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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität eines Energiespeichers eines Sensors sowie einen Sensor, der ein derartiges Verfahren aufweist oder in einer Auswerteeinheit durchführt.
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Stand der Technik
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Bei der Verwendung von autarken Sensoren ist sicherzustellen, dass die Energieversorgung des Sensors für die typische Anwendungszeit gesichert ist, um keinen vorfälligen Ausfall zu riskieren. Gerade bei sicherheitskritischen Anwendungen kann dabei ein Ausfall der Messwerterfassung durch den Sensor kritische Situationen nach sich ziehen. Ist ein Wechsel des Energiespeichers des Sensors möglich, so wird ohne einen konkreten Hinweis auf deren Restkapazität im Zweifel der Energiespeicher vor der Zeit ausgetauscht, um keinen Ausfall zu riskieren. Ist ein Wechsel des Energiespeichers nicht möglich, betrifft der vorzeitige Austausch sogar das gesamte Gerät. Neben zusätzlichen Kosten sind dabei auch der Ressourceneinsatz zu berücksichtigen, da die ausgetauschten Energiespeicher oder Geräte oftmals ohne eine weitere Nutzung entsorgt werden.
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So werden beispielsweise die Reifendrucksensoren in einem Reifen oftmals hinsichtlich ihrer Restenergie des verwendeten Energiespeichers nur unzureichend überwacht. Daher wird bei einem Reifenwechsel lediglich anhand des Zeitablaufs bestimmt, ob der komplette Reifendrucksensor ausgetauscht wird oder nicht. Zwar bieten einige Reifendrucksysteme bereits Indikatoren des Batteriestatus an, jedoch reicht eine einfache digitalen Anzeige in Form von „Normal Battery“ und „Low Battery“ nicht aus, um insbesondere nach einem Reifenwechsel abschätzen zu können, ob der Energiespeicher noch für die nächste Nutzungsperiode, zum Beispiel Winter/Sommer ausreicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird sowohl ein Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität eines Energiespeichers eines Sensors als auch ein Sensor oder Sensorsystem mit einem derartige Bestimmungsverfahren beansprucht. Als Energiespeicher kann hier insbesondere ein während der Nutzung des Sensors nicht wieder aufladbarer Akku oder eine Batterie vorgesehen sein. Weiter ist vorgesehen, dass der Sensor wenigstens ein Erfassungsmittel aufweist, welches eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft eines Mediums erfasst. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Sensor ein Sendemittel aufweist, mittels dem die erfasste(n) Sensorgröße(n) ausgesandt werden. Optional kann auch vorgesehen sein, dass Signalgrößen ausgesendet werden, die von den Sensorgrößen abgeleitet werden. Zur Bestimmung der Restkapazität des Energiespeichers beziehungsweise einer mittels daraus abgeleiteten Restnutzungsgröße, die eine derartige Restnutzungsdauer repräsentiert, wird das Nutzungsverhalten des Sensors beziehungsweise dessen Betriebsverhalten bestimmt. Zur Bestimmung des Nutzungsverhalten wird dabei die Häufigkeit der Erfassung der Sensorgrößen als auch der Aussendung dieser Sensorgrößen beziehungsweise der abgeleiteten Signalgrößen erfasst.
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Da beide Vorgänge mit einem Energieaufwand für den Sensor verbunden sind, stellen diese Aktionen und insbesondere deren Häufigkeit, das heißt die in einem Zeitraum vorkommenden Vorgänge, einen wesentlichen Beitrag für den Energiebedarf des Sensors dar. In Kenntnis des bisherigen Energiebedarfs auf Basis des Nutzungsverhaltens kann so ein Modell entwickelt werden, welches den bisherigen und zukünftigen Energiebedarf abbildet. Somit kann insbesondere unter Verwendung eines Ausgangsenergiemenge des Energiespeichers oder weiterer Informationen eine Restkapazitätsgröße und damit auch eine Restnutzungsdauer abgeschätzt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erfassten Häufigkeiten der Sensorerfassung und Aussendung der Sensorgrößen und Signale dazu genutzt werden kann, individuelle Nutzungsverhalten zu erkennen. Dabei kann es sich sowohl um unterschiedliche Nutzungen verschiedener Nutzer des Sensors aber auch um verschiedene Bedingungen der Nutzung handeln. Zur Bestimmung der Restnutzungsgröße wird dabei das Nutzungsverhalten für die Restenergie berücksichtigt, welche der aktuellen Nutzung entspricht. Zur Umsetzung einer derartigen Weiterbildung können zwei oder mehr Nutzungsverhalten identifiziert und verwendet werden.
