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Die
Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Kraftfahrzeug und ein
Verfahren zum Steuern eines solchen Energiespeichersystems.
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Die
Energieversorgung von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wird
bisher zumindest mit einer Bleibatterie als Teil des Energiespeichersystems
realisiert. Solche Energiespeichersysteme mit zumindest einer Bleibatterie
sind aus den Druckschriften
EP
0 876 554 31 und
EP
1 360 090 31 bekannt. Energiespeichersysteme mit einer
Bleibatterie verursachen eine Vielzahl von Problemen und Nachteilen,
insbesondere hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, ihrer Umweltverträglichkeit,
ihrem Gewicht oder auch ihrer Größe. Im Folgenden
sollen diese Probleme und Nachteile der bekannten Energiespeichersysteme
mit zumindest einer Bleibatterie dargestellt werden.
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Um
dem Kundenwunsch nach möglichst
hoher Zuverlässigkeit
nachzukommen, bemühen
sich die Automobilhersteller um eine Erhöhung der Ausfallsicherheit
aller Fahrzeugkomponenten. Gemäß einer
Statistik des Autoclub Europas aus dem Jahr 2005 ist ein Defekt
an der Autobatterie mit 24,75 % die häufigste Ursache von PKW-Pannen
in Deutschland. Die hohe Ausfallrate einer Blei-Säure-Batterie ist
durch ihre physikalischen Eigenschaften begründet. Die Blei-Säure-Batterie,
wie jedes Energiespeichersystem im Kraftfahrzeug, ist hohen elektrischen und
thermischen Belastungen ausgesetzt, welche sich insbesondere bei
der Blei-Säure-Batterie
negativ auf ihre Kapazität
und somit auf ihre Lebensdauer auswirken. Die durchschnittliche
Lebensdauer einer Autobatterie beträgt zum Anmeldetag der vorliegenden
Patentanmeldung drei bis vier Jahre, während für das Kraftfahrzeug herkömmlicherweise
eine zehnjährige
Nutzung im Mittel veranschlagt wird. Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder
nach einer langen Standzeit des Kraftfahrzeuges können ältere oder
teil-entladene Batterien nicht mehr die zum Motorstart notwendige
Energie liefern.
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Hinsichtlich
der Umweltverträglichkeit
einer Blei-Batterie sei angeführt,
dass das gesteigerte Umweltbewusstsein der Bevölkerung zu dem Kundenwunsch
nach Verwendung von umweltfreundlicheren Materialien führt. Die
Verwendung von umweltbelastenden Stoffen wie Blei wird außerdem durch
den Gesetzgeber immer stärker
restriktiert. So verbietet die RoHS-Richtlinie der Europäischen Union unter anderem
die Verwendung von Blei in Elektro- und Elektronikgeräten ab dem
1. Juli 2006. Obwohl Geräte
für den
Einsatz im Automobil hiervon bislang ausgenommen sind, wird auch
in diesem Bereich langfristig ein Verzicht auf bleihaltige Komponenten
angestrebt. Dabei rückt
in den Vordergrund, dass die Autobatterie der mit Abstand bleihaltigste
Teil eines Kraftfahrzeuges ist.
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Außerdem besitzt
eine Bleibatterie infolge ihrer Größe und ihres Gewichtes Nachteile
hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches. Außerdem ist die Bleibatterie
unvorteilhaft, da sie eine geringe Energiedichte bezüglich ihres
Gewichtes und ihres Volumens oder aufweist.
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Eine
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher
darin, die Zuverlässigkeit
eines Energiespeichersystems für
ein Kraftfahrzeug zu erhöhen.
Dabei soll eine erhöhte
Zuverlässigkeit
des Energiespeichersystems längere Standzeiten
des Kraftfahrzeuges und/oder eine erhöhte Lebensdauer des Energiespeichersystems und/oder
eine ausreichende Energieversorgung einer Vielzahl von Verbrauchern
des Kraftfahrzeuges im Aus-Zustand des Verbrennungsmotors für eine längere Zeitdauer
und/oder eine erhöhte
Verkehrssicherheit beispielsweise durch einen energiesichereren
und insbesondere längeren
Einsatz der Warnblinkanlage des Kraftfahrzeuges beinhalten.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, ein zuverlässigeres und umweltfreundlicheres
Energiespeichersystem für
ein Kraftfahrzeug zu schaffen.
