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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere ein Verfahren zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für eine Leistungselektronik.
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In aktuellen Regelungen für elektrische Antriebssysteme wird auf Basis eines Eingangssignals ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der Halbleiter im Inverter erzeugt. Zum Schutz der Halbleiter vor Überhitzung kann optional ein weiteres Eingangssignal eingelesen werden, wie z.B. die Chip-Temperatur. Diese weitere Eingangsgröße kann in Kombination mit einer sogenannten Deratingstrategie dazu verwendet werden, dass die Ausgangssignale zu einem geringeren Drehmoment als dem Wunsch-Drehmoment führen. Ein geringeres Moment führt zu einer Reduktion des Ausgangsstroms, wodurch die Halbleiter im Inverter weniger thermisch belastet werden, was vorteilhaft ist. Nachteilig ist hier allerdings, dass nicht das volle Wunsch-Drehmoment erreicht wird bzw. zur Verfügung steht, selbst wenn z.B. die Chip-Temperatur nicht den erlaubten Maximalwert erreicht.
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Dieses Problem resultiert aus einem starren Derating-Konzept, das als Eingangsgrö-ßen nur Momentanwerte zur Verfügung hat. Somit müssen unnötige Reserven bzgl. der Chiptemperatur vorgehalten werden oder das Wunschdrehmoment muss stärker beschränkt werden als physikalisch notwendig.
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Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für eine Leistungselektronik bereitzustellen, durch welches die Wunsch-Zielgröße bzw. Wunsch-Zustandsgröße besser erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur Lösung wird ein Verfahren zur Ansteuerung mindestens eines topologischen Halbleiterschalters für eine Leistungselektronik in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei die Ansteuerung durch Erfassen eines Eingangssignals, und Erfassen einer aktuellen Zustandsgröße, sowie Erfassen eines Zukunftswerts erfolgt, welcher das zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in der Zukunft vorhandene Eingangssignal vorhersagen kann. Ferner erfolgt ein Verknüpfen von Eingangssignal, aktueller Zustandsgrö-ße und Zukunftswert derart, dass eine zukünftige Zustandsgröße zu dem vorgegebenen Zeitpunkt in der Zukunft basierend auf der aktuellen Zustandsgröße und dem Zukunftswert abgeschätzt wird. Dann erfolgt ein Adaptieren des Ansteuersignals gegenüber dem Eingangssignal abhängig von der zukünftigen Zustandsgröße, und ein Ausgeben des Ansteuersignals an den Halbleiterschalter.
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Durch Verwenden des Zukunftswerts als weiteren Eingangswert zusätzlich zum Eingangssignal und der aktuellen Zustandsgröße (Momentanwert) kann eine zeitliche Abschätzung der Situationsänderung erreicht werden. Damit kann die zukünftige Zustandsgröße (also ihre zeitliche Änderung) abgeschätzt und die Ausgabe des Ausgangssignals zur Regelung entsprechend auf diese angepasst werden. Somit kann in vielen Situationen eine höhere Leistungsbereitstellung ermöglicht werden.
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In einer Ausführung wird das Ansteuersignal derart optimiert, dass ansonsten fest vorgegebene Regelparameter situationsabhängig angepasst werden. Vorteilhaft sind fest vorgegebene Regelparameter eine Maximaltemperatur der Halbleiter des anzusteuernden Halbleiterschalters sind. Normalerweise sind solche Regelparameter fest vorgegeben, was dazu führen kann, dass unnötige Reserven bzgl. der Chiptemperatur vorgehalten werden oder das Wunschdrehmoment muss stärker beschränkt werden als physikalisch notwendig, wie eingangs beschrieben. Indem diese starren Regelparameter nunmehr situationsabhängig, also mit Wissen über die Situation in der Zukunft, anpassbar sind, können die Grenzen besser ausgenutzt werden, ohne eine Überhitzung der Halbleiter zu verursachen.
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In einer Ausführung ist das Eingangssignal eine Drehmomentenanforderung. In einer Ausführung ist die Zustandsgröße die zeitlich aufgelöste Temperatur der Halbleiter des anzusteuernden Halbleiterschalters. Da die Halbleiter insbesondere sehr temperaturempfindlich sind, ist diese Größe ein sehr guter Parameter, um eine Entscheidung zu treffen, das Ausgangssignal anzupassen.
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In einer Ausführung ist der Zukunftswert eine Fahrweg- und/oder Fahrverhaltensvorhersage und/oder Sensordaten des Fahrzeugs. Durch das Wissen um die zukünftige Fahrstrecke kann die Belastung der Komponenten gut vorhergesagt werden. In einer Ausführung ist das Ansteuersignal ein PWM-Signal.
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In einer Ausführung werden mehrere Leistungsstufen eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs separat derart angesteuert, um später zugeschaltet oder früher abgeschaltet zu werden.
