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EINFÜHRUNG
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Die Gegenstandsoffenbarung betrifft die thermische Steuerung von Fahrzeugsystemen und -komponenten.
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Fahrzeuge, einschließlich Benzin- und Dieselkraftfahrzeuge sowie auch Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge, weisen eine Batteriespeicherung für Zwecke auf, wie beispielsweise zum Antreiben von Elektromotoren, Elektronik und anderen Fahrzeugteilsystemen. In einigen Fällen, wie beispielsweise Hochleistungssituationen, kann das Verwalten von Wärmeeigenschaften von Batteriespeicherungssystemen eine Herausforderung sein. Beispielsweise können im Rennsportzusammenhang die Batteriespeicherung und/oder andere Fahrzeugmerkmale zusätzliche Wärme erzeugen, deren wirksame Abfuhr für existierende Fahrzeugkühlsysteme schwierig sein kann. Demgemäß ist es wünschenswert, eine Vorrichtung oder ein System bereitzustellen, die/das zusätzliche Wärmemanagementfähigkeiten bereitstellen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein modulares System zur thermischen Steuerung einer Fahrzeugkomponente eine modulare Wärmesteuerungseinheit, die konfiguriert ist, um entfernbar in einem Fahrzeug installiert zu werden, wobei die modulare Wärmesteuerungseinheit ein Gehäuse, eine Wärmetauscherkomponente und eine Verbindungsanordnung umfasst, die konfiguriert ist, um die Wärmetauscherkomponente in thermischer Kommunikation mit einer Wärmeschleife des Fahrzeugs entfernbar zu verbinden.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst das System ferner eine erste Fluidleitung und eine zweite Fluidleitung, die konfiguriert ist, um die modulare Wärmesteuerungseinheit in Fluidkommunikation mit einer Kühlmittelleitung der Wärmeschleife zu verbinden.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsanordnung einen lösbaren Verbinder, der mit mindestens einer von der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung verbunden ist, wobei der lösbare Verbinder konfiguriert ist, um mindestens eine von der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung mit der Kühlmittelleitung entfernbar zu verbinden.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Wärmetauscherkomponente ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material; PCM).
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die modulare Wärmesteuerungseinheit einen Hohlraum, der konfiguriert ist, um das PCM zu enthalten, und eine Fluidleitung, die konfiguriert ist, um Kühlmittel von der Wärmeschleife durch die modulare Wärmesteuerungseinheit nahe an den Hohlraum zu leiten.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst der Hohlraum mindestens eine Barriere, wobei die mindestens eine Barriere konfiguriert ist, um den Hohlraum in mehrere Kammern zu partitionieren, die das PCM darin zurückzuhalten und dem PCM erlauben, gleichmäßig zwischen Phasen überzugehen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen ist die modulare Wärmesteuerungseinheit konfiguriert, um in einem existierenden Raum des Fahrzeugs installiert zu werden.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Fahrzeugkomponente eine Batterieanordnung und die Wärmeschleife umfasst eine Wärmemanagementanordnung, die konfiguriert ist, um eine Temperatur der Batterieanordnung zu regeln.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur thermischen Steuerung einer Fahrzeugkomponente das Installieren einer modularen Wärmesteuerungseinheit in einem Fahrzeug, wobei die modulare Wärmesteuerungseinheit ein Gehäuse und eine Wärmetauscherkomponente umfasst. Das Installieren umfasst ein entfernbares Verbinden der Wärmetauscherkomponente in thermischer Kommunikation mit einer Wärmeschleife eines Fahrzeugs. Das Verfahren umfasst ebenfalls das Steuern einer Temperatur der Fahrzeugkomponente durch die modulare Wärmesteuerungseinheit.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen, während des Fahrzeugbetriebs, Überwachung einer Temperatur der Fahrzeugkomponente, und basierend darauf, dass die Temperatur eine ausgewählte Schwellentemperatur überschreitet oder erwartet wird, zu überschreiten, Steuern der Temperatur durch Betätigen der modularen Wärmesteuerungseinheit, um Wärme von der Wärmeschleife abzuführen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen ist die modulare Wärmesteuerungseinheit mit einer ersten Fluidleitung und einer zweiten Fluidleitung verbunden, wobei mindestens eine von der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung mit einem Ventil verbunden ist, wobei das Ventil konfiguriert ist, um betätigt zu werden, um die modulare Wärmesteuerungseinheit in Fluidkommunikation mit einer Kühlmittelleitung der Wärmeschleife zu bringen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Steuern ein Betätigen des Ventils in eine offene Position, bei der das Ventil Fluidkommunikation mit der Kühlmittelleitung bereitstellt.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen wird das Ventil in der offenen Position vor der Überwachung für einen Zeitraum gehalten, der ausreichend ist, um die modulare Wärmesteuerungseinheit zu primen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Steuern ein Betätigen des Ventils in einer offenen Position als Reaktion darauf, dass die Temperatur die ausgewählte Schwellentemperatur überschreitet.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Wärmetauscherkomponente ein Phasenwechselmaterial (PCM).