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Des
Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gewichtreduziertes
und insbesondere kleineres, zuverlässigeres Energiespeichersystem
für ein
Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird zumindest
eine der gestellten Aufgaben durch ein Energiespeichersystem mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren
zum Steuern eines Energiespeichersystems mit den Merkmalen des Patentanspruches
8 gelöst.
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Demnach
wird ein Energiespeichersystem für
ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das aufweist:
- a)
eine erste bleifreien Energiespeichereinrichtung, welche eine Energiedichte
von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von zumindest 40 Wh/kg, besonders
bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung eines
Bordnetzes des Kraftfahrzeuges aufweist;
- b) eine zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung, welche
eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest 1000 W einem
Startermotor zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges
für eine
vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet
ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre
Lebensdauer im Wesentlichen beibehält; und
- c) eine Steuervorrichtung, welche in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors
die erste Energiespeichereinrichtung oder eine weitere Energieversorgungseinrichtung
derart steuert, dass diese die zweite Energiespeichereinrichtung
lädt, so
dass die zweite Energiespeichereinrichtung zumindest einen vorbestimmten
Ladezustand aufweist, und in einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors
den Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder den
Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung überwacht
und abhängig
davon ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder der zweiten
Energiespeichereinrichtung steuert.
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Des
Weiteren wird ein Verfahren zum Steuern eines Energiespeichersystems
für ein
Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) Bereitstellen einer ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung,
welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt 40 Wh/kg, besonders
bevorzugt 100 Wh/kg, für
eine Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeuges aufweist;
- b) Bereitstellen einer zweiten bleifreien Energiespeichereinrichtung,
welche eine vorbestimmte Leistung von zumindest 1000 W einem Startermotor
zum Starten eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges für eine vorbestimmte
Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart ausgestaltet ist, dass
sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre
Lebensdauer im Wesentlichen beibehält; und
- c) Steuern der ersten Energiespeichereinrichtung oder einer
weiteren Energieversorgungseinrichtung in einem Aus-Zustand des
Verbrennungsmotors derart, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung
zumindest einen vorbestimmten Ladezustand aufweist, und Überwachen
des Ladezustands der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder
des Ladezustandes der zweiten Energiespeichereinrichtung in einem
Ein-Zustand des Verbrennungsmotors und abhängig von dem Überwachen
Steuern eines Ladens der ersten Energiespeichereinrichtung und/oder
der zweiten Energiespeichereinrichtung.
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Vorteilhafterweise
ist die bleifreie erste Energiespeichereinrichtung hinsichtlich
ihrer Energiedichte derart ausgestaltet, dass sie dazu geeignet
ist, das Bordnetz des Kraftfahrzeuges für einen zumindest so langen
oder einen längeren
Zeitraum wie eine herkömmlich
verwendete Bleibatterie mit Energie zu versorgen. Des Weiteren kann
vorteilhafterweise die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung
zur Bereitstellung hoher Leistungen, insbesondere für den Motorstart
verwendet werden. Die Energieverteilung zwischen der ersten Energiespeichereinrichtung
und der zweiten Energiespeichereinrichtung wird durch die Steuervorrichtung
gesteuert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass das erfindungsgemäße Energiespeichersystem
mit der ersten bleifreien Energiespeichereinrichtung und der zweiten
bleifreien Energiespeichereinrichtung vollständig auf Blei verzichtet und
somit deutlich umweltverträglicher
als Energiespeichersysteme mit zumindest einer Bleibatterie ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der vorbestimmte Ladezustand
der zweiten Energiespeichereinrichtung zum Starten des Verbrennungsmotors
geeignet. Außerdem
ist die zweite Energiespeichereinrichtung derart ausgestaltet, dass
sie eine große
Hochstromfestigkeit von beispielsweise 750A besitzt und in einem
großen
Temperaturbereich von –20°C bis +60°C arbeiten
kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Energiespeichereinrichtung
als eine Doppelschichtkondensatoreinheit mit einer Kapazität von 300
F ausgebildet, welche insbesondere als eine Serienschaltung von
sechs Doppelschichtkondensatoren mit einer Kapazität von jeweils
1800 F ausgebildet ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Energiespeichereinrichtung
als eine Parallelschaltung von drei NiMH-Batterieeinheiten ausgebildet,
wobei eine NiMH-Batterieeinheit eine
Serienschaltung von elf NiMH-Batterien ist, die jeweils eine Spannung
von 1,2 V und eine Kapazität von
15 Ah haben, wobei die NiMH-Batterie insbesondere ein Gewicht von
250 g und eine Abmessung von 88,8 mm·32,5 mm hat.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Energiespeichereinrichtung
als eine Serienschaltung von drei Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet
ist, die jeweils eine Spannung von 4,2 V bereitstellen und eine
Kapazität
von 45 AH haben, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie insbesondere
ein Gewicht von 1007 g und eine Abmessung von 222 mm·54,3 mm
aufweist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die weitere Energieversorgungseinrichtung
als ein Thermogenerator, insbesondere als ein Peltier-Element, oder
als eine Brennstoffzelle, insbesondere als eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Energieversorgungseinrichtung
eine Leistungsdichte von zumindest 2000 W/kg auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems;
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2 ein
schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems;
und
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3 ein
schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente
und Einrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 für ein Kraftfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 1 weist
eine erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2, eine
zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 und eine
Steuervorrichtung 6 auf.
