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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, aufweisend ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug und aufweisend eine Einrichtung zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Wechsels eines Kühlfluids. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Wechsels eines Kühlfluids bei einem elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeug.
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Bei elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist es notwendig, Hochvoltkomponenten, wie beispielsweise eine oder mehrere elektrische Antriebsmaschinen, Batteriesysteme, Batteriezellen oder Hochvolt-Anschlusskomponenten, im Betrieb des Elektrofahrzeugs und/oder beim Laden des Elektrofahrzeugs zu kühlen. In der Regel werden dafür Kühlsysteme eingesetzt, wobei das Kühlsystem einen Kühlkreislauf aufweist, wobei in dem Kühlkreislauf ein Kühlmedium zirkuliert. Zwecks Zirkulierens werden meist Pumpen eingesetzt. In der Regel umfasst das Kühlsystem einen Wärmetauscher zum Kühlen des durch die zu kühlenden Hochvoltkomponenten erwärmten Kühlfluids.
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Der Einsatz eines dielektrischen Fluids, auch als Thermoisolationsfluid bezeichnet, als Kühlfluid in dem Kühlkreislauf hat den Vorteil, dass eine direkte Kühlung der Hochvoltkomponenten möglich ist, ohne dass es zu elektrischen Kurzschlüssen kommt. Unter einer direkten Kühlung wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die zu kühlenden Hochvoltkomponente unmittelbar mit dem Kühlfluid beaufschlagt wird. Da das Kühlfluid dielektrisch ist, kann das stromführende Bauteil direkt gekühlt werden, ohne dass eine elektrische Isolation zwischen dem stromführenden Bauteil der Hochvoltkomponente und dem Fluid notwendig ist. Mit einem dielektrischen Fluid kann dementsprechend eine besonders effiziente Kühlung der Hochvoltkomponente erfolgen.
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Die Verwendung eines dielektrischen Kühlfluids in einem Kühlkreislauf zum Kühlen einer elektrischen Maschine ist grundsätzlich aus der
DE 10 2019 117 893 B4 bekannt.
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Problematisch bei der Verwendung eines dielektrischen Fluids als Kühlfluid ist, dass mit der Zeit und abhängig von der Verwendung des Fahrzeugs das dielektrische Kühlfluid Wasser aus der Umgebung aufnimmt. Dieses Wasser erhöht die Leitfähigkeit des Kühlfluids, wodurch es zu einem Durchschlag der Spannung zwischen den mit dem Kühlfluid beaufschlagten Hochvoltkomponenten kommen kann. Bei einem Kühlsystem mit einem dielektrischen Kühlfluid ist daher in der Regel ein fixes Wechselintervall für das Kühlfluid vorgesehen. In der Regel wird dabei von einem Worst-Case-Ansatz ausgegangen, bei dem sich der Wassereintrag am ungünstigsten verhält. Somit sind die vorgesehenen Wechselintervalle relativ kurz bzw. mit einem großen Zeitpuffer bemessen, um eine maximale Betriebssicherheit des Fahrzeugs zu gewährleisten. In der Regel ist bei einer fixen Kilometerzahl ein Wechsel des Kühlfluids vorgesehen oder nach einer fixen Zeit ein Wechsel des Kühlfluids vorgesehen. Je nachdem, welches Ereignis zuerst eintritt, wird ein Wechsel des Kühlfluids vorgenommen.
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Nachteilig bei diesen fixen Wechselintervallen ist, dass ein Kühlfluidwechsel relativ häufig vorgenommen werden muss aufgrund des aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Worst-Case-Ansatz. Dies wirkt sich nachteilhaft auf die Unterhaltskosten des Fahrzeugs aus und führt zudem zu einer erhöhten Umweltbelastung, da das ausgewechselte Kühlfluid entsorgt oder aufgearbeitet werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Lösung des Problems wird ein System vorgeschlagen, wobei das System ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug und eine Einrichtung zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Wechsels eines Kühlfluids aufweist. Das Fahrzeug weist zumindest eine Hochvoltkomponente auf, wobei das Fahrzeug ein Kühlsystem zum Kühlen der Hochvoltkomponente aufweist, wobei das Kühlsystem einen Kühlkreislauf aufweist zum Kühlen der Hochvoltkomponente mittels des in dem Kühlkreislauf strömenden Kühlfluids, wobei das Kühlfluid die Hochvoltkomponente unmittelbar kontaktiert, wobei das Kühlfluid ein dielektrisches Fluid ist, wobei die Einrichtung dazu eingerichtet ist, einen Wassergehalt im Kühlfluid zu ermitteln und die Notwendigkeit eines Wechsels des Kühlfluids anhand des Wassergehalts im Kühlfluid zu bestimmen.