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Bei einer besondere Ausgestaltung der Erfindung wird das Nutzungsverhalten in Form des Strombedarfs für die verschiedenen Vorgänge erfasst. So wird sowohl für die Sensorwerterfassung als auch für die Aussendung der Strombedarf insbesondere in Abhängigkeit der Zeit erfasst. So kann erkannt werden, ob der Strombedarf während bestimmter Zeiten größer ist, um daraus auf zukünftige Nutzungen schließen zu können.
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Der Sensor oder das Sensorsystem ist darüber hinaus dazu eingerichtet, in einem Aktivmodus und einem Ruhemodus betrieben zu werden. So werden im Aktivmodus die Sensorgrößen erfasst, die Auswertung der Sensorgrößen durchgeführt und die Sensorgrößen oder Signalgrößen ausgesandt. Im Ruhemodus erfolgt keine dieser Aktivitäten. Trotzdem verbraucht der Sensor auch in diesem Ruhemodus Energie, sei es für die Aufrechterhaltung einer Bereitschaft, in Form eines Leckstroms oder als Selbstentladung des Energiespeichers. Der hierbei verbrauchte Ruhestrom kann ebenfalls für die Bestimmung oder Ableitung des Nutzungsverhaltens als auch der Restnutzungsgröße herangezogen werden. Optional kann der Ruhestrom auch separat erfasst oder mittels eines Modells bestimmt werden. Weiterhin kann auch das Spannungsverhalten des Energiespeichers unter Last berücksichtigt werden.
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Da der Strombedarf des Sensors gerade im Aktivmodus stark von Umgebungsbedingungen abhängt, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Temperatur erfasst, die auf den Betrieb, den Energiebedarf oder die Kapazität des Energiespeichers Einfluss hat. So kann beispielsweise eine niedrige Umgebungstemperatur die Kapazität des Energiespeichers und insbesondere deren Energieabgabe an den Sensor negativ beeinträchtigen. Auch können durch die Erfassung einer Temperatur zusätzliche Informationen gewonnen werden, wie beispielsweise die Jahreszeit, in der der Sensor verwendet wird. Im Fall von Reifendrucksensoren kann so die Verwendung in Sommer- oder Winterreifen erkannt werden. Neben der Außentemperatur kann jedoch auch die Temperatur des Sensors oder des zu erfassenden Mediums erfasst werden.
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Mittels der Restnutzungsgröße kann ein Modell entwickelt werden, welches eine Warnung erzeugt, wenn der übliche Zeitraum der Nutzung des Sensors geringer als ein typischer Wartungszeitraum liegt. Hierzu können Schwellenwerte verwendet werden, die den Nutzer warnen, wenn die Restnutzungsgröße unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt. So kann bei Reifen erkannt werden, wenn die Restenergie des Energiespeichers eines Reifendrucksensors nicht ausreichen würde, um bis zum nächsten anstehenden Wechsel oder der nächsten Inspektion den Sensor zu versorgen.
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Das Verfahren kann bei jedem autark arbeitenden Sensor oder Sensorsystem eingesetzt werden. Beim Einsatz im Rahmen eines Reifendrucksensors oder einem Reifendruckkontrollsystems kann neben dem eigentlichen Druck des Reifens auch die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung, sowie die Temperatur des Reifens erfasst werden, um den Energiebedarf des Sensors abzuschätzen. Gleiches gilt für die Aussendung der Reifendrucksignale, deren Häufigkeit beispielsweise von der Geschwindigkeit abhängt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine mögliche Ausführung der Erfindung. Mit dem Flussdiagramm der 2 wird die Erzeugung eines Modells beschrieben, das der Erfindung zugrunde liegt. Mit dem Verfahren nach 3 wird eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung gezeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie eingangs bereits ausgeführt, kann bei autark arbeitenden Sensoren nur schwer abgeschätzt werden, wieviel Restenergie im Energiespeicher vorhanden ist, der den Sensor und die Auswerteeinheit beziehungsweise eine Sendeeinheit mit Energie versorgt. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem sich diese Restenergie beziehungsweise die Restkapazität des Energiespeichers genauer bestimmen lässt. Auch wenn die Erfindung im Folgenden anhand eines Reifendrucksensors beschrieben wird, kann das zugrunde liegende Verfahren bei jedem Sensor verwendet werden, welches durch einen Akku oder eine Batterie und somit autark von einer sonstigen Energieversorgung betrieben wird.