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Wärmetauscherkomponente ein Phasenwechselmaterial (PCM), und der Zeitraum ist ausreichend, um dem Phasenwechselmaterial zu ermöglichen, sich abzukühlen und zu verfestigen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fahrzeugsystem einen Speicher mit computerlesbaren Anweisungen und eine Verarbeitungsvorrichtung zum Ausführen der computerlesbaren Anweisungen, wobei die computerlesbaren Anweisungen die Verarbeitungsvorrichtung steuern, um ein Verfahren durchzuführen. Das Verfahren umfasst während des Fahrzeugbetriebs die Überwachung einer Temperatur einer Komponente eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug eine darin installierte modulare Wärmesteuerungseinheit umfasst, die modulare Wärmesteuerungseinheit ein Gehäuse und eine Wärmetauscherkomponente umfasst und die Wärmetauscherkomponente mit einer Wärmeschleife des Fahrzeugs über eine Verbindungsanordnung entfernbar verbunden ist. Das Verfahren umfasst ebenfalls basierend darauf, dass die Temperatur eine ausgewählte Schwelle überschreitet, das Steuern der modularen thermischen Steuereinheit, um Wärme von der Wärmeschleife abzuführen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen ist die modulare Wärmesteuerungseinheit mit einer ersten Fluidleitung und einer zweiten Fluidleitung verbunden, wobei mindestens eine von die ersten Fluidleitung und die zweiten Fluidleitung mit einem Ventil verbunden ist, wobei das Ventil konfiguriert ist, um betätigt zu werden, um die modulare Wärmesteuerungseinheit in Fluidkommunikation mit einer Kühlmittelleitung der Wärmeschleife zu bringen.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Steuern ein Betätigen des Ventils in einer offenem Position als Reaktion darauf, dass die Temperatur die ausgewählte Schwellentemperatur überschreitet oder erwartet wird, zu überschreiten.
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Zusätzlich zu einer oder mehreren der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Wärmetauscherkomponente ein Phasenwechselmaterial (PCM).
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind ohne Weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten erscheinen nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
- 1 eine Draufsicht eines Motorfahrzeugs ist, das verschiedene Wärmemanagementsysteme und ein modulares Wärmesteuerungssystem umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 ein modulares Wärmesteuerungssystem anschaulich darstellt, das in einem Fahrzeug installiert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 3 eine vordere Querschnittsansicht einer modulare Kühl- oder Wärmesteuerungseinheit mit einem Wärmetauscher ist, der ein Phasenwechselmaterial (PCM) umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 4A-4C Seitenansichten von Ausführungsformen der modularen Wärmesteuerungseinheit von 3 sind;
- 5 ein Ablaufdiagramm ist, das Aspekte eines Verfahrens zur thermischen Steuerung einer Fahrzeugkomponente anschaulich darstellt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
- 6 eine graphische Darstellung einer Fahrzeugbatterieanordnungstemperatur ist, die ein Beispiel zur thermischen Steuerung der Batterieanordnung unter Verwendung des modularen Wärmesteuerungssystems von 2 veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft im Wesen und ist nicht bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen einzuschränken. Es versteht sich, dass überall in den Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen werden Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zur thermischen Steuerung von einem oder mehreren Fahrzeugteilsystemen und/oder Komponenten bereitgestellt. Ein modulares Wärmesteuerungssystem umfasst eine modulare Wärmesteuerungseinheit, die konfiguriert ist, um in einem Fahrzeug entfernbar installiert zu werden, und die in thermischer Kommunikation mit einer oder mehreren Fahrzeugteilsystemen oder - komponenten verbunden ist, wie beispielsweise einer Batterieanordnung, einem Motor oder Maschinenkühlsystem, eine Elektronik Kühlsystem und/oder einem Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem (HVAC). Die modulare Wärmesteuerungseinheit wird verwendet, um die Fähigkeiten von existierenden Wärmeschleifen zu erhöhen (z.B., für verbesserte Fahrzeugleistung). Die modulare Wärmesteuerungseinheit umfasst ein Gehäuse, das dimensioniert und geformt ist, um in einem ausgewählte Fahrzeugort, wie beispielsweise einem vorderen oder hinteren Kofferraum, installiert zu werden. In einer Ausführungsform umfasst die modulare Wärmesteuerungseinheit ein Phasenwechselmaterial (PCM).
