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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Stromstärke eines von einer Fahrzeugbatterie bereitgestellten elektrischen Stromes.
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In aktuellen Kraftfahrzeugen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, kommen Fahrzeugbatterien eine elementare Bedeutung zu. Sie versorgen die hochkomplexe Bordelektronik des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie und stellen somit die Funktionsfähigkeit einer Vielzahl elektronischer Fahrzeugkomponenten bereit. Zusätzlich kommen sie als Energiespeicher zur Bereitstellung der erforderlichen Antriebsenergie und Speicherung rückgewonnener Energie zum Einsatz.
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Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Fahrzeugs und der entsprechenden Funktionen gewährleisten zu können, ist es daher von besonderer Bedeutung einen aktuellen Ladungszustand bzw. eine verbleibende Kapazität der Fahrzeugbatterien sicher bestimmen zu können. Mittels eines intelligenten Energiemanagements des Fahrzeugs ist es momentan bereits möglich, im Falle eines abnehmenden Ladungszustandes der Fahrzeugbatterie einzelne Funktionen geringerer Priorität einzuschränken, um eine ausreichende Menge elektrischer Energie für wichtige oder sicherheitsrelevante Funktionen hoher Priorität bereitzustellen.
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Zur Bestimmung des aktuellen Ladungszustands der Fahrzeugbatterie wird üblicherweise die aktuelle Stromstärke des von der Fahrzeugbatterie für einen Abnehmer bereitgestellten elektrischen Stroms ermittelt. Da diese mit sinkendem Ladungszustand der Fahrzeugbatterie abnimmt, kann somit anhand der aktuellen Stromstärke auf den aktuellen Ladungszustand bzw. die verbleibende Restkapazität geschlossen werden.
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Insbesondere für die genannten Elektro- und Hybridfahrzeugen werden daher erhebliche Anstrengungen unternommen den Ladungszustand der Batterie möglichst exakt bestimmen zu können. Zu diesem Zweck werden Batteriestromsensoren vorgesehen, die den aktuell fließenden Batteriestrom messen und überwachen, um stets Kenntnis über den aktuellen Ladungszustand zu erlangen und sicherstellen zu können, dass insbesondere für sicherheitsrelevante Funktionen eine ausreichende Kapazität vorhanden ist und eine verbleibende Reichweite des Fahrzeugs möglichst exakt bestimmt werden kann. Aufgrund dieser großen Bedeutung einer korrekten Batteriestromüberwachung werden die Batteriestromsensoren üblicherweise redundant vorgesehen, so dass mindestens ein zweiter Batteriestromsensors für eine Back-up- oder Plausibilisierungsmessung bereitgestellt wird, um auf diese Weise eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.
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Nachteilig wirkt sich bei den bekannten Anordnungen und den entsprechenden Messverfahren unter Verwendung mehrerer Batteriestromsensoren jedoch aus, dass die erforderlichen Batteriestromsensoren einen vergleichsweise hohen Stückpreis aufweisen, sodass hiermit hohe Kosten verbunden sind. Zusätzlich stellen die Batteriestromsensoren zusätzliche Bauteile dar, die einen Montageaufwand und zusätzliches Gewicht verursachen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit einer kostengünstigen und einfachen Stromstärkemessung und -Überwachung für eine Fahrzeugbatterie bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Stromstärke eines von einer Fahrzeugbatterie für einen Abnehmer bereitgestellten elektrischen Stromes mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
- a. Bestimmen einer an der Fahrzeugbatterie anliegenden Batteriespannung,
- b. Bestimmen einer an einem Abnehmer anliegenden Abnehmerspannung, wobei der Abnehmer über Stromleitungen mit der Fahrzeugbatterie stromleitend verbunden ist,
- c. Ermitteln einer Spannungsdifferenz zwischen der Batteriespannung und der Abnehmerspannung, und
- d. Ermitteln der Stromstärke des bereitgestellten Stroms unter Verwendung der ermittelten Spannungsdifferenz.
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Es werden im Rahmen des beschriebenen Verfahrens also die jeweils an der Fahrzeugbatterie und an dem Abnehmer anliegenden Spannungen gemessen. Dies kann mittels bekannter Methoden und Vorrichtungen zur Spannungsmessung erfolgen. Beispielsweise können hierzu Spannungsmessgeräte bzw. Voltmeter eingesetzt werden. Vorzugsweise erfolgen beide Spannungsmessungen zum selben Zeitpunkt. Auf diese Weise kann eine zeitgleiche und somit phasengleiche Messung zur Erzielung einer möglichst hohen Genauigkeit gewährleistet werden. Aus den beiden gemessenen Spannungen wird anschließend eine Spannungsdifferenz berechnet. Diese ermöglicht eine anschließende Berechnung der aktuellen Stromstärke, welche Rückschlüsse auf eine verbleibende Kapazität der Fahrzeugbatterie zulässt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Ermittelns der Stromstärke ein Berücksichtigen eines elektrischen Widerstandes der Stromleitungen zwischen der Batterie und dem Abnehmer.
