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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Ladestrategie
zum Laden eines Fahrzeugenergiespeichers.
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Bei
Fahrzeugen mit Energiespeichern wird dieser während des
Betriebs durch verschiedene Systeme wieder aufgeladen, um den Energiespeicher
immer möglichst vollgeladen zur Verfügung zu haben.
Bekannt sind darüber hinaus Systeme, welche den Energiespeicher
nur bis zu einem fest eingestellten Ladezustand laden, um die zusätzliche
Aufnahme von Rekuperationsenergie bereitzuhalten.
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Die
DE 10 2007 019 065
A1 beschreibt ein Verfahren und ein System, bei der das
Laden einer Batterie über einen ladespezifischen Kraftstoffverbrauchswert
bestimmt wird. Dieser setzt sich aus der aktuellen Geschwindigkeit
des Fahrzeugs, des Ladezustands der Batterie und einem Maschinenwirkungsgrad
zusammen. Daraus wird anschließend ermittelt, wann die
Batterie am effizientesten aktiv geladen werden kann.
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Die
DE 600 33 861 T2 beschreibt
ein System zur Verwaltung der elektrischen Energie eines Parallelhybridfahrzeugs,
bei welchem in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Ist-Ladezustand
und dem Ladestrom die Spannung bestimmt wird, mit welcher die Batterie
geladen wird.
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Bei
den erwähnten Schriften werden zwar verschiedene Ladestrategien
beschrieben, nachteilig ist aber, dass sich aufgrund der verwendeten
Kriterien keine an ein Fahrprofil angepassten Ladestrategien für
den Fahrzeugenergiespeicher ergeben, da die verwendeten Kriterien
für eindeutige Fahrzeugeinsatzprofile, welche sich aus
direkt vorangegangenen Kriterien ergeben, nicht ausreichend sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein Verfahren zur Bestimmung einer Ladestrategie
zum Laden eines Fahrzeugenergiespeichers vorzuschlagen, bei dem
in Bezug auf das Fahrzeugeinsatzprofil optimale Ladevorgänge
erreicht werden und bei dem eine verbesserte Nutzung der eingesetzten
Energie im Fahrzeug und eine daraus resultierende Kraftstoffeinsparung
erreicht werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung
einer Ladestrategie zum Laden eines Fahrzeugenergiespeichers wird
im Betrieb grundsätzlich mit einer Basisladestrategie geladen.
Darüber hinaus können zwei weitere Ladestrategien
gewählt werden, wenn Kriterien für die Wahl einer
der beiden weiteren Ladestrategien erfüllt sind und es wird
solange diese Ladestrategie gewählt, wie die Kriterien
hierfür erfüllt sind. Somit ergibt sich immer ein
für das Fahrzeugeinsatzprofil am besten geeigneter Ladevorgang.
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Hierbei
weisen die Basisladestrategie und die beiden weiteren Ladestrategien
unterschiedliche gewünschte maximale Ladezustände
des Fahrzeugenergiespeichers auf.
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Bei
einer ersten weiteren Ladestrategie, welche bevorzugt dem Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr"
zugeordnet wird, beträgt der maximale gewünschte
Ladezustand des Fahrzeugenergiespeichers bevorzugt 80%. Bei diesem
Ladezustand gewährleistet der Fahrzeugenergiespeicher durch den hohen
Ladezustand die Versorgung des Fahrzeugs, lässt aber dennoch
eine Reserve im Umfang von ca. 20% der Ladekapazität des
Fahrzeugenergiespeichers zur Aufnahme von rekuperativer Energie,
welche bei dem Einsatz im Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr"
damit ausreichend bemessen ist.
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Bei
einer zweiten weiteren Ladestrategie weist diese einen maximalen
gewünschten Ladezustand zwischen 70 und 75% auf, wobei
dieser bevorzugt 70% beträgt. Diese Ladestrategie wird
bevorzugt dem Fahrzeugeinsatzprofil „Autobahnfahrt" zugeordnet.
Hierbei kann der Fahrzeugenergiespeicher mit einem hohen Wirkungsgrad
geladen werden und bietet mit einer Reserve von 30% des Fahrzeugenergiespeichers
genügend freie Speicherkapazität für die
in diesem Fahrzeugeinsatzprofil höhere erreichbare rekuperative
Energie.