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Die
zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 ist derart
ausgestaltet, dass sie eine vorbestimmte Leistung von zumindest
1000 W einem Startermotor 5 zum Starten eines Verbrennungsmotors des
Kraftfahrzeuges für
eine bestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt. Des Weiteren
ist die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 derart
ausgestaltet, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesentlichen
beibehält.
Das bedeutet, dass die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 im
Gegensatz zu einer Bleibatterie im Wesentlichen keiner Hysterese
einer Alterung unterliegt und somit ihre Funktionsfähigkeit über ihre
Lebensdauer beibehalten kann.
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Die
erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 weist eine
Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg bevorzugt von zumindest 40
Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg, für eine Energieversorgung
eines Bordnetzes 3 des Kraftfahrzeuges auf. Die erste Energiespeichereinrichtung 2 ist
beispielsweise als eine Parallelschaltung von drei NiMH-Batterieeinheiten
ausgebildet, wobei eine NiMH-Batterieeinheit eine Serienschaltung
von elf NiMH-Batterien ist. Eine NiMH-Batterie stellt insbesondere
eine Spannung von 1,2 V bereit und hat eine Kapazität von 15
Ah. Die NiMH-Batterie hat außerdem
insbesondere ein Gewicht von 250 g und eine Abmessung als Rundzelle
von 88,8 mm·32,5 mm.
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Ein
weiteres Beispiel für
die Energiespeichereinrichtung 2 ist eine Serienschaltung
von drei Lithium-Ionen-Batterien, die jeweils eine Spannung von 4,2
V bereitstellen und eine Kapazität
von 45 Ah haben, wobei eine Lithium-Ionen-Batterie als Rundzelle insbesondere
ein Gewicht von 1007 g und eine Abmessung von 222 mm·54,3 mm
aufweist.
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Der
vorbestimmte Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 ist
insbesondere zum Starten des Verbrennungsmotors geeignet. Dabei weist
die zweite Energieversorgungseinrichtung 4 vorzugsweise
eine Leistungsdichte von zumindest 1000 W/kg auf.
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Beispielsweise
ist die zweite Energiespeichereinrichtung 4 als eine Doppelschichtkondensatoreinheit
mit einer Kapazität
von 300 F ausgebildet, welche insbesondere als eine Serienschaltung
von sechs Doppelschichtkondensatoren mit einer Kapazität von jeweils
1800 F ausgebildet ist.
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Gemäß der Ausführungsbeispiele
der 1 und 2 steuert die Steuervorrichtung 6 die
erste Energiespeichereinrichtung 2 mittels des Steuersignals
S1 derart, dass die erste Energiespeichereinrichtung 2 die
zweite Energiespeichereinrichtung 4 lädt, so dass die zweite Energiespeichereinrichtung 4 zumindest
den vorbestimmten Ladezustand aufweist. Außerdem überwacht die Steuervorrichtung 6 in
einem Ein-Zustand des Verbrennungsmotors den Ladezustand der ersten
Energiespeichereinrichtung 2 mittels eines Ladezustandsignals
LZ1 und/oder den Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 mittels
eines Ladezustandsignals LZ2 und steuert abhängig von dem ersten Ladezustandsignal LZ1
und/oder dem zweiten Ladezustandsignal LZ2 das Laden der ersten
Energiespeichereinrichtung 2 und/oder der zweiten Energiespeichereinrichtung 4.