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In der 1 ist schematisch ein Sensor oder ein Sensorsystem beschrieben. Im Falle eines Reifendrucksensors ist dieses Sensorsystem in einem Reifen untergebracht und erfasst mittels eines entsprechenden Drucksensors oder Drucksensorelements 140 den Druck innerhalb des Reifens. Die (Druck-)Sensorgröße oder das Messsignal des Drucksensorelements 140 wird durch eine Auswerteeinheit 100 erfasst und gegebenenfalls zu einem (Druck-)Sensorsignal aufbereitet. Da der Reifendrucksensor in dem Reifen angeordnet ist, ist eine Funkübertragung der so gewonnenen (Druck-)Sensorgrößen oder (Druck-)Sensorsignale notwendig. Hierzu kann die Auswerteeinheit 100 eine Sendeeinheit aufweisen oder eine entsprechende Sendeeinheit 160 ansteuern. Der so erfasste und ausgesandte Reifendruck kann dann von entsprechenden Empfangsmitteln am Fahrzeug erfasst und für die Verarbeitung weitergeleitet werden. Die Energieeinheit, die den Reifendrucksensor mit Energie versorgt, ist üblicherweise fest mit dem Sensorsystem verbunden und im Reifen untergebracht. Einen eigenständigen Austausch der Energieeinheit, zum Beispiel einer Batterie, ist oftmals wirtschaftlich nicht sinnvoll oder technisch nicht möglich, weswegen üblicherweise der gesamte Reifendrucksensor ausgetauscht wird. Da auch dieser Austausch Aufwand bedeutet, ist es sinnvoll, den Austausch nur dann vorzunehmen, wenn die Energie des Reifendrucksensors nicht mehr bis zur nächsten regelmäßigen Inspektion ausreicht.
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Um eine bessere Abschätzung der Restkapazität des Energiespeichers zu erhalten, erfasst die Auswerteeinheit 100 die reale Beanspruchung der Sensorerfassung sowie der Aussendung der Sensorgrößen oder Sensorsignale. Hierzu werden mit entsprechenden Sensoren oder Sensorelementen 130 die Geschwindigkeit, die Beschleunigung sowie die Häufigkeit, das heißt die Anzahl und die Dauer der entsprechenden Bewegungsvorgänge erfasst. Darüber hinaus wird mit wenigstens einem Temperatursensor 120 eine Temperatur erfasst. Bei dieser Temperatur kann es sich um die Temperatur des Drucksensors 140, die Temperatur der Auswerteeinheit 100 oder die Lufttemperatur des Reifens handeln. Der Hintergrund der Erfassung der Temperatur liegt darin, dass sowohl das Verhalten des Luftdrucks im Reifen als auch die Messwerterfassung und - auswertung und insbesondere der damit verbundenen Energieaufwand temperaturabhängig ist. Darüber hinaus lassen sich aus der Temperaturerfassung auch die Temperaturbedingungen beziehungsweise klimatischen Verhältnisse um das Fahrzeug herum ableiten. So kann aus dem Temperaturverhalten der Luft im Reifen daraus geschlossen werden, ob das Fahrzeug im Winter oder im Sommer bewegt wird. Neben einer Anpassung der Belastung des Sensorsystems durch unterschiedliche Temperaturen lässt sich so auch erkennen, ob es sich bei den Reifen um Winter- oder Sommerreifen handelt.
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Optional kann die Auswerteeinheit 100 zusätzliche Eingaben oder Sensorgrößen erfassen, die die Belastung und Nutzung des Sensors oder Sensorsystems repräsentieren. So kann beispielsweise mit einem Sensor 150 der Ruhestrom des Drucksensors 140 oder aller verwendeten Sensoren und Sensor-Verarbeitungseinheiten wie die Auswerteeinheit 100 und der Sendeeinheit 160 erfasst werden. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 100 auch gezielte Abfrageanforderungen für den Batteriestatus beziehungsweise die Restkapazität erfassen und umsetzen.