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Insofern wird vorgeschlagen, die Notwendigkeit eines Wechsels des Kühlfluids anhand des Wassergehalts im Kühlfluid flexibel zu bestimmen. Dadurch können höhere Laufleistungen zwischen den Kühlölwechselintervallen zurückgelegt werden, da die für den Wechsel des Kühlfluids kritische Größe ermittelt wird und zur Bestimmung der Notwendigkeit des Wechsels herangezogen wird.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Wassergehalt im Kühlfluid direkt gemessen wird, beispielsweise mittels einer Messung der Leitfähigkeit des Kühlfluids.
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Allerdings wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Einrichtung dazu eingerichtet ist, Parameter zu erfassen, wobei die Einrichtung dazu eingerichtet ist, unter Verwendung eines Algorithmus den Wassergehalt zu berechnen, wobei der Algorithmus den Einfluss der erfassten Parameter auf den Wassergehalt im Kühlfluid berücksichtigt. Dementsprechend wird der Wassergehalt nicht mittelbar oder unmittelbar, beispielsweise über die Leitfähigkeit, gemessen, sondern der Wassergehalt durch Erfassung von Parameter unter Verwendung des Algorithmus ermittelt bzw. abgeschätzt.
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Bei den Parametern kann es sich beispielsweise um die Umgebungstemperatur, die Temperatur der Hochvoltkomponente, die Luftfeuchtigkeit und das Lastkollektiv der Hochvoltkomponente handeln.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Berechnung des Wassergehalts unter Verwendung eines selbstlernenden Algorithmus erfolgt. Dabei ist es beispielsweise denkbar, dass bei einem Wechsel des Kühlfluids der tatsächliche Wassergehalt im Kühlfluid gemessen wird und mit dem mittels des Algorithmus berechneten Wert des Wassergehalts verglichen wird.
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Bei den Parametern kann es sich beispielsweise um solche handeln, die das Kraftfahrzeug oder Komponenten des Kraftfahrzeugs betreffen. Diese werden nachfolgend als kraftfahrzeuginterne Parameter bezeichnet. Beispielsweise kann es sich bei den kraftfahrzeuginterne Parametern um einen oder mehrere der folgenden Parameter handeln:
- - Lastkollektiv der Hochvoltkomponente,
- - Temperatur der Hochvoltkomponente,
- - Temperatur des Kühlfluids,
- - Druck des Kühlfluids,
- - Wasserbeladung eines Wasseradsorbers des Kühlsystems,
- - Luftvolumenänderung in einem Ausgleichsbehälter des Kühlsystems,
- - Lufttemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit der Luft in einem Ausgleichsbehälter des Kühlsystems.
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Die Parameter können durchaus zeitliche Entwicklungen der vorgenannten Parameter betreffen.
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Der Vorteil bei der Verwendung von kraftfahrzeuginternen Parametern liegt darin, dass derartige Parameter in der Regel auch für andere Zwecke verwendet und erfasst werden, sodass keine zusätzlichen Sensoren oder Messeinrichtungen zum Zweck der Erfassung des Wassergehalts im Kühlfluid integriert werden müssen.
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Bei den Parametern kann es sich aber auch um solche handeln, die kraftfahrzeugexterne Parameter betreffen. Bei den kraftfahrzeugexternen Parametern kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere der folgenden Parameter handeln:
- - Temperatur von externen Wärmequellen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Strahlungswärme vom Asphalt,
- - Witterung,
- - relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft,
- - Umgebungstemperatur,
- - Umgebungsluftdruck.
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Die Parameter können durchaus zeitliche Entwicklungen der vorgenannten Parameter betreffen.