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Die den Abnehmer mit der Fahrzeugbatterie verbindenden Stromleitungen weisen üblicherweise einen elektrischen Widerstand auf. Dieser bewirkt bei fließendem Strom einen Spannungsabfall zwischen den jeweiligen Enden jeder Stromleitung. Dieser Spannungsabfall kann mit dem beschriebenen Verfahren durch Differenzbildung zwischen der Batteriespannung und der Abnehmerspannung berechnet werden. Eine Messung der Stromstärke, beispielsweise mittels spezieller und teurer Stromsensoren oder Batteriestromsensoren ist hierbei nicht erforderlich. Diese können jedoch optional zu Kontrollzwecken herangezogen werden, wie nachfolgend noch näher dargestellt wird. Im Rahmen des eigentlichen Verfahrens werden folglich ausschließlich Spannungsmessungen durchgeführt, die zu einer Ermittlung der Stromstärke herangezogen werden. Eine Berechnung erfolgt beispielsweise über den elektrischen Widerstand R der Stromleitungen, der hierzu bekannt sein muss. Dieser entspricht folglich einem Messwiderstand in einem sogenannten „shunt”-Messverfahren. Hierbei verursacht der durch einen Nebenschlusswiderstand (englisch: „shunt”) fließende Strom einen zu diesem proportionalen Spannungsabfall, welcher im Rahmen des Shunt-Messverfahrens üblicherweise gemessen wird. Im Gegensatz dazu wird in dem beschriebenen Verfahren der Spannungsabfall (U) jedoch nicht gemessen sondern rechnerisch mittels Differenzbildung bestimmt. Es kann sodann beispielsweise über das Ohmsche Gesetz U = R·I die zu bestimmende Stromstärke ermittelt werden.
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Ein Auslesen der zu messenden Spannungen kann beispielsweise über eine ohnehin im Fahrzeug bereits vorhandene CAN-Infrastruktur erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Berücksichtigen des elektrischen Widerstands der Stromleitungen ein Berücksichtigen eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands. Auf diese Weise können temperaturabhängige Änderungen des elektrischen Widerstands bei einer rechnerischen Bestimmung der Stromstärke berücksichtigt werden. Hierzu können einzelne definierte Widerstandswerte vorgegeben werden. Es kann jedoch ebenso ein temperaturabhängiges Widerstandsmodell vorgesehen sein, das in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der Stromleitungen einen entsprechenden Widerstandswert bereitstellt. Hierzu muss jedoch eine Möglichkeit zur Erfassung einer aktuellen Temperatur der Stromleitungen verfügbar sein. Dies kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors an den Stromleitungen erfolgen, so dass eine Temperatur des Kabels zur Bestimmung eines Widerstandswertes ermittelt werden kann. Die Temperatur kann auch mittels eines mathematischen Models berechnet werden. Dieses Models berücksichtigt beispielsweise einen bereits geflossenen oder momentan fließenden Strom sowie gegebenenfalls eine Umgebungstemperatur, so dass sich eine aktuelle Temperatur des Kabels hieraus abschätzen lässt.
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Insbesondere im Falle kleiner Leitungsquerschnitte tritt eine verstärkte Temperaturabhängigkeit auf, so dass eine entsprechende Änderung des elektrischen Widerstandes vorzugsweise zu berücksichtigen ist, um einen möglichst genauen Widerstandswert zu erhalten. Werden dagegen größere Leitungsquerschnitte verwendet, werden die Stromleitungen entsprechend weniger stark erwärmt, so dass ein Temperatureinfluss geringer ausfällt als bei kleineren Leitungsquerschnitten.
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Des Weiteren kann das Verfahren außerdem ein Vergleichen der ermittelten Stromstärke mit einem vordefinierten Stromstärkewert und in Reaktion auf diesen Schritt des Vergleichens ein Durchführen einer definierten Notmaßnahme umfassen.
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Es ist somit möglich, die Stromstärke des fließenden Stroms zu überwachen, um insbesondere Überströme zu erkennen und den Abnehmer sowie die Batterie hiervor zu schützen, so dass Beschädigungen des Abnehmers bzw. der Batterie nach Möglichkeit verhindert werden. Hierzu können ein oder mehrere Schwellenwerte für die Stromstärke vorgegeben werden. Wird einer dieser Werte erreicht, so wird eine diesem Wert zugeordnete, definierte Notmaßnahme durchgeführt. Selbstverständlich können neben den Schwellenwerten zur Verhinderung eines Überstroms auch Mindestwerte vorgegeben werden, sodass im Falle eines Unterschreitens dieser Mindestwerte eine entsprechende Notmaßnahme durchgeführt wird.