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Ferner wird die Verwendung des Verfahrens zur Regelung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, auf welcher ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens implementiert ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Eingangssignal, die Zustandsgröße und den Zukunftswert zu erfassen oder zu erhalten.
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Ferner wird ein Elektronikmodul zur Ansteuerung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend einen Inverter, der mittels einem in der Steuereinrichtung implementierten Verfahren angesteuert wird. Ebenso wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend das Elektronikmodul, sowie ein Fahrzeug, aufweisend die Steuereinrichtung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine abstrahierte Darstellung des Verfahrens zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 und 3 zeigen jeweils ein Diagramm einer Derating-Strategie anhand eines Beispiels gemäß dem Stand der Technik (2) und gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung (3).
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Halbleitertransistoren werden in vielen Bereichen als elektronische Schalter eingesetzt und als Halbleiterschalter bezeichnet. Dies ist möglich, da ein Halbleiterschalter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten kann. Ein erster Zustand ist ein eingeschalteter Zustand. In diesem Zustand kann der Halbleiterschalter Strom führen und sich analog wie ein niedriger Widerstand oder eine Diode in Durchlassrichtung verhalten. Der andere Zustand ist der Sperrzustand. In diesem Zustand ist der Halbleiterschalter in der Lage, eine anliegende Spannung, z.B. 400V oder 800V, aufzunehmen.
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Ein Halbleiterschalter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser zwischen den beiden genannten Zuständen sehr schnell und effizient hin und her wechseln kann. Dieses hin und her schalten zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand des Halbleiterschalters ist die Grundlage für viele elektronische Schaltungen wie Netzteile, Wechselrichter, Gleichrichter, Antriebsinverter.
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Damit der Halbleiterschalter zwischen diesen beiden Zuständen hin und her wechsein kann, ist sein Ansteueranschluss (Gate) an den sogenannten Gate-Treiber angeschlossen, über den der Halbleiterschalter angesteuert wird. Bei der Ansteuerung des Halbleiterschalters unterscheidet man allgemein zwei Ansteuertypen. Spannungsgesteuerte Halbleiterschalter und stromgesteuerte Halbleiterschalter. Bei den spannungsgesteuerten Halbleiterschaltern muss die Ansteuerspannung über oder unter einem definierten Pegel, z.B. +5V oder -3V, liegen, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand (leitend oder sperrend) wechselt. Bei stromgesteuerten Halbleiterschaltern muss ein definierter Steuerstrom über- oder unterschritten werden, damit der Halbleiterschalter seinen Zustand ändert. Für beide Varianten wird eine Ansteuerschaltung benötigt, welche die Ansteuerung des Halbleiterschalters realisiert.
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Bisher bekannte Ansteuerschaltungen oder Ansteueranordnungen verfügen über eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite. Die Eingangsseite verfügt über mindestens eine Signalgröße, welche die Information trägt, ob der Halbleiterschalter eingeschaltet (leitender Zustand) oder ausgeschaltet (sperrender Zustand) werden soll. Die Ausgangsseite weist mindestens ein Ausgangssignal auf, welches optional mithilfe eines Gate-Treibers so in Bezug auf Spannungspegel, Stromstärke, etc. aufbereitet wird, dass der Halbleiterschalter mit diesem Signal direkt angesteuert werden kann.
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Wie bereits erwähnt, wird in aktuellen Regelungen für elektrische Antriebssysteme auf Basis eines Eingangssignals, wie z.B. einer Drehmomentanforderung (Stellung Gas- oder Bremspedal), ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der Halbleiter im Inverter erzeugt. Zum Schutz der Halbleiter vor Überhitzung kann optional ein weiteres Eingangssignal eingelesen werden, wie z.B. die Chip-Temperatur, die entweder direkt gemessen wird oder aus Rechenmodellen mithilfe von Korrektur-Sensorsignalen wie einer NTC-Temperatur bestimmt wird. Diese weitere Eingangsgröße kann in Kombination mit einer Deratingstrategie dazu führen, dass die Ausgangssignale, welche in der Regel PWM-Muster sind, zu einem geringeren Drehmoment als dem Wunsch-Drehmoment führen. Ein geringeres Moment führt zu einer Reduktion des Ausgangsstroms, wodurch die Halbleiter im Inverter weniger thermisch belastet werden, was vorteilhaft ist. Eine Derating-Kurve beschreibt die maximal zulässige Verlustleistung eines Bauteiles in Abhängigkeit von seiner Umgebungstemperatur. Derating-Strategien haben das Ziel, dass ein Fahrzeug möglichst nah am thermischen Limit seiner Bauteile ohne Überhitzung betrieben werden kann.