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Ausführungsformen umfassen ebenfalls Verfahren zur thermischen Steuerung eines Fahrzeugsystems oder einer Fahrzeugkomponente (z.B., einer Batterieanordnung), Installieren der modularen Wärmesteuerungseinheit in dem Fahrzeug, Verbinden der Wärmesteuerungseinheit über Fluidleitungen und lösbare Verbinder mit einer Wärmeschleife (oder einem anderen Temperatursteuersystem oder -vorrichtung) eines Fahrzeugs und Betreiben der modularen Wärmesteuerungseinheit, um eine Temperatur einer Fahrzeugkomponente (z.B., durch Wärmen oder Kühlen der Fahrzeugkomponente) zu steuern.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens umfasst das Betätigen der modularen thermischen Steuereinheit, um die Abfuhr von Wärme von einer Wärmeschleife eines Wärmemanagementsystems, wie beispielsweise einem Batteriewärmemanagementsystem, zu erleichtern. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Überwachung einer Temperatur einer Fahrzeugkomponente oder eines Fahrzeugsystems und das Steuern der modularen thermischen Steuereinheit, um Wärme von der Wärmeschleife als Reaktion darauf abzuführen, dass die Temperatur einen ausgewählten Schwellenwert überschreitet. Das Verfahren kann Primern oder Konditionieren der modularen Wärmesteuerungseinheit vor Fahrzeugbetrieb und/oder Überwachung umfassen.
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Hier beschriebene Ausführungsformen präsentieren zahlreiche Vorteile und technische Wirkungen. Die Ausführungsformen ermöglichen Flexibilität, um existierenden Fahrzeugwärmemanagementsystemen zusätzliche thermische Steuerung oder Kühlung nach Bedarf bereitzustellen. Das modulare Wärmesteuerungssystem ist kompakt und kann ohne Weiteres in bereits verfügbaren Fahrzeugräumen installiert werden.
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Existierende Kühlsysteme können in der Wärmemenge begrenzt sein, die sie von Batterien in Situationen, wie beispielsweise beim Rennsport und anderen Hochleistungssituationen, abführen können. Ausführungsformen stellen eine kompakte modulare Einheit bereit, die ohne Weiteres installiert werden kann, um zusätzliche Wärmeabfuhr bereitzustellen.
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Beispielsweise stellen Rennstreckenmanöver erhebliche Herausforderungen für das thermische System eines Fahrzeugs aufgrund erheblicher geringwertiger Wärme dar, die durch die Fahrzeugbatterie erzeugt wird. Existierende Lösungen erfordern eine erhebliche Zunahme in der Wärmeabweisung durch Kühlung. Derartige Lösungen fügen typischerweise Gewicht hinzu und können eine Verpackungsherausforderung sein, und können nicht imstande sein, die Batterie unter vorgeschriebenen Grenzen (z.B., 60 Grad C) zu behalten, was zu Leistungsverschlechterung (z.B., hohen Rundenzeiten) führt. Hier beschriebene Ausführungsformen widmen sich derartige Herausforderungen durch Bereitstellen eines kompakten, modularen Systems, das selektiv installiert werden kann, wenn Bedingungen zusätzliches Wärmemanagement anfordern. Die Ausführungsformen vermeiden die Gewichts- und Verpackungsherausforderungen und können Unterlastung (Derating) der Batterieleistung aufgrund dessen verhindern, dass die Batterietemperatur vorgeschriebene Grenzen überschreitet.
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Die Ausführungsformen sind nicht auf den Gebrauch mit einem spezifischen Fahrzeug begrenzt und können auf verschiedene Kontexte anwendbar sein. Beispielsweise können Ausführungsformen mit Automobilen, Lastwagen, Flugzeugen, Baugeräten, Landmaschinen, automatisierter Fabrikausrüstung und/oder einer beliebigen anderen Vorrichtung oder System verwendet werden, für die/das eine zusätzliche thermische Steuerung gewünscht sein kann, um Fähigkeiten oder Merkmale der existierenden thermischen Steuerung eines Systems oder einer Vorrichtung zu erleichtern.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Motorfahrzeugs 10, das eine Fahrzeugkarosserie 12 umfasst, die mindestens teilweise einen Insassenraum 14 definiert. Die Fahrzeugkarosserie 12 stützt ebenfalls verschiedene Fahrzeugteilsysteme, die eine Antriebsanordnung 16 und andere Teilsysteme umfassen, um Funktionen der Antriebsanordnung 16 zu unterstützen, und andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise ein Bremsteilsystem, ein Aufhängungssystem, ein Lenkungsteilsystem, eine Kraftstoffeinspritzteilsystem, ein Abgasteilsystem und andere.
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Das Fahrzeug kann ein Verbrennungsmaschinenfahrzeug, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (EV) oder ein Hybridfahrzeug sein. In einem Beispiel ist das Fahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug, das eine Verbrennungsmaschinenanordnung 18 und eine Elektromotoranordnung 20 umfasst.