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Beispielsweise kann das Durchführen der Notmaßnahme ein Unterbrechen einer Stromzufuhr zu dem Abnehmer und/oder ein Ausschalten des Abnehmers umfassen. Auf diese Weise kann dieser vor Beschädigungen bewahrt werden. Wird beispielsweise ein Überstrom infolge eines Kurzschlusses detektiert, so kann eine Stromzufuhr blitzschnell durch ein Absprengen der Stromleitung von der Batterie bzw. den hiermit verbundenen Batteriekontakten erfolgen und somit der Stromfluss sofort unterbrochen werden.
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Vorzugsweise umfasst der Abnehmer eine Leistungselektronik. Dies bedeutet, dass der an der Fahrzeugbatterie angeschlossene Abnehmer eine üblicherweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Leistungselektronik, insbesondere elektronische Steuerungsvorrichtungen zur Signal- und Datenverarbeitung und andere bekannte elektronische Bauteile, umfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen Autokalibrierungsschritt zum Erhöhen einer Genauigkeit des Verfahrens, wobei der Autokalibrierungsschritt ein Bestimmen eines Offsets, ein Bestimmen eines Korrekturfaktors für einen elektrischen Widerstand der Stromleitungen und/oder ein Vergleichen der ermittelten Stromstärke mit einer mittels eines Batteriestromsensors gemessenen Stromstärke umfasst, wobei der Batteriestromsensor zum Messen der Stromstärke eines zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Abnehmer fließenden Stromes ausgebildet ist.
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Mittels der beschriebenen Autokalibrierungsschritte kann eine automatische Kalibrierung der Strommessung vorgenommen werden und somit die Genauigkeit der Messung wie folgt erhöht werden.
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Zur Bestimmung eines Offsets wird in einem definierten Zustand, in welchem die zu bestimmende Stromstärke bekannt ist, eine bestehende Abweichung der ermittelten Stromstärke von einer bekannten Stromstärke bestimmt. Dies ist insbesondere in einem stromlosen Zustand möglich. Definitionsgemäß fließt in diesem Fall kein Strom, so dass keine Spannungsdifferenz messbar sein sollte und die zu ermittelnde Stromstärke Null Ampere betragen müsste. Dennoch kann im Rahmen des beschriebenen Verfahrens ggf. eine Spannungsdifferenz zwischen der Batteriespannung und der Abnehmerspannung ermittelt werden. Diese Abweichung kann als Offset zur Korrektur der Spannungsdifferenz und somit zur Korrektur der ermittelten Stromstärke berücksichtigt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann mit Hilfe des beschriebenen Korrekturfaktors ebenfalls eine Anpassung vorgenommen werden. Der Korrekturfaktor kann beispielsweise die ebenfalls bereits voranstehend beschriebene Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Stromleitungen berücksichtigen und somit temperaturbedingte Ungenauigkeiten reduzieren.
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Des Weiteren kann ein Korrekturfaktor jedoch auch weitere Parameter berücksichtigen. So hängt die Messgenauigkeit unter anderem auch von einer Länge der Stromleitungen ab, die üblicherweise je nach Fahrzeugtyp deutlich variieren können, wobei längere Leitungslängen in der Regel eine größere Messgenauigkeit bieten. Ein entsprechender Korrekturfaktor kann daher auch zur Berücksichtigung entsprechender Leitungslängen vorgesehen werden. Ferner können auf diese Weise ebenso Einflüsse weiterer Komponenten auf einen elektrischen Widerstand, wie beispielsweise Steckverbindungen und Kontakte sowie Alterungseffekte dieser Elemente, berücksichtigt werden.
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Außerdem kann alternativ oder zusätzlich ein Batteriestromsensor vorgesehen werden. Dieser ermöglicht eine relativ genaue Bestimmung der aktuellen Stromstärke, weist jedoch insbesondere den bereits genannten Nachteil eines hohen Stückpreises auf. Ein entsprechender Einsatz kann daher einen Abgleich zwischen der mittels dem Batteriestromsensor gemessenen Stromstärke und der mittels des beschriebenen Verfahrens ermittelten Stromstärke ermöglichen. Dieser Abgleich bzw. Vergleich kann einmalig oder wiederholt im laufenden Betrieb vorgesehen werden. Mittels des wiederholten Vergleiches kann somit eine dynamische Kalibrierung des beschriebenen Verfahrens erfolgen, so dass beispielsweise in einem stromlosen Moment (wenn dieser von dem Batteriestromsensor gemeldet wird) ein Offset zur Korrektur der Messung im laufenden Betrieb bestimmt werden kann.