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Als
Kriterien für die erste Ladestrategie werden die durchschnittliche
Geschwindigkeit des Fahrzeugs über eine vorangegangene
Fahrstrecke, welche kleiner oder gleich einer ersten Grenzgeschwindigkeit
ist, die Anzahl von Fahrstopps innerhalb eines vergangenen Zeitraums,
welche größer als eine erste Grenzanzahl sind,
und die aktuelle Energieabgabe des Fahrzeugenergiespeicher, welche
größer als eine Grenzenergieabgabe ist, alternativ
oder in beliebiger Kombination verwendet. Aufgrund der verschiedenen
Kriterien lässt sich ein eindeutiges Fahrzeugeinsatzprofil
bestimmen und dementsprechend eine optimale Ladestrategie für
den Fahrzeugenergiespeicher.
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Bei
der zweiten Ladestrategie werden die durchschnittliche Geschwindigkeit
des Fahrzeugs über eine vorangegangene Fahrstrecke, welche
größer als eine zweite Grenzgeschwindigkeit ist,
die aktuelle Temperatur des Fahrzeugenergiespeichers, welche größer
als eine Grenztemperatur ist, und die Anzahl von Fahrstopps innerhalb
eines vergangenen Zeitraums, welche kleiner oder gleich einer zweiten Grenzanzahl
sind, alternativ oder in beliebiger Kombination verwendet. Auch
hieraus ergibt sich wegen der verschiedenen Kriterien ein eindeutiges
Fahrzeugeinsatzprofil und dementsprechend eine optimale Ladestrategie
für den Fahrzeugenergiespeicher.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Verfahren bei elektrischen Fahrzeugenergiespeichern angewandt. Dabei
kann der Fahrzeugenergiespeicher ein beliebiger elektrischer Energiespeicher
sein, der sowohl in den verschiedensten Fahrzeugarten als auch in
verschiedensten Ausführungsformen zum Einsatz kommt.
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Um
ein aussagekräftiges und zuverlässiges Kriterium
für die durchschnittliche Geschwindigkeit einer vorangegangenen
Fahrstrecke zu erhalten, ist es vorteilhaft für diese die
letzten 200 gefahrenen Kilometer zu nehmen. Besonders vorteilhaft
gegenüber Verfahren, welche nur die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit
als Kriterium verwenden, ist hierbei, dass über diese relativ
große Fahrstrecke sich eindeutig sagen lässt,
ob ein Fahrzeug sich im Stadtverkehr oder auf der Autobahn befindet.
Kurze Strecken, welche nicht zu diesen Fahrzeugeinsatzprofilen passen,
beeinflussen die Wahl der Ladestrategie nicht und verfälschen
somit nicht das Kriterium zur Wahl der Strategie.
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Besonders
geeignet als erste Grenzgeschwindigkeit ist eine Geschwindigkeit
von 35 km/h. Ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der vorangegangenen
Fahrstrecke gleich oder fällt sie unter diesen Wert, so
lässt sich sagen, dass sich das Fahrzeug im Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr"
befindet.
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Ein
weiteres Kriterium ist die Anzahl der Fahrstopps innerhalb eines
bestimmten vergangenen Zeitraums, welche größer
als eine erste Grenzanzahl ist. Als Fahrstopp ist hier das Halten
eines Fahrzeuges gemeint, wobei die Geschwindigkeit hierbei gleich
Null ist. Besonders vorteilhaft zur Bestimmung einer Ladestrategie
ist es, als Kriterium die Fahrstopps zu ermitteln. Wenn ein Fahrzeug
häufig, bevorzugt öfter als 10-mal, innerhalb
eines vorangegangenen Zeitraums hält, ist dies ebenso ein
Kriterium dafür, dass sich das Fahrzeug im Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr"
befindet, oder in einem Zustand, bei dem viel Energie benötigt
wird und deshalb bereitgestellt werden sollte.
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Das
bevorzugte Zeitintervall hierfür beträgt eine
Stunde. In diesem Zeitraum kann eine aussagekräftige Information über
das Fahrzeugeinsatzprofil gewonnen werden.
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Eine
erfindungsgemäße Grenzenergieabgabe des elektrischen
Fahrzeugenergiespeichers beträgt 70 Ampere. Ist die aktuelle
Energieabgabe, z. B. durch einen hohen aktuellen Stromverbrauch,
größer als dieser Wert, ist dies ein weiteres
Kriterium für die Wahl der ersten Ladestrategie.