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Das Fahrzeug 10 umfasst eine Batterieanordnung 22, die mit der Motoranordnung 20 und/oder anderen Komponenten, wie beispielsweise der Fahrzeugelektronik, elektrisch verbunden sein kann. In einer Ausführungsform ist die Batterieanordnung 22 als ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (Rechargeable Energy Storage System; RESS) konfiguriert und umfasst ein Hochspannungsbatteriepack 24 und eine Steuereinheit 26. Die Steuereinheit 26 umfasst ein Sensorarray 28 und einen Controller 30. Der Controller 30 umfasst Komponenten, wie beispielsweise einen Prozessor, Speicher, eine Schnittstelle, einen Bus und/oder andere geeignete Komponenten.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ebenfalls ein Wärmemanagementsystem oder -systeme, die mehrere Wärmeschleifen zum Regeln (Kühlen und/oder Wärmen) der Temperatur von Fahrzeugteilsystemen definieren. Beispielsweise umfasst ein Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs 10 eine Kühlanordnung 32 zum Regeln der Temperatur der Maschinenanordnung 18, der Elektromotoranordnung 20 und/oder der Elektronik. Eine HVAC-Einheit 34 ist zum Regeln der Temperatur im Fahrzeugraum 14 umfasst.
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Das Wärmemanagementsystem umfasst eine RESS-Wärmemanagementanordnung 36, die durch die Steuereinheit 26 (allein oder in Verbindung mit einer ECU 38) gesteuert wird, um eine Temperatur des RESS innerhalb ausgewählter Grenzen aufrechtzuerhalten. Die RESS-Temperatur kann durch Überwachung der Spannung, des Stroms und/oder Temperaturwerten, die dem RESS durch das Sensorarray 28 zugeordnet sind, und thermisches Konditionieren des RESS, wenn sich die RESS-Temperatur einer oberen oder unteren RESS-Temperaturgrenze nähert, aufrechterhalten werden.
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Das Fahrzeug 10 umfasst verschiedene Verarbeitungsvorrichtungen und/oder Einheiten zum Steuern von Aspekten des Fahrzeugs. Beispielsweise ist eine elektronische Steuereinheit (ECU) 38 umfasst, um den Betrieb von Komponenten des Wärmemanagementsystems und/oder anderen Fahrzeugteilsystemen zu steuern. Das Fahrzeug 10 umfasst ebenfalls ein Computersystem 40, das eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen 42 und eine Benutzerschnittstelle 44 umfasst. Die verschiedenen Verarbeitungsvorrichtungen und -einheiten können miteinander über eine Kommunikationsvorrichtung oder -system kommunizieren, wie beispielsweise einem Controller Area Network (CAN) oder einem Transmission Control Protocol (TCP) Bus.
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In einer Ausführungsform ist ein modulares Wärmesteuerungssystem 50 in dem Fahrzeug 10 installierbar, um Wärmesteuerungsfähigkeiten von existierenden Wärmemanagementsystemen zu verbessern. Das modulare Wärmesteuerungssystem 50 umfasst eine modulare lösbare Wärmesteuerungseinheit 52, die an einem ausgewählten Ort in dem Fahrzeug 10 entfernbar installiert werden kann (d.h., nach Bedarf installiert und entfernt werden kann). In der Ausführungsform von 1 ist die modulare Wärmesteuerungseinheit 52 konfiguriert, um in einem hinteren Kofferraumbereich installiert zu werden, ist jedoch nicht so beschränkt und kann an jedem geeigneten Ort installiert werden. Wie ferner hier erläutert, umfasst die modulare Wärmesteuerungseinheit 52 ein Gehäuse, in dem eine Wärmetauscherkomponente oder -system angeordnet ist (z.B., eine Phasenwechselmaterial), und Komponenten zum lösbaren Installieren der modularen Kühleinheit und Verbinden der Einheit mit einer oder mehreren Wärmeschleifen in dem Fahrzeug.
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Die modulare Wärmesteuerungseinheit 52 wird in Ausführungsformen beschrieben, als konfiguriert zu sein, um Wärme von einer Wärmeschleife abzuführen, und wird in derartigen Ausführungsformen als eine modulare Kühleinheit 52 bezeichnet. Es sei bemerkt, dass die Ausführungsformen sowie auch das Wärmesteuerungssystem 50 und die modulare Wärmesteuerungseinheit 52 nicht auf Kühlen beschränkt sind, da das Wärmesteuerungssystem 50 verwendet werden kann, um Wärme beispielsweise über eine Wärmeschleife aufzubringen. Beispielsweise kann ein Phasenwechselmaterial oder eine andere Wärmetauscherkomponente in einem erwärmten Zustand installiert werden (z.B., bei einer Temperatur oberhalb einer Anfangsbatterietemperatur) und mit einer Wärmeschleife verbunden sein, um Wärme dazu aufzubringen. Beispielsweise kann bei extremen kalten Bedingungen das Wärmesteuerungssystem 50 zusätzliche Wärmfähigkeiten bereitstellen, um eine Batterie oder Batterien vor dem Laden und dem Fahrzeugbetrieb aufzuwärmen. Demgemäß sei zu verstehen, dass die hier beschriebene Ausführungsformen das Einspritzen oder Aufbringen von Wärme in eine Komponente entweder anstelle von Kühlen oder zusätzlich zum Kühlen umfassen kann.
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2 stellt eine Ausführungsform des modularen Wärmesteuerungssystems 50 anschaulich dar, wie in einem Fahrzeug 54 installiert. In dieser Ausführungsform ist die modulare Wärmesteuerungseinheit 52 in einem vorderen Speicherungsraum 56 („Frunk“) installiert, ist jedoch nicht so beschränkt.