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Die Verwendung des zusätzlichen Batteriestromsensors ermöglicht einerseits eine Anpassung der Messgenauigkeit des beschriebenen Verfahrens, wobei insbesondere unbekannte Messgrößen, wie beispielsweise der temperaturabhängige Widerstand der Stromleitungen, korrigiert werden können. Andererseits ermöglicht eine derartige Kombination eines Batteriestromsensors mit der Bestimmung einer Stromstärke mittels des beschriebenen Verfahrens eine einfache Überwachung des Batteriestromsensors als Back-up- oder Plausibilisierungsmessung. Hierzu wird das beschrieben Verfahren zu Redundanzzwecken eingesetzt. Zu diesem Zweck können in der Regel geringere Genauigkeitsanforderungen gestellt werden können. Ergeben sich zwischen beiden Messungen ungewöhnlich hohe Abweichungen, lässt dies auf einen Defekt des Batteriestromsensors schließen.
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Sowohl für den Fall, dass die Stromstärke ausschließlich mittels des beschriebenen Verfahrens ermittelt wird, als auch für den Fall, dass das Verfahren zur Überwachung eines Batteriestromsensors eingesetzt wird, so kann in beiden Fallen ein (weiterer) Batteriestromsensor entfallen, wodurch Kosten für den Sensor sowie dessen Montage und Gewicht sowie Bauvolumen eingespart werden können.
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Erfolgt außerdem das Bestimmen der Batteriespannung mittels einer von der Fahrzeugbatterie bereitgestellten Batterieelektronik, so kann auf zusätzliche Vorrichtungen hierfür verzichtet werden. Gleiches gilt für eine Bestimmung der Abnehmerspannung im Falle einer Spannungsbestimmung durch den Abnehmer selbst. Die erforderlichen Spannungsmessungen bzw. das gesamte Verfahren können somit ohne zusätzliche Bauteile ausgeführt werden, so dass Kosten für zusätzliche Bauteile, deren Montage und Gewicht eingespart werden können.
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Wie bereits voranstehend mehrfach beschrieben, kann das Verfahren außerdem den folgenden Schritt umfassen: kontinuierliches Ermitteln eines aktuellen Ladungszustands der Fahrzeugbatterie unter Verwendung der ermittelten Stromstärke. Es wird somit ein Rückschluss von der ermittelten Stromstärke auf die verbleibende Kapazität bzw. den aktuellen Ladungszustand der Fahrzeugbatterie gezogen.
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Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich sowohl für Hochspannungsanordnungen, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, als auch für bekannte Niederspannungsanordnungen üblicher Kraftfahrzeuge, beispielsweise mit einer 12 Volt Spannungsversorgung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung einer Fahrzeugbatterie mit einem Abnehmer, und
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2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 in einem Kraftfahrzeug. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine Fahrzeugbatterie 11 sowie einen als Leistungselektronik ausgeführten Abnehmer 12. Dieser ist über Stromleitungen 13 mit der Fahrzeugbatterie 11 elektrisch leitend zum Bereitstellen eines Stromes verbunden. Ein jeweiliger elektrischer Widerstand bzw. Innenwiderstand der Stromleitungen 13 ist lediglich schematisch dargestellt. An der Fahrzeugbatterie 11 und an dem Abnehmer 12 wird jeweils eine anliegende Spannung UBatt bzw. UAb ermittelt.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf eine Anordnung gemäß 1, wobei auf die entsprechenden Elemente Bezug genommen wird. Demnach umfasst das Verfahren zum Bestimmen einer Stromstärke eines von der Fahrzeugbatterie 11 für den Abnehmer 12 bereitgestellten Stromes die nachfolgenden Schritte. Zunächst erfolgt ein Bestimmen der an der Fahrzeugbatterie 11 anliegenden Batteriespannung UBatt sowie der an dem Abnehmer 12 anliegenden Abnehmerspannung UAb, wobei der Abnehmer 12 über die Stromleitungen 13 mit der Fahrzeugbatterie 11 elektrisch leitend verbunden ist. Anschließend wird eine Spannungsdifferenz ΔU zwischen der Batteriespannung UBatt und der Abnehmerspannung UAb ermittelt. Anhand des Ohmschen Gesetztes U = R·I kann somit die Stromstärke I des fließenden Stromes unter Einbeziehung des Widerstands R der Stromleitungen 13 bestimmt werden.
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Anstelle des Widerstands R der Stromleitungen 13 kann auch ein angepasster Wert R* verwendet werden, der eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Stromleitungen 13 berücksichtigt. Für eine weitere Erhöhung einer Genauigkeit des Verfahrens können