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Für
die Wahl einer zweiten Ladestrategie eignet sich besonders als Wert
für die zweite Grenzgeschwindigkeit einer vorangegangenen
Fahrstrecke, bevorzugt die letzten 200 Kilometer, eine Geschwindigkeit
von 36 km/h. Ist die durchschnittliche Geschwindigkeit größer
als diese Grenzgeschwindigkeit, lässt sich ebenso, äquivalent
zu der ersten Grenzgeschwindigkeit wie oben beschrieben, sagen, dass
sich das Fahrzeug in einem Betrieb befindet, welcher beispielhaft
bei Autobahnfahrten vorherrscht.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft als Grenztemperatur für die Fahrzeugenergiespeichertemperatur
eine Temperatur von 5°C zu wählen, da auch bei
niedrigen Außentemperaturen, die Temperatur des Fahrzeugenergiespeichers
bei z. B. Autobahnfahrten, größer der Grenztemperatur
ist. Somit ergibt sich wiederum ein vorteilhaftes Kriterium für
die Wahl der zweiten Ladestrategie.
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Ebenso
wird als Kriterium für die zweite Ladestrategie die Anzahl
der Fahrstopps innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls gewählt.
Hierbei ist für die Zeit, innerhalb der die Fahrstopps
aufgenommen werden, wieder bevorzugt eine Stunde zu sehen, und die
zweite Grenzanzahl beträgt hierfür 9. Ist die
Anzahl der Fahrstopps geringer als diese zweite Grenzanzahl, so
gilt dies ebenfalls als Kriterium für ein Fahrzeugeinsatzprofil,
welches dem bei Autobahnfahrten entspricht.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung
hervor. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
vereinfachtes Ablaufdiagramm einer Ausführungsform der
Erfindung für die Bestimmung einer Ladestrategie für
einen elektrischen Fahrzeugenergiespeicher.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel zur Bestimmung einer Ladestrategie
für einen elektrischen Fahrzeugenergiespeicher beschrieben,
dabei wird nur das Verfahren zur Bestimmung der Ladestrategie dargestellt.
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Ein
Fahrzeugenergiespeicher gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist eine elektrische Batterie. Während des Betriebs des
Fahrzeugs werden kontinuierlich verschiedene Kriterien geprüft.
Diese werden logisch miteinander verknüpft und mit den
daraus entstandenen Informationen ergeben sich Fahrzeugeinsatzprofile,
welche die Ladestrategien zum Laden der Batterie bestimmen. Es existieren
drei verschiedene Ladestrategien. In einer Basisladestrategie wird
die Batterie mit einer stabilen Ladespannung von vorzugsweise 14,3
V geladen. In einer ersten weiteren Ladestrategie wird die Batterie
mit einer möglichst hohen Spannung, einer möglichst
kurzen Ladezeit von maximal einer Stunde und einer maximalen Batterietemperatur
von ca. 30°C geladen. Diese Strategie wird gewählt,
wenn das Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr" aktiv ist,
d. h. die Kriterien für die erste Ladestrategie erfüllt
sind. In einer weiteren zweiten Ladestrategie wird die Batterie
mit wechselnden Spannungen geladen, dabei ist die Ladespannung beim
Bremsen hoch und beim Beschleunigen niedrig. Diese Ladestrategie
wird einem Fahrzeugeinsatzprofil „Autobahnfahrt" zugeordnet.
Die erste oder zweite Ladestrategie wird solange gewählt,
wie die Kriterien hierfür erfüllt sind. Ändern
sich die Kriterien für die zwei weiteren Ladestrategien,
so dass die Bedingungen für diese nicht mehr erfüllt
sind, wird in die Basisladestrategie zurückgegangen und
in dieser geblieben, bis wieder die Kriterien für eine
der zwei weiteren Ladestrategien erfüllt sind. Auch wenn
hier von den Fahrzeugeinsatzprofilen „Stadtverkehr" und „Autobahnfahrt"
gesprochen wird, stehen diese nur für typische Merkmale
dieser Profile. Diese Bezeichnungen dienen der Orientierung und
stellen nicht zwingend die Strategie dar.