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Die Erfassung der Witterung kann beispielsweise über bereits vorhandene Sensoren zur Detektion von Niederschlag bzw. Wasserdurchfahrt, wie beispielsweise einen Regensensor der Wischanlage oder eine Aquaplaning-Sensorik erfolgen.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter zur Aufnahme von expandiertem Kühlfluid aus dem Kühlkreislauf aufweist, wobei der Ausgleichsbehälter eine Luftaustauscheinrichtung, beispielsweise ein Entlüftungsventil bzw. Druckausgleichselement, aufweist, die einen Luftaustausch mit der Umgebung ermöglicht, wobei der Algorithmus ein Volumen der über die Luftaustauscheinrichtung einströmenden und ausströmenden Luft bei der Berechnung des Wassergehalts im Kühlfluid berücksichtigt.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Einrichtung zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Wechsels eines Kühlfluids eine Recheneinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Algorithmus auszuführen. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Recheneinheit ein Bestandteil einer Steuereinheit (Electronic Control Unit (EDU)) ist oder die Steuereinrichtung die Recheneinheit bildet.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Einrichtung integraler Bestandteil des Fahrzeugs ist.
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Es ist aber auch durchaus denkbar, dass das System ein fahrzeugexternes Backend-System umfasst zur Ausführung des Algorithmus. Insofern ist das Backend-System kein Bestandteil des Fahrzeugs. Das Backend-System kann beispielsweise durch einen externen Server gebildet sein. Vorzugsweise werden die von dem Fahrzeug erfassten Daten drahtlos an das Backend-System übertragen, beispielsweise über ein Mobilfunknetz.
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Bei der Hochvoltkomponente kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie, ein Batteriemodul oder eine Batteriezelle handeln. Bei der Hochvoltkomponente kann es sich auch durchaus um einen elektrischen Anschluss oder eine Stromschiene handeln. Auch ein elektrischer Antrieb oder Teile des elektrischen Antriebs kann die Hochvoltkomponente bilden.
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Vorzugsweise ist ein stromführender Bereich der Hochvoltkomponente frei von einer Isolation und ist in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlfluid. Vorzugsweise besteht der stromführender Bereich der Hochvoltkomponente aus einem Metall oder einer Metalllegierung.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Ermitteln der Notwendigkeit eines Wechsels eines Kühlfluids bei einem elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeug, wobei das Fahrzeug zumindest eine Hochvoltkomponente aufweist, wobei das Fahrzeug ein Kühlsystem zum Kühlen der einen oder mehreren Hochvoltkomponenten aufweist, wobei das Kühlsystem einen Kühlkreislauf zum Kühlen der einen oder mehreren Hochvoltkomponenten mittels des in den Kühlkreislauf strömenden Kühlfluids aufweist, wobei das Kühlfluid die zu kühlende Hochvoltkomponente unmittelbar kontaktiert, wobei das Kühlfluid ein dielektrisches Fluid ist, wobei die Notwendigkeit des Wechsels des Kühlfluids anhand eines Wassergehalts im Kühlfluid bestimmt wird.
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In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug in einer Seitenansicht,
- 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Einflusses unterschiedlicher Störgrößen auf den Wassergehalt im Thermoisolationsfluid.
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Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das als Personenkraftwagen ausgebildet ist. Bei dem Kraftfahrzeug 1 handelt es sich um ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 mit elektrischen Antrieben 2, die von einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, nämlich einer Traktionsbatterie 3 in Unterfluranordnung, mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Traktionsbatterie 3 und die elektrischen Antriebe 2 bilden Hochvoltkomponenten 2, 3 des Kraftfahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 weist ferner ein Kühlsystem zum Kühlen der Hochvoltkomponenten 2, 3 auf. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf zum Kühlen der Hochvoltkomponenten 2, 3 mittels eines in dem Kühlkreislauf strömenden Kühlfluids. Das Kühlfluid kontaktiert dabei die Hochvoltkomponenten 2, 3 oder stromführende Teilbereiche der Hochvoltkomponenten 2, 3 unmittelbar, sodass die Hochvoltkomponenten 2, 3 durch das Kühlfluid direkt gekühlt werden. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses bzw. Stromflusses durch das Kühlfluid handelt es sich bei dem Kühlfluid um ein dielektrisches Fluid, vorliegend um ein Kühlöl. Um das Kühlfluid zu den Hochvoltkomponenten 2, 3 zu transportieren, weist das Kühlsystem mehrere Kühlleitungen 4 auf. Das Kühlsystem weist ferner einen im Bereich einer Fahrzeugfront ausgebildeten Wärmetauscher 5 und einen Ausgleichsbehälter 6 auf. Der Ausgleichsbehälter 6 dient zur Aufnahme von expandiertem Kühlöl aus dem Kühlkreislauf, wobei der Ausgleichsbehälter 6 eine Luftaustauscheinrichtung, beispielsweise in Form eines Lüftungsventils oder Druckausgleichselements, aufweist. Diese Luftaustauscheinrichtung ermöglicht einen Luftaustausch mit der Umgebung.