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Die Wärmesteuerungseinheit 52 ist, wenn installiert, in Fluidkommunikation mit einer oder mehreren Wärmeschleifen des Fahrzeugs 54 über lösbare Verbinder verbunden. Beispielsweise umfasst die Wärmesteuerungseinheit 52 Fluidleitungen 60 und 62, die über jeweilige schnelle Verbindungslöseanschlüsse 64 und 66 mit einer existierenden Wärmeschleife der RESS-Wärmemanagementanordnung 36 verbunden sind. Es sei bemerkt, dass die Wärmesteuerungseinheit 52 mit jeder gewünschten Wärmeschleife zum Kühlen und/oder Wärmen, wie beispielsweise einer Elektronik oder Motorkühleinheit oder HVAC-Schleife, verbunden sein kann.
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In einem Beispiel umfasst das Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs 54 eine Kühlmittelschleife, die eine Kühlmittelleitung 68 umfasst, die Kühlmittel auf die RESS 24 (Wärmemanagementeinheit) aufbringt. In diesem Beispiel ist die Wärmesteuerungseinheit 52 als eine Kühleinheit konfiguriert. Kühlmittel strömt durch die Kühlmittelleitung 68 zu einer Pumpe 70 und dann durch eine Kältemaschine 74, die einen Kältemittel-zu-Kühlmittel-Wärmetauscher (nicht gezeigt) umfasst.
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Das Wärmemanagementsystem umfasst ebenfalls eine Kältemittelschleife mit Kältemittelleitungen 76. Die Kältemittelschleife umfasst die Kältemaschine 74, einen Kondensator 78, einen Verdampfer 80 und einen Verdichter 82.
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Die schnellen Verbindungsanschlüsse 64 und 66 werden bereitgestellt, um die Fluidleitungen 60 und 62 mit der Kühlmittelschleife über ein Dreiwegeventil 84 lösbar zu verbinden. Wenn die Kühleinheit 52 installiert ist und das Ventil 84 in einer offenen Position ist, wird etwas von dem Kühlmittel, das durch die Kühlmittelleitung 68 von der Kältemaschine 74 strömt, in die Fluidleitung 60 und in eine Wärmetauscherkomponente 86 in der Kühleinheit 52 umgeleitet. Die Wärmetauscherkomponente 86 absorbiert Wärme von dem durch die Kühleinheit 52 strömenden Kühlmittel und führt Wärme von dem Kühlmittel ab. Das Kühlmittel kehrt zu der Kühlmittelleitung 68 durch die Fluidleitung 62 zurück. Auf diese Weise ist die Kühleinheit 52 konfiguriert, um die Wärmeabfuhrfähigkeiten des Wärmemanagementsystems und/oder des RESS-Wärmemanagementsystems zu verbessern.
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Die Wärmetauscherkomponente kann jede Vorrichtung, Material, Anordnung oder System sein, die in der Kühleinheit 52 untergebracht und verwendet werden kann, um Wärme von dem Kühlmittel zu absorbieren. In einer Ausführungsform ist die Wärmetauscherkomponente ein Phasenwechselmaterial (PCM), das eine beliebige von verschiedenen Substanzen oder eine Kombination von Substanzen sein kann, die Phase wechselt (z.B., zwischen flüssig und fest). Beispiele von PCMs umfassen Wasser und Materialien auf Wachsbasis. Andere Arten von Wärmetauscherkomponenten umfassen Wärmesenkenmaterialien (z.B., Metall), andere wärmeleitenden Materialien, thermoelektrische Kühler und andere.
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Das modulare Wärmesteuerungssystem 50 kann zusätzliche Komponenten umfassen, um Wärmeabfuhr zu erleichtern. Beispielsweise kann die Fluidleitung 60 und/oder 62 von einer Hülse oder anderen Mechanismus umgeben sein, der Wärme von dem Kühlmittel entfernt, wenn das Kühlmittel durch die Fluidleitungen strömt. In einer Ausführungsform sind die Kühlleitungen von Hülsen 88 umgeben, die ringförmige Durchgänge um die Fluidleitungen definieren, in denen ein Phasenwechselmaterial oder eine andere Substanz, die Wärme absorbieren kann, enthalten ist.
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Obwohl lediglich zwei Wärmeschleifen gezeigt sind, kann das Fahrzeug 54 eine beliebige Anzahl von Schleifen aufweisen. Beispielsweise kann das Kühlmittel und/oder Kältemittel an andere Fahrzeugteilsysteme über geeignete Steuerventile geleitet werden.