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Ausgehend
von der Basisladestrategie, wie in 1 dargestellt,
werden im Betrieb des Fahrzeugs kontinuierlich die Werte der durchschnittlichen Geschwindigkeit
v über eine vorangegangene Fahrstrecke s, gemäß dem
Ausführungsbeispiel die letzten 200 gefahrenen Kilometer,
erfasst. Beträgt diese durchschnittliche Geschwindigkeit
weniger als die erste Grenzgeschwindigkeit v1 von
35 km/h oder ist sie gleich der ersten Grenzgeschwindigkeit v1, so ist dies ein erstes Kriterium für
die erste weitere Ladestrategie. Trifft nun der Fall ein, dass die
durchschnittliche Geschwindigkeit v der letzten 200 km kleiner oder
gleich v1 ist, so wird von der Basisladestrategie in
die erste Ladestrategie gewechselt. Dieses Kriterium kann alleine
zur Bestimmung der Ladestrategie herangezogen werden, da über
die relativ große zurückgelegte Fahrstrecke die
Durchschnittsgeschwindigkeit sehr genaue Aussagen darüber
zulässt, in welchem Fahrzeugeinsatzprofil sich das Fahrzeug befindet.
Da kurze Strecken, die mit hoher Geschwindigkeit gefahren werden, über
die große zurückgelegte Fahrstrecke sich kaum
auf die durchschnittliche Geschwindigkeit auswirken, ist die Bestimmung
des Fahrzeugeinsatzprofils und damit die Wahl der Ladestrategie
sehr genau möglich. Ist dies nicht der Fall wird weiter
die Basisladestrategie gewählt oder wie in 1 dargestellt,
die anderen Kriterien geprüft.
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Weiterhin
werden die Fahrstopps x des Fahrzeugs aufgenommen und mit einem
Grenzwert, der ersten Grenzanzahl x1, die
hier 10 ist, verglichen. Wenn das Fahrzeug innerhalb einer vorangegangenen
Zeit t, die hier einer Stunde entspricht, seine Geschwindigkeit öfter
als zehnmal auf 0 km/h verringert, ist dies ein weiteres Kriterium
dafür, dass das Fahrzeug sich im Fahrzeugeinsatzprofil „Stadtverkehr" befindet.
Aus diesem Grund reicht für die Bestimmung der Ladestrategie
für die Batterie dieses Kriterium alleine aus, um das Fahrzeugeinsatzprofil
festzulegen. Falls dies nicht zutrifft, wird weiterhin die Basisladestrategie
gewählt und die anderen Kriterien geprüft.
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Ein
weiteres Kriterium für die erste Ladestrategie ist ein
hoher aktueller Stromverbrauch. Steigt der Stromverbrauch A über
70 Ampere an, so wird die erste Ladestrategie gewählt.
Ist der aktuelle Stromverbrauch geringer als der Grenzwert A1, wird die Basisladestrategie gewählt
und die anderen Kriterien geprüft.
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Alternativ
kann ein weiteres Kriterium für die erste Ladestrategie
des Fahrzeugenergiespeichers eine hohe aktuelle Energieabgabe A
eines hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Speichers sein.
Hydraulische oder pneumatische Energiespeicher können z.
B. Druckbehälter sein, denen Energie zugeführt
werden kann, die diese Energie speichern, und die diese kontinuierlich
oder phasenweise abgeben können. Ebenso ist ein mechanischer Fahrzeugenergiespeicher
denkbar, wie z. B. ein Schwungrad oder sonstige mechanische Vorrichtungen,
die in der Lage sind, Energie aufzunehmen, zu speichern und diese
kontinuierlich oder phasenweise abzugeben.
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Treten
die vorher genannten Kriterien ein bzw. erfüllen diese
Kriterien die genannten Bedingungen, wird die erste Ladestrategie
gewählt und es erfolgt ein Laden der Batterie mit einer
möglichst hohen Spannung, einer schnellen Ladezeit von
maximal einer Stunde und einer maximalen Batterietemperatur von
ca. 30°C. In diesem Ausführungsbeispiel ist eines
der genannten Kriterien, mehr als 10 Fahrzeugstopps innerhalb einer
Stunde, durchschnittliche Geschwindigkeit der letzten 200 km kleiner
oder gleich 35 km/h und hoher aktueller Stromverbrauch größer
70 Ampere, ausreichend, damit die erste Ladestrategie gewählt
wird.