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Neben der Weiterleitung oder Versendung der Sensorgrößen, der daraus abgeleiteten Sensorsignale oder des Kapazitätsstatus des Energiespeichers über eine Sendeeinheit können diese Sensorgrößen oder -signale auch an eine Anzeigeeinheit 170 gesendet werden. Diese kann direkt an den Sensor angebunden sein oder die entsprechenden Signal mittels Funkübertragung erhalten. Im Falle eines Reifendrucksensors kann die Anzeigeeinheit insbesondere auch durch ein Display im Fahrzeuginnenraum repräsentiert werden. Hierdurch kann der Nutzer sowohl über die Sensorgrößen oder daraus abgeleiteten Erkenntnissen als auch über den Batterie- oder Akkustatus informiert werden. Alternativ kann auch in der Anzeigeeinheit 170 eine zusätzliche Verarbeitungseinheit vorgesehen sein, die auf der Basis der übermittelten Werte und Größen den Reifendruck und/oder den Batterie- und Akkustatus ableitet und anzeigt.
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In der Auswerteeinheit 100 wird das Nutzungsverhalten der Erfassung der Sensorgröße, zum Beispiel des Drucksensors bei einem Reifendrucksensor, bestimmt. Aus dem so bestimmten Nutzungsverhalten kann die bis zu diesem Zeitpunkt benötigte Energiemenge abgeleitet werden. Dabei kann nicht nur der Stromverbrauch des Sensorelements 140 sondern auch der Energieverbrauch der Auswerteeinheit 100 sowie der in dem Sensor vorhandenen Sendeeinheit 160 berücksichtigt werden. Indem so die Häufigkeit der Erfassungsvorgänge, Auswertevorgänge und/oder Sendevorgänge der Vergangenheit bestimmt werden, kann der zukünftige Energieverbrauch abgeleitet werden. Durch Kenntnis der ursprünglichen Energiekapazität des Energiespeichers kann so eine Restkapazität oder ein Zeitraum angegeben werden, in dem der Sensor bei einem gleichbleibenden Nutzungsverhalten weiter betrieben werden kann. Optional kann vorgesehen sein, dass auch der Ruhestrom beim Nutzungsverhalten und dem Energieverbrauch berücksichtigt wird, der während Ruhezeiten oder Inaktivitäten des Sensors verbraucht wird.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann beispielsweise das Nutzungsverhalten in zwei unterschiedliche Modi unterteilt werden, wobei ein erstes Nutzungsverhalten in Abhängigkeit einer aktiven Sensorgrößenerfassung, -verarbeitung und/oder -aussendung bestimmt wird. Demgegenüber wird ein zweiter Modus in Form eines zweiten Nutzungsverhaltens bestimmt, bei dem sich der Sensor und/oder die Auswerteeinheit in Ruhestellung oder Wartestellung befindet.
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Optional kann auch vorgesehen sein, dass anhand der Häufigkeit der Erfassungsvorgänge, Auswertevorgänge und/oder Sendevorgänge sowie weiterer Sensorgrößen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung die Nutzung des Sensors von unterschiedlichen Nutzern erkannt wird. Hierbei kann sowohl die Anzahl der entsprechenden Vorgänge als auch die Dauer berücksichtigt werden. So kann bei der Anwendung der Erfindung bei einem Reifendrucksensor aufgrund von charakteristischen Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten des Reifens auf unterschiedliche Fahrweisen des Fahrzeugs geschlossen werden. Da die Erfassung des Reifendrucks und/oder deren Funkübertragung an die Erfassungseinheit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig gesteuert werden kann, kann sich der Energieverbrauch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und somit Nutzungsverhalten von verschiedenen Nutzern ebenfalls unterscheiden. So kann vorgesehen sein, dass das Nutzungsverhalten erfasst und unterschiedlichen Nutzern zugeordnet wird. Anschließend kann aufgrund der Sensorgröße oder -daten erkannt werden, welcher Nutzer beziehungsweise welches Nutzungsverhalten als Grundlage für den weiteren, zukünftigen Energiebedarf herangezogen wird. Basierend auf dem erkannten Nutzer oder dessen Nutzungsverhaltens kann so abgeleitet werden, wir lange die Restenergie noch für einen Betrieb des Sensors ausreicht.
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Weiterhin kann beispielsweise über den Temperatursensor erkannt werden, ob der Sensor im Sommer oder im Winter verwendet wird. Da bei kaltem Wetter die Energiekapazität niedriger ist, insbesondere unter Last, und/oder der Energieaufwand für den Sensorbetrieb höher ist, kann entweder die Temperatur und/oder die Jahreszeit bei der Ableitung des Energieverbrauchs berücksichtigt werden. Weiterhin kann so auch bestimmt werden, ob es sich um einen Sommer- oder Winterreifen handelt.