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3 stellt eine Ausführungsform der Wärmesteuerungseinheit 52 anschaulich dar, die ein Phasenwechselmaterial umfasst. 3 ist eine vordere Querschnittsansicht in einer Ebene, die durch eine z-Achse und eine y-Achse definiert wird (eines dreidimensionalen Raums, der durch orthogonale Achsen x, y und z definiert wird). Die Wärmesteuerungseinheit 52 ist beispielsweise als eine Kühleinheit 52 konfiguriert. Obwohl die Wärmesteuerungseinheit 52 als eine Kühleinheit 52 zur Abfuhr von Wärme unter Verwendung des Phasenwechselmaterials erläutert wird, kann die Wärmesteuerungseinheit ebenfalls konfiguriert sein, um Wärme in ein System einzubringen.
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Die Kühleinheit 52 umfasst ein Gehäuse 90, das ein Phasenwechselmaterial (PCM) 92 enthält, wie beispielsweise eine Substanz auf Wasserbasis oder Wachsbasis (Paraffin) innerhalb eines oder mehrerer Hohlräume (z.B., eines hier erläuterten Hohlraums 100) und/oder Kammern (z.B., hier erläuterte Kammern 104). Das Gehäuse 90 kann isoliert sein, um zu verhindern, dass ungewünschte Wärmemengen zu anderen Orten in einem Fahrzeug entweichen. Das PCM 93 kann anfangs in der Kühleinheit 52 in einem ausgewählten Zustand angeordnet sein (z.B., fest oder flüssig, oder eine Kombination aus fest und flüssig). Beispielsweise kann das PCM 92 anfangs in der Kühleinheit 52 in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand angeordnet sein (oder eine Kombination davon, wie beispielsweise eine Kombination aus Eis und Wasser), und kann im flüssigen Zustand bleiben oder fest werden, wenn die Kühleinheit Wärme während des Fahrzeugbetriebs absorbiert.
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Das Gehäuse 90 umfasst eine oder mehrere Fluidleitungen oder -kanäle, durch die Kühlmittel strömt, wenn die Kühleinheit 52 in Gebrauch ist, und eine oder mehrere Hohlräume, in dem das PCM 92 enthalten ist. Das PCM 92 wird innerhalb des Hohlraums oder der Hohlräume vor Gebrauch gefüllt und verschlossen. In einer Ausführungsform ist die Menge von PCM 92 in jedem Hohlraum derart, dass das PCM vollständig oder im Wesentlichen jeden Hohlraum füllt, wenn in der festen Phase. Durchgänge und Hohlräume des Kühlmittels sind ausgestaltet, um eine entsprechende Wärmeübertragung zu dem PCM 92 zu erzeugen, während Druckabfall, Gewicht und Volumen minimiert werden.
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Das Gehäuse 90 umfasst in einer Ausführungsform mehrere Kühlmittelkanäle 94, die konfiguriert sind, so dass durch die Einheit 52 strömendes Kühlmittel nahe an dem PCM 92 ist und Wärme wirksam übertragen werden kann. Die Kühlmittelkanäle 94 sind in Fluidkommunikation mit einem Einlass 96 und einem Auslass 98, die mit Fluidleitungen, wie beispielsweise den Fluidleitungen 60 und 62, verbunden sein können.
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Das Gehäuse 90 umfasst ebenfalls einen Hohlraum 100, der sich entlang erstreckt und jeden Kühlmittelkanal 94 umgibt, und der mit dem PCM 92 gefüllt ist. In einer Ausführungsform ist der Hohlraum 100 vollständig oder teilweise mit dem PCM 92 gefüllt, so dass das PCM 92 das gesamte Volumen jedes Hohlraums 100 füllt, wenn das PCM 92 beim Festwerden expandiert.
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In einer Ausführungsform umfasst der Hohlraum 100 eine Barriere oder Barrieren, die darin einzelne Kammern definieren. Beispielsweise umfasst der Hohlraum 100 mehrere Barrieren 102, die jeweilige Kammern 104 definieren, von denen jede einzeln mit dem PCM 92 gefüllt sind. Ein PCM 92 in einer gegebenen Kammer 104 ist physisch getrennt und kann nicht in eine andere Kammer strömen. Jede Barriere 102 kann ein dünnes Blech oder eine Schicht (ebenfalls als eine Rippe bezeichnet) aus einem Metall oder leichtgewichtigen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein, wie beispielsweise ein Graphit oder Metall. Die Rippenstruktur kann in beliebigen verschiedenen Konfigurationen sein und eine beliebige Anzahl von Kammern definieren. Außerdem wird die Rippenstruktur ausgewählt, um Kammern mit beliebigen verschiedenen Volumen und Geometrien zu definieren.
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4A-4C sind Seitenquerschnittsansichten der Kühleinheit 52 von 3 in einer Ebene, die durch eine in 3 gezeigte Referenzlinie 4-4 definiert wird, und veranschaulichen Beispiele von unterschiedlichen Rippenkonfigurationen. 4A zeigt ein Beispiel, bei dem horizontale (d.h., sich in einer Richtung der x-Achse erstreckende) Barrieren 102 den Hohlraum in rechteckig geformte Kammern 104 trennen, und 4B zeigt ein Beispiel, bei dem die Barrieren 102 dreieckige Kammern 104 definieren. 4C zeigt ein Beispiel, das horizontale und vertikale (d.h., sich in einer Richtung der z-Achse erstreckende) Barrieren 102 umfasst. Im Allgemeinen sind der Hohlraum 100 und die Kammern 104 ausgestaltet, um Wärmeübertragung zu erleichtern, die Bewegung von geschmolzenen PCM einzuschränken und dem PCM zu ermöglichen, gleichmäßig in einen festen Zustand zurückzukehren.