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Für
die zweite Ladestrategie werden die Kriterien UND verknüpft.
Dies gewährleistet eine zuverlässige und genaue
Aussage darüber, dass sich das Fahrzeug im Fahrzeugeinsatzprofil „Autobahnfahrt" befindet.
Treten die Kriterien ein, so wird die zweite Ladestrategie gewählt
und solange bei dieser verblieben, wie die Kriterien erfüllt
sind.
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Wie
in 1 dargestellt, ist ein erstes Kriterium für
die zweite Ladestrategie die durchschnittliche Geschwindigkeit v
einer vorangegangenen Fahrstrecke s, hier die letzten 200 gefahrenen
Kilometer. Ist dieser Wert v2 größer
als 36 km/h ist dies ein notwendiges Kriterium für die
Wahl der zweiten Ladestrategie. Ist die Geschwindigkeit geringer,
wird die Basisladestrategie gewählt und die anderen Kriterien geprüft,
bzw. in die erste Ladestrategie gewechselt. Aus diesem Wert kann, ähnlich
dem Kriterium für die erste Ladestrategie, eine Aussage
getroffen werden, in welchem Fahrzeugeinsatzprofil, hier das Fahrzeugeinsatzprofil „Autobahnfahrt",
sich das Fahrzeug befindet. Darüber hinaus beeinflussen
kurze Fahrten mit einer geringen Geschwindigkeit kaum dieses Kriterium.
Anschließend, wobei die Reihenfolge der Überprüfung
der Kriterien auch anders erfolgen kann, somit z. B. auch parallel,
wird als weiteres notwendiges Kriterium die Anzahl der Fahrstopps
x innerhalb der letzten gefahrenen Stunde t geprüft. Ist diese
Anzahl kleiner oder gleich einer Grenzanzahl x2,
hier 9, und ist darüber hinaus, als weiteres notwendiges
Kriterium, die Temperatur der Fahrzeugbatterie T größer
als eine Grenztemperatur T1 gleich 5°C,
so wird die zweite Ladestrategie gewählt und die Batterie
mit wechselnden Spannungen, bei Bremsvorgängen mit hohen
Spannungen und beim Beschleunigen mit niedrigen Spannungen geladen. Eine
Batterietemperatur größer 5°C tritt bei
dem Fahrzeugeinsatzprofil „Autobahnfahrt" für
die zweite Ladestrategie auch bei geringen Außentemperaturen auf,
da sich in diesem Profil durch die wechselnden Spannungen die Batterie
erwärmt. Erfüllen diese Kriterien die erforderlichen
Bedingungen nicht, so wird die Basisladestrategie gewählt
und die weiteren Kriterien geprüft.
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Die
hier dargestellten Verfahrensschritte für die erste und
die zweite Ladestrategie können auch in einer anderen Reihenfolge
erfolgen. Durch die Bestimmung dieser Ladestrategien und deren Ladezustände
ergibt sich für einen Fahrzeugenergiespeicher, in diesem
Fall eine Fahrzeugbatterie, eine verbesserte Energieausnutzung und
Energieverwaltung. Bei einem verbesserten Energiemanagement wird
auch der Kraftstoffverbrauch wesentlich reduziert.
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Alternativ
sind auch Fahrzeugenergiespeicher, welche die Energie hydraulisch,
pneumatisch oder mechanisch speichern, eine Ausführung
der Erfindung. Wie bei der ersten Ladestrategie dargelegt, können
andere Energiespeicher Druckbehälter, Schwungräder
und sonstige Vorrichtungen sein. Wichtig ist, dass diese Energiespeicher
in der Lage sind, Energie aufzunehmen, diese auch über
einen längeren Zeitraum zu speichern, und diese kontinuierlich
oder phasenweise abzugeben.
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Ein
elektrischer Fahrzeugenergiespeicher kann sowohl eine gewöhnliche
Autobatterie als auch eine Batterie für den Einsatz in
einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug sein. Genauso ist es möglich,
dieses Verfahren für Speichersysteme in Lastkraftwägen und
Transportfahrzeugen einzusetzen. Ebenso können mehrere
Energiespeicher in einem Fahrzeug mit diesem Verfahren gesteuert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007019065
A1 [0003]
- - DE 60033861 T2 [0004]