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Ein wesentlicher Aspekt bei der Bestimmung des Nutzungsverhaltens stellt die Erfassung der Temperatur dar. So hat die Temperatur einen hohen Einfluss auf den Ruhestrom, das heißt auf den Strom, der durch Leckage oder zur Aufrechterhaltung einer schnellen Aktivierung des Sensors notwendig ist. Auch die Eigenentladung des Energiespeichers sowie deren Kapazität ist temperaturabhängig. Alle diese Effekte können mit der Erfassung der Temperatur des Sensors, des Energiespeichers oder des Luftvolumen um den Sensor herum genauer bestimmt werden. Hierdurch kann die Bestimmung der Restkapazität des Energiespeichers präzisiert durchgeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Auswerteeinheit 100 ein Erfassungmittel aufweisen, mittels dem aktiv die Abfrage des Status des Energiespeichers oder deren Restkapazität beziehungsweise voraussichtlicher Nutzungsdauer bei gleichbleibendem Nutzungsverhalten durchgeführt werden kann. Optional kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 100 den Status der Restkapazität und/oder der Rest-Nutzungsdauer aktiv aussendet, zum Beispiel an die Anzeigeeinheit 170, wenn ein Schwellenwert unter- oder überschritten wird. Dabei können auch mehrere Schwellenwerte vorgesehen sein, die bei einem Unter- oder Überschreiten unterschiedliche Meldungen erzeugen. Derartige Schwellenwerte können ebenfalls wie Vergleichswerte oder Modelle für das Nutzungsverhalten aufgrund der erfassten Sensorgrößen im Speicher 110 der Auswerteeinheit 100 abgelegt sein.
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Ein mögliches erfindungsgemäßes Verfahren, welches in der Auswerteeinheit 100 durchgeführt werden kann, ist in 2 dargestellt. Im ersten Schritt 200 wird die Sensorgröße des Sensorelements erfasst, zum Beispiel einen Luftdruck des Reifens im Fall eines Reifendrucksensors. Über die Erfassung von zusätzlichen Informationen oder Sensorgrößen, wie beispielsweise einer Beschleunigung, einer Geschwindigkeit und insbesondere deren zeitliches Auftreten kann das Nutzungsverhalten bestimmt werden. Die hierzu notwendigen Sensorgrößen oder Werte können ebenfalls im Schritt 200 erfasst werden. Optional kann im nächsten Schritt 220 wenigstens eine Temperatur erfasst werden, die einen Einfluss auf die Energiekapazität des Energiespeichers oder dem Stromverbrauch in wenigstens einem der Sensorelemente, der Auswerteeinheit und/oder der Sendeeinheit hat. Hierbei kann sowohl eine Temperatur einer Einheit des Sensorsystems aber auch die Umgebungstemperatur des Sensors erfasst werden, zum Beispiel die Temperatur der Luft im Reifen. Im nächsten Schritt 240 kann der Ruhestrom des Sensors erfasst, bestimmt oder eingelesen werden. Im letzten Schritt 260 wird aus den zuvor erfassten Daten, Sensorgrößen, Werten oder Informationen ein Modell entwickelt, welches das Nutzungsverhalten repräsentiert und insbesondere die dabei verwendeten Energiemenge berechnet. Ausgehend von einer ursprünglicher Energiemenge kann so die Restkapazität des Energiespeichers berechnet. Optional kann mit dem erkannten Nutzungsverhalten zusätzlich eine Restnutzungsdauer abgeschätzt werden.
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Mit dem Verfahren gemäß der 3 wird in einem ersten Schritt 300 mittels aktuell erfasster Sensorgrößen ein Nutzungsverhalten des Sensors bestimmt, beispielsweise mit Verfahrensschritten gemäß dem Verfahren der 2. Anschließend wird im Schritt 320 geprüft, ob das erkannte aktuelle Nutzungsverhalten mit dem bisherigen Nutzungsverhalten übereinstimmt. Ist das der Fall, wird die Restkapazität und/oder die Restnutzungsdauer entsprechend dem Verfahren nach 2 bestimmt. Wird jedoch festgestellt, dass sich das aktuelle Nutzungsverhalten von dem bisherigen ersten Nutzungsverhalten unterscheidet oder einem anderen, zweiten Nutzungsverhalten entspricht, wird das Prognosemodell zur Bestimmung der Restkapazität und/oder der Restnutzungsdauer angepasst. In diesem Fall wird die Restkapazität aus beiden Nutzungsverhalten berechnet und die Restnutzungsdauer in Abhängigkeit des aktuellen, zweiten Nutzungsverhalten bestimmt.