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Es sei bemerkt, dass die spezifische Größe, Form und Konfiguration des Hohlraums 100, der Kühlmittelkanäle 94 und der Kammern 104 nicht auf die in 3 gezeigten beschränkt sind, da beliebige verschiedene Ausgestaltungen verwendet werden können. Beispielsweise kann der Hohlraum 100 keine Rippen oder Barrieren sondern stattdessen ein nicht homogenes Gemisch von Materialien umfassen. Ein Beispiel eines derartigen Gemisches umfasst ein PCM in Kombination mit einem Metall und Graphit.
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5 veranschaulicht Ausführungsformen eines Verfahrens 110 zum Betreiben eines Fahrzeugs und eine thermische Steuerung einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten. Aspekte des Verfahrens 110 (z.B., Temperaturüberwachung und Ventilbetätigung) können durch einen Prozessor oder Prozessoren durchgeführt werden, die in einem Fahrzeug angeordnet sind (z.B., als eine ECU oder einen Bordcomputer). Andere Aspekte (z.B., Installieren der modularen Kühleinheit und Fahren) können durch einen Fahrer oder anderen menschlichen Bediener durchgeführt werden. Es sei bemerkt, dass das Verfahren 110 nicht begrenzt ist und durch jede geeignete Verarbeitungsvorrichtung oder -system oder Kombination von Verarbeitungsvorrichtungen durchgeführt werden kann.
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Das Verfahren 110 umfasst eine Anzahl von Schritten oder Stufen, die durch Blöcke 111-119 dargestellt werden. Das Verfahren 110 ist nicht auf die Anzahl oder Reihenfolge von Schritten darin beschränkt, das einige durch Blöcke 111-119 dargestellten Schritte in einer unterschiedlichen Reihenfolge als die nachstehend beschriebene durchgeführt oder weniger als allen Schritten durchgeführt werden können.
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Das Verfahren 110 wird im Kontext eines Hochleistungsbetriebs eines Fahrzeugs, wie beispielsweise Rennstreckenrennsport, für veranschaulichende Zwecke erläutert. Das Verfahren ist nicht derartig begrenzt und kann in einem beliebigen Kontext oder einem beliebigen Betriebsmodus durchgeführt werden, für das zusätzliche Kühlung oder thermische Steuerung gewünscht wird.
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Bei Block 111 platziert der Fahrer während Vorbereitung für Rennstreckenmanöver, die Kühleinheit 52 in einem Fahrzeugraum, wie beispielsweise dem vorderen Kofferraum 56. Fluidleitungen 60 und 62 sind mit der Batteriewärmeschleife des Fahrzeugs über die schnellen Verbindungslöseanschlüsse 64 und 66 verbunden.
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Bei Block 112 bringt der Fahrer das Fahrzeug in einen Hochleistungsmodus (z.B., Rennstreckenmodus). Bei Block 113 leitet das Fahrzeug eine Batterievorkonditionierung ein (z.B., auf 25 Grad C).
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Bei Block 114 werden die Kühleinheit 52 und das PCM 92 optional geprimt oder vorkonditioniert vor dem Durchführen Rennstreckenmanövern (oder andere Fahrzeugbetrieb) durch Aufbauen von Fluidkommunikation zwischen der Kühleinheit 52 und der Wärmeschleife. Beispielsweise ist das Dreiwegeventil 84 geöffnet und Kühlmittel wird ermöglicht, durch die Kühleinheit 52 zu strömen, bis eine gewünschte Temperatur erreicht ist. Das Ventil wird beispielsweise in einer offenen Position belassen, bis die Temperatur des PCM 92 zu einem gewünschten Ausmaß verringert wird. Abhängig von der Art des verwendetem PCM kann das PCM 92 die Phase als Ergebnis der Vorkonditionierung (z.B., flüssig zu fest) wechseln oder in die gleichen Phase (z.B., flüssig) bleiben.
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Bei Block 115 werden Eigenschaften der Batterieanordnung des Fahrzeugs und erwartete Bedingungen verwendet, um einen Schwellentemperaturwert zu schätzen. Beispielsweise ist die Schwellentemperatur eine kritische Temperatur (z.B., 60 Grad C), die basierend auf Batteriezustand, Batterielasttrajektorie, Leistungsbezug, und anderes geschätzt wird. Die kritische Temperatur kann ein beliebiger ausgewählter Temperaturwert oder Temperaturbereich sein. Beispielsweise kann die kritische Temperatur eine Batteriehochtemperaturgrenze (z.B., die höchste Temperatur, bei der die Batterie sicher und wirksam arbeiten kann, und/oder eine spezifizierte Temperaturgrenze des Herstellers) oder bei einem beliebigen ausgewählten Temperaturwert oder -bereich unterhalb der Hochtemperaturgrenze sein.
