Das Kondensat wird vorzugsweise von der Versorgungsleitung 34a an den Wassertank 74a geleitet und steht insbesondere während des Ladevorgangs 86a als Wasser 26a zur Verfügung.
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Während eines Ladevorgangs 86a ist der Energiespeicher 18a an der Ladestation 42a angeschlossen. Insbesondere wird durch den Ladevorgang 86a an dem Energiespeicher 18a elektrische Energie in Wärme umgesetzt. Vorzugsweise führt die Steuereinheit 76a während des Ladevorgangs 86a eine Aktivierung 84a des Sekundärkreislaufs 54a aus. Insbesondere schaltet die Steuereinheit 76a während des Ladevorgangs 86a einen Durchfluss des Kältemittels durch den Austauschwärmeübertrager 58a frei. Vorzugsweise sperrt die Steuereinheit 76a während des Ladevorgangs 86a einen Durchfluss des Kältemittels durch den weiteren Wärmeübertrager 36a. Optional ermittelt die Steuereinheit 76a in einem Kühlbedarftest 87a, ob sich die Temperatur der Energiespeichers 18a nach Aktivierung 84a des Sekundärkreislaufes 54a konstant stabilisiert. Fällt der Kühlbedarftest 87a negativ aus, d.h. steigt die Temperatur des Energiespeichers 18a, führt die Steuereinheit 76a eine Inbetriebnahme 88a der Luftvortemperierungseinheit 24a aus. Alternativ führt die Steuereinheit 76a die Aktivierung 84a des Sekundärkreislaufs 54a und die Inbetriebnahme 88a der Luftvortemperierungseinheit 24a simultan oder direkt hintereinander durch, insbesondere ohne Kühlbedarftest 87a. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 44a eine Regelphase 90a, in welcher die Steuereinheit 76a den Temperierkreislauf 14a und/oder die Luftvortemperierungseinheit 24a in Abhängigkeit von der Temperatur des Energiespeichers 18a und/oder von Witterungsbedingungen, insbesondere einer relativen Luftfeuchtigkeit der untemperierten Umgebungsluft 22a, regelt. Vorzugsweise deaktiviert die Steuereinheit 76a bei einem Beenden 92a des Ladevorgangs 86a zumindest die Luftvortemperierungseinheit 24a. Optional weist insbesondere der Temperierkreislauf 14a eine Nachlaufzeit nach dem Beenden 92a des Ladevorgangs 86a auf.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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4 zeigt eine Temperierungsvorrichtung 10b und eine Ladestation 42b für ein Elektrofahrzeug 12b. Die Temperierungsvorrichtung 10b umfasst zumindest einen Temperierkreislauf 14b zu einer Temperierung eines Energiespeichers 18b des Elektrofahrzeugs 12b. Der Temperierkreislauf 14b umfasst zumindest einen Wärmeübertrager 20b zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Temperierkreislauf 14b und einer Umgebungsluft 22b des Temperierkreislaufs 14b. Die Temperierungsvorrichtung 10b umfasst eine Luftvortemperierungseinheit 24b, welche in einem Einzugsbereich der Umgebungsluft 22b angeordnet ist und zu einer Vortemperierung der Umgebungsluft 22b vor dem Wärmeaustausch mittels des Wärmeübertragers 20b vorgesehen ist. Die Ladestation 42b umfasst eine Ladevorrichtung 40b zu einem Laden des Energiespeichers 18b des Elektrofahrzeugs 12b. Die Ladestation 42b umfasst ein Ladegehäuse 38b. Die Luftvortemperierungseinheit 24a ist separat von dem Temperierkreislauf 14a ausgebildet. Die Luftvortemperierungseinheit 24b ist zusammen mit der Ladevorrichtung 40b in dem Ladegehäuse 38b angeordnet. Die Luftvortemperierungseinheit 24a wird insbesondere zumindest für eine Dauer eines Ladevorgangs des Energiespeichers 18b in dem Einzugsbereich der Umgebungsluft 22b angeordnet. Alternativ wird das Elektrofahrzeug 12b mit dem Einzugsbereich der Umgebungsluft 22b zumindest für die Dauer des Ladevorgangs an die Luftvortemperierungseinheit 24a herangeführt.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Temperierungsvorrichtung 10b, des Elektrofahrzeugs 12b und/oder der Ladestation 42b sei auf die Beschreibung der 1 bis 3 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015013296 A1 [0001]