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Des
Weiteren kann die Steuervorrichtung 6 auch einen Generator 8 oder
Lichtmaschine derart steuern, dass der Generator 8 die
erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 und/oder das
Bordnetz 3 mittels der Leitung L8 und/oder die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 mittels
der Leitung L9 steuert. Den Ladezustand des Generators 8 kann
die Steuervorrichtung 6 mittels des dritten Ladezustandsignals
LZ3 überwachen.
Zum Starten des Verbrennungsmotors stellt die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 dem
Startermotor 5 die dafür
notwendige Energie mittels der Leitung L3 bereit.
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In
Abhängigkeit
des zweiten Ladezustandsignals LZ2 kann die Steuervorrichtung 6 auch
die zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 mittels des
zweiten Steuersignals S2 derart steuern, dass die zweite bleifreie
Energiespeichereinrichtung 4 die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 mittels der
Leitung L2 lädt.
Außerdem
kann die Steuervorrichtung 6 in Abhängigkeit der Ladezustandsignale LZ1
und LZ2 die erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 auch
derart steuern, dass diese den Startermotor 5 mittels der
Leitung L4 mit Energie versorgt. Des Weiteren ist die zweite Energieversorgungseinrichtung 4 durch
die Steuervorrichtung 6 auch derart steuerbar, dass sie
das Bordnetz 3 des Kraftfahrzeuges mittels der Leitung
L5 mit Energie versorgt. Ferner ist die erste Energiespeichereinrichtung 2 durch
die Steuervorrichtung 6 derart steuerbar, dass sie im Aus-Zustand
das Bordnetz 3 mittels der Leitung L6 mit Energie versorgt.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
des Energiespeichersystems 1 gemäß 2 unterscheidet sich
von dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 dahingehend,
dass die zweite Energiespeichereinrichtung 4 auch im Ein-Zustand
des Verbrennungsmotors aus der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und
nicht dem Generator 8 geladen wird. Diese Energieversorgung
kann mittels der Leitung L11 durchgeführt werden.
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Sollte
die in der ersten Energiespeichereinrichtung 2 gespeicherte
Energie einen vorbestimmten Ladezustand überschreiten, so kann diese
mittels der Leitung L10 auch im eingeschalteten Zustand an das Bordnetz 3 abgeleitet
werden.
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3 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Steuern eines Energiespeichersystems 1 für ein Kraftfahrzeug. Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand
des Blockschaltbildes in 3 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren
weist folgende Verfahrensschritte a bis c auf:
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Verfahrensschritt a:
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Es
wird eine erste bleifreie Energiespeichereinrichtung 2 bereitgestellt,
welche eine Energiedichte von zumindest 30 Wh/kg, bevorzugt von
zumindest 40 Wh/kg, besonders bevorzugt von zumindest 100 Wh/kg,
für eine
Energieversorgung eines Bordnetzes 3 eines Kraftfahrzeuges
aufweist.
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Verfahrensschritt b:
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Es
wird eine zweite bleifreie Energiespeichereinrichtung 4 bereitgestellt,
welche eine vorbestimmte Leistung insbesondere von zumindest 1000 W/kg
einem Startermotor 5 zum Starten eines Verbrennungsmotors
des Kraftfahrzeuges für
eine vorbestimmte Anzahl von Startzyklen bereitstellt und derart
ausgestaltet ist, dass sie ihre Funktionsfähigkeit über ihre Lebensdauer im Wesentlichen
beibehält.
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Verfahrensschritt c:
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Die
erste Energiespeichereinrichtung 2 oder eine weitere Energieversorgungseinrichtung
wird in einem Aus-Zustand des Verbrennungsmotors derart gesteuert,
so dass die zweite Energiespeichereinrichtung 4 zumindest
einen vorbestimmten Ladezustand aufweist. In einem Ein-Zustand des
Verbrennungsmotors wird der Ladezustand der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und/oder
der Ladezustand der zweiten Energiespeichereinrichtung 4 überwacht und
abhängig
von dem Überwachen
wird ein Laden der ersten Energiespeichereinrichtung 2 und/oder der
zweiten Energiespeichereinrichtung 4 gesteuert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Beispielsweise sind die in 1 und 2 dargestellten
Leitungen nur beispielhaft.