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Bei Block 116 ist, wenn Rennstreckenmanöver durchgeführt werden, das Ventil 84 geschlossen, um die Kühleinheit 52 zu umgehen. Bei Block 117 überwacht eine Verarbeitungsvorrichtung (z.B., eine Wärmemanagementeinheit, ECU oder andere geeignete Verarbeitungseinheit) die Temperatur der Batterieanordnung des Fahrzeugs.
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Bei Block 118 veranlasst die Verarbeitungsvorrichtung das Ventil 84, betätigt oder geöffnet zu werden (z.B., von einer geschlossenen Position in eine offene Position, oder in eine von mehreren offenen Positionen im Fall eines variablen Ventils bewegt zu werden) basierend auf dem Erfassen einer oder mehreren Temperaturbedingungen der Batterieanordnung. Eine Temperaturbedingung kann eine Bedingung sein, bei der sich die Batterieanordnungstemperatur der kritischen Temperatur nähert, bei der sie die kritische Temperatur ist, bei der erwartet wird, dass die kritische Temperatur überschritten wird, oder die kritische Temperatur überschritten wird. Wenn die Batterieanordnung eine oder mehrere der Temperaturbedingungen erfüllt, wird das Ventil 84 betätigt oder geöffnet und das PCM 92 absorbiert Wärme von dem Kühlmittel. Wenn die Batterietemperatur unter die kritische Temperatur fällt oder anderweitig nicht länger irgendeine der Bedingungen erfüllt, wird das Ventil 84 erneut geschlossen. Das Ventil 84 kann betätigt oder geöffnet werden als Reaktion auf ein oder mehrere Steuersignale, wie beispielsweise ein Steuersignal oder eine Kombination von Steuersignalen, die verschiedene Temperaturbedingungen oder -werte angibt.
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Die Verarbeitungsvorrichtung kann berücksichtigen, dass erwartet wird, dass die Batterieanordnungstemperatur die kritische Temperatur überschritten wird, basierend auf einer oder mehreren gemessenen Temperaturwerten und/oder einer oder mehreren gemessenen Raten der Temperaturänderung (z.B., Rate oder Raten der Zunahme). Beispielsweise kann vorhergesagt werden, das die Batterieanordnungstemperatur die kritische Temperatur zu einem zukünftigen Zeitpunkt überschreiten wird, wenn die Rate der Änderung der Batterieanordnungstemperatur eine Ratenschwelle überschreitet.
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Das Ventil 84 kann durch Umschalten von einer geschlossenen Position in eine offene Position betätigt werden. Das Ventil 84 kann zwei Positionen (offen und geschlossen) aufweisen, oder kann ein variables Ventil sein, das in verschiedenen offenen Positionen betätigt werden kann. Beispielsweise kann ein variables Ventil gesteuert werden, um Kühlmittelströmung in das PCM 92 basierend auf Erwägungen zu regeln, wie beispielsweise der Art von PCM, Kühlmittelkanalgröße und Konfiguration, Rippenkonfiguration und/oder Kühlmitteldruckabfall.
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Bei Block 119 kann, nachdem die Manöver abgeschlossen sind, die Kühleinheit 52 von dem Fahrzeug entfernt werden.
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6 veranschaulicht ein Beispiel des Gebrauchs des modularen Wärmesteuerungssystems 50 in einer Hochleistungs-Rennsportsituation und zeigt die Wärmemanagementfähigkeiten davon. In diesem Beispiel durchfuhr ein Fahrzeug eine Anzahl von Runden auf einer Rennstrecke unter Verwendung unterschiedlicher Kühlsysteme und die RESS-Temperatur des Fahrzeugs wurde überwacht. Die Temperaturleistung jedes Systems wird durch eine graphische Darstellung 130 der RESS-Temperatur als eine Funktion der Zeit dargestellt.
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Kurve 132 stellt die RESS-Temperatur lediglich unter Verwendung der Basis-Wärmemanagementfähigkeit des Fahrzeugs ohne Batterie-Herunterregelung dar. Kurve 134 stellt die Temperatur dar, wenn die RESS-Batterien heruntergeregelt wurde, um das RESS unterhalb der kritischen Temperatur aufrechtzuerhalten. Kurve 136 stellt die Temperatur dar, wenn das modulare Wärmesteuerungssystem 50 verwendet wurde. Wie gezeigt, war die modulare Wärmesteuerungssystem imstande, das RESS wirksam unterhalb der kritischen Temperatur aufrechtzuerhalten, ohne Leistung zu beeinflussen.
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Während die obige Offenbarung bezüglich beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird durch die Fachleute auf dem Gebiet erkannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und deren Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Schutzumfang abzuweichen. Deshalb ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen umfasst, die in ihren Schutzumfang fallen.