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Wird z.B. ein hohes Moment angefordert, führt dies zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Chiptemperatur. Ohne Einschreiten mittels einer Derating-Strategie kann die Chiptemperatur über die maximal zulässige Temperatur Tmax der dort vorhandenen Bauteile, insbesondere der Halbleiter, ansteigen und diese beschädigen oder zerstören.
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Bekannte Derating-Strategien sind beispielsweise derart, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle, welche noch vor der maximal erlaubten Temperatur Tmax liegt, reagiert wird. Dies führt jedoch dazu, dass nicht das volle Wunsch-Drehmoment zur Verfügung steht, selbst wenn die Momentantemperatur der Halbleiter sich noch unter Tmax befindet. Das Problem resultiert vor allem aus einem starren Derating-Konzept, das als Eingangsgrößen nur Momentanwerte (aktuelle Werte der Eingangssignale S_in und Zustandsgrößen Z) zur Verfügung hat und somit unnötige Reserven bzgl. der Chiptemperatur vorgehalten werden müssen, oder das Wunschdrehmoment stärker beschränkt wird als physikalisch notwendig. Um dieses Problem zu lösen, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren vorgeschlagen.
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Inverter, auch Stromrichter genannt, benötigen ein Leistungsmodul oder ein Halbleiterpackage, damit der aus einer Batterie stammende Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird. Das Leistungsmodul weist topologische Schalter mit Halbleitertransistoren als Leistungstransistoren auf, die zum Steuern der Ströme und zur Erzeugung des Wechselstroms verwendet werden. Dabei sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Leistungstransistoren bekannt. Unter anderem ist es bekannt, Halbleitertypen wie MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu verwenden. Das dabei verwendete Halbleitermaterial kann Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder jedes andere Halbleitermaterial sein. Bevorzugt sind Materialien mit einer großen Bandlücke (engl: wide bandgap).
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Bereitgestellt wird, wie in 1 schematisch gezeigt, ein Verfahren zur Ansteuerung eines topologischen Halbleiterschalters für eine Leistungselektronik, bei dem die Ansteuersignale S_out des topologischen Halbleiterschalters oder mehrerer topologischer Halbleiterschalter auf Basis von drei Größen ermittelt werden (Verarbeitungsblock 1 in 1), dem Eingangssignal S_in, einer Zustandsgröße Z und einem Zukunftswert F.
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Das Eingangssignal S_in kann eine Drehmomentenanforderung sein. Die Zustandsgröße Z kann eine Temperatur T von Bauteilen, insbesondere kritischen Bauteilen wie Halbleiterbauteilen sein. Als aktuelle Zustandsgröße Z steht dabei sowohl der Momentanwert T(t) im Falle einer Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt t, als auch deren zeitliche Änderung dT/dt zur Verfügung. Der Zukunftswert F kann das in einer je nach aktueller Situation und Anforderung zu bestimmenden nahen Zukunft, d.h. einem vorgegebenen Zeitpunkt in der Zukunft, vorhandene Eingangssignal S_in vorhersagen und kann eine Fahrweg- und/oder Fahrverhaltensvorhersage sein. Der vorzugebende Zeitpunkt in der Zukunft hängt davon ab, welche Zustandsgrößen Z betrachtet werden.
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Auf Basis dieser drei Eingangsgrößen S_in, Z und F wird das Ansteuersignal S_out modelliert, so dass das Eingangssignal S_in, z.B. die Drehmomentanforderung, unter Berücksichtigung der Zustandsgröße Z, d.h. seiner zeitlichen Veränderung bzw. der zukünftigen Zustandsgröße am vorgegebenen Zeitpunkt in der Zukunft, optimal wiedergegeben wird.
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Die Zukunftsgröße F wird für die Vorhersage des Eingangssignals S_in, z.B. des Drehmoments, ebenso wie für die Entwicklung der Zustandsgröße, z.B. T(t), eingesetzt, um eine Limitierung oder Anpassung des Ansteuersignals S_out aus dem Eingangssignal S_in zu minimieren.
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In 2 und 3 sind Diagramme (Chip-)Temperatur T und Drehmoment M über die Zeit t gezeigt, bei deren Vergleich ersichtlich ist, dass es durch die vorgeschlagene Strategie (3) möglich ist, eine Vorhersage der (Chip-)Temperatur T für die Zukunft zu machen (gestrichelte Linie) und das Moment M derart anzupassen, dass die maximal erlaubte Temperatur Tmax zwar erreicht, aber nicht überschritten wird. So kann das angeforderte Drehmoment M für einen maximal möglichen Zeitraum zur Verfügung gestellt werden. Dies ist, wie in 2 gezeigt, bei den bisher verwendeten Strategien alleine schon aufgrund der Tatsache nicht möglich, dass nur Momentanwerte für die Betrachtung verwendet werden, aber eben nicht deren zukünftiger Zustand betrachtet wird.
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Ein Anwendungsbeispiel ist ein Fahrzeug, bei dem neben den Drehmomentanforderungen des Fahrers (Eingangssignal S_in) noch die zeitlich aufgelöste Temperatur der Halbleiter (Zustandsgröße Z) und Informationen (Zukunftswert F) aus der Navigationssoftware über die Fahrstrecken- und/oder Fahrverhaltensvorhersage, ebenso wie z.B. der Fahrzeugsensorik (z.B. bezüglich Fahrbahnbeschaffenheit) zur Verfügung stehen.
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Die Regelung ermöglicht durch das Einlesen der Zustandsgröße Z und des Zukunftswerts F eine Abschätzung der Zustandsgröße Z zu einem zukünftigen Zeitpunkt, so dass das Ansteuersignal S_out gegenüber dem Eingangssignal abhängig von der zukünftigen Zustandsgröße Z adaptiert werden kann, d.h. insofern adaptiert werden kann, dass die Zustandsgröße Z optimiert wird, also zulässige Maximalwerte nicht überschritten werden, auch wenn eine höhere Leistung bereitgestellt wird, als aufgrund der bisher bekannten Verfahren vorgesehen ist.
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Beispielsweise wäre es möglich, die Rekuperation eines Fahrzeugs zu maximieren, wenn der Bremsverlauf abgeschätzt werden kann. Dies wäre z.B. bei einem Ortseingang möglich. Hier wird in der Regel nur von ca. 100km/h auf 50km/h abgebremst. Somit kann mit einem höheren als bisher aufgrund der Regelungseinstellungen erlaubten elektrischen Anteil gebremst werden, und eine Rekuperation erreicht werden.
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Ein anderes Beispiel ist, wenn die volle Leistung nur kurz benötigt wird, z.B. beim Überholvorgang auf der Landstraße. Hier wird die Leistung nur kurz abgefragt, d.h. es erfolgt keine Überhitzung in der kurzen Zeit des Überholvorgangs. Somit ist eine Begrenzung des Drehmoments unnötig. Die Zukunftsgröße F ermöglicht hier eine zeitliche Abschätzung der Situationsänderung, wodurch normalerweise feste Regelparameter wie insbesondere ein Überhitzungsschutz situationsabhängig angepasst werden können, d.h. kurzfristig ein höheres Drehmoment erlaubt werden kann.
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Die durch das vorgeschlagene Verfahren mögliche prädiktive Derating-Strategie kann ebenso verwendet werden, um mehrere Leistungsstufen innerhalb des Antriebsstranges ein- oder auszuschalten. Dies ist sinnvoll, wenn das Fahrzeug über eine Hilfsachse/mehrere Leistungsantriebe verfügt, und/oder der eingesetzte Inverter über mehrere Leistungsstufen verfügt, die durch die Vorhersage der nahen Zukunft später zugeschaltet oder früher abgeschaltet werden können.
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Ein Inverter mit mehreren Leistungsstufen kann zum Beispiel durch den Einsatz von mehreren Halbleitermaterialien oder -typen umgesetzt werden. Halbleitermaterialien sind in diesem Zusammenhang z.B. Si, SiC, GaN und Halbleitertypen sind z.B. IGBT, MOSFET, Kaskode.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann die vorgegebene Zustandsgröße Z besser erreicht werden als mit bisherigen Strategien, ohne dabei vorgegebene Maximalwerte, insbesondere maximal erlaubte Temperaturen Tmax von Halbleiterbauelementen, zu überschreiten.
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Das Verfahren ist vorteilhaft als Computerprogramm ausgeführt, welches auf einem Steuergerät des Fahrzeugs implementiert ist, das die benötigten Größen S_in, Z und F selbst ermitteln und/oder von den entsprechenden Einrichtungen des Fahrzeugs erhalten kann. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, die Verarbeitung auszuführen und das Ausgangssignal S_out, welches z.B. ein PWM (Pulsweitenmoduliertes)-Signal ist, an den Halbleiterschalter auszugeben, um die Halbleiter anzusteuern, also ein- oder abzuschalten.
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Ferner wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, aufweisend das Steuergerät. Außerdem weist das Fahrzeug vorteilhaft alle Einrichtungen auf, die nötig sind, um die benötigten Größen S_in, Z, F bereitzustellen.
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Verwendung findet das Verfahren insbesondere bei der Regelung eines elektrischen Antriebssystems eines Fahrzeugs, und hier vor allem in einem Inverter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verarbeitungsblock
- S_out
- Ansteuersignal
- S_in
- Eingangssignal
- Z
- Zustandsgröße
- F
- Zukunftswert
- Tmax
- maximal erlaubte Bauteiltemperatur
- T
- Temperatur
- t
- Zeit
- M
- Drehmoment