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Das Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Einrichtung 7, die dazu eingerichtet ist, einen Wassergehalt im Kühlöl zu ermitteln, und ferner dazu eingerichtet ist, die Notwendigkeit eines Wechsels des Kühlöls anhand des Wassergehalts im Kühlfluid zu bestimmen. Die Notwendigkeit eines Wechsels des Kühlfluids kann beispielsweise anhand eines fixen Wertes des Wassergehalts erfolgen, wobei bei Überschreitung dieses fixen Werts ein Wechsel des Kühlfluids notwendig ist. Dabei ist es denkbar, dass dem Führer des Kraftfahrzeugs 1 die Notwendigkeit des Wechsels des Kühlfluids auf einer Anzeige angezeigt wird. Es ist aber auch durchaus denkbar, die Notwendigkeit eines Wechsels des Kühlfluids an die Vertragswerkstatt zu übermitteln, sodass beim nächsten anstehenden Wartungstermin ein Wechsel des Kühlfluids erfolgt.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Fahrzeug 1 eine Sensoreinrichtung 8 aufweist, die den Wassergehalt im Kühlfluid erfasst, beispielsweise über die Messung einer elektrischen Leitfähigkeit des Kühlfluids.
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Zusätzlich oder alternativ können auch kraftfahrzeuginterne und/oder kraftfahrzeugexterne Parameter herangezogen werden, um den Wassergehalt im Kühlöl zu berechnen. Die Berechnung erfolgt dann vorzugsweise unter Verwendung eines Algorithmus, wobei die Parameter Eingangsgrößen für den Algorithmus bilden. Der Algorithmus berücksichtigt den Einfluss der erfassten Eingangsgrößen auf dem Wassergehalt im Kühlfluid. Dabei sind grundsätzlich eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter denkbar, die sowohl fahrzeuginterne als auch fahrzeugexterne Parameter umfassen können.
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Bei Verwendung eines Ausgleichsbehälters 6 wird davon ausgegangen, dass der größte Wassereintrag in das Kühlöl über den Ausgleichsbehälter 6 erfolgt, da dort das Kühlöl eine Grenzfläche mit wasserbeladener Luft aufweist. Als Parameter für den Algorithmus könnte ein Volumen der über die Luftaustauscheinrichtung einströmenden und ausströmenden Luft erfasst werden. Zu diesem Zweck könnte die Luftaustauscheinrichtung einen Sensor aufweisen, der ein Volumen der über die Luftaustauscheinrichtung einströmenden und ausströmenden Luft erfasst. Ferner könnte in dem Ausgleichsbehälter ein Feuchtigkeitssensor integriert sein, wobei der Feuchtigkeitssensor die Luftfeuchtigkeit der einströmenden und ausströmenden Luft erfasst. Das Volumen der ausgetauschten Luft und die Luftfeuchtigkeit der ausgetauschten Luft bilden dann entsprechende Eingangsparameter für den Algorithmus und ermöglichen die Berechnung bzw. Abschätzung des Wassereintrags in das Kühlöl über den Ausgleichsbehälter. Über den Wassereintrag lässt sich dann bei Kenntnis des Volumens des Kühlfluids bzw. der Menge des Kühlfluids der Wassergehalt im Kühlfluid berechnen.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Einrichtung 7 eine Recheneinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Algorithmus auszuführen.
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Es ist aber auch denkbar, dass der Algorithmus auf einem fahrzeugexternen Backend-System 9 ausgeführt wird, das dementsprechend kein Bestandteil des Fahrzeugs 1 ist.
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Um einen Datenaustausch zwischen dem Backend-System 9 und dem Fahrzeug 1 zu ermöglichen, weist das Fahrzeug 1 eine Kommunikationseinheit 10 auf, wobei zwischen dem Backend-System 9 und der Kommunikationseinheit 10 eine drahtlose Kommunikationsverbindung 11 herstellbar ist.
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Die 2 zeigt ein Diagramm, wobei in dem Diagramm der Einfluss unterschiedliche Störgrößen 12a, 12b, 12c, kraftfahrzeugexterne Parameter 13a, 13b und kraftfahrzeuginterne Parameter 14a, 14b, 14c, 14d, 14e 14f und deren Auswirkung auf die Zielgröße 15, nämlich den Wassergehalt des Kühlfluids, schematisch dargestellt sind.
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Die Störgröße 12a betrifft externe Wärmequellen, verursacht beispielsweise durch direkte Sonneneinstrahlung, Abwärme von z.B. Bremsen, Strahlungswärme vom Asphalt etc.
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Die Störgröße 12b betrifft die Witterung, verursacht beispielsweise durch Niederschlag oder eine Wasserdurchfahrt.
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Die Störgröße 12c betrifft das Nutzerverhalten. Das Nutzerverhalten betrifft beispielsweise die Fahrweise, beispielsweise starkes Beschleunigen des Fahrzeugs 1, die sich wiederum auf das Lastkollektiv an der Hochvoltkomponente 2, 3 auswirkt. Auch das Ladeverhalten, wie beispielsweise häufiges Schnellladen, führt zu einem hohen Lastkollektiv an der Hochvoltkomponente 2, 3.
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Der Parameter 13a betrifft die Temperatur der Umgebungsluft. Der Parameter 13b betrifft die relative Feuchte der Umgebungsluft. Der Parameter 14a betrifft die Luftvolumenänderung im Ausgleichsbehälter. Der Parameter 14b betrifft den Massestrom von Wasser in den Ausgleichsbehälter (AGB) 6 bzw. aus dem Ausgleichsbehälter 6 heraus. Der Massezustrom bzw. Masseabstrom von Wasser erfolgt über den Luftzustrom bzw. -abstrom der mit Wasser beladenen Luft. Der Parameter 14c betrifft die Wasserbeladung des Adsobers. Der Parameter 14d betrifft die Temperaturänderung des Thermoisolationsfluids. Der Parameter 14e betrifft die Temperatur des Thermoisolationsfluids. Der Parameter 14f betrifft den Wassergehalt im Luftvolumen des Ausgleichsbehälters 6.
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Die Störgrößen 12 beeinflussen die kraftfahrzeugexternen Parameter 13 und die kraftfahrzeuginterne Parameter 14 unmittelbar oder mittelbar. Die kraftfahrzeugexternen Parameter 13 und die kraftfahrzeuginterne Parameter 14 wiederum beeinflussen die Zielgröße 15, nämlich den Wassergehalt im Kühlfluid, unmittelbar oder mittelbar. Die Art des Einflusses ist durch ein Plus-Symbol (+) bzw. Minus-Symbol (-) in dem Diagramm kenntlich gemacht. Wenn ein Ansteigen/Absteigen der Einflussgröße zu einem Ansteigen/Absteigen der beeinflussten Größe führt, ist dies durch ein Plus-Symbol kenntlich gemacht. Wenn ein Ansteigen/Absteigen der Einflussgröße zu einem Absteigen/Ansteigen der beeinflussten Größe führt, ist dies durch ein Minus-Symbol kenntlich gemacht. Beispielsweise führt ein Anstieg des Wassergehalts im Luftvolumen des Ausgleichsbehälters 6 (Bezugszeichen 14f) zu einem Anstieg des Wassergehalts im Thermoisolationsfluid (Bezugszeichen 15).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- elektrische Antriebsmaschine
- 3
- Traktionsbatterie
- 4
- Kühlleitung
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Ausgleichsbehälter
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Sensor
- 9
- Backend-System
- 10
- Kommunikationselement
- 11
- Kommunikationsverbindung
- 12
- Störgröße
- 13
- kraftfahrzeugexterner Parameter
- 14
- kraftfahrzeuginterner Parameter
- 15
- Zielgröße
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019117893 B4 [0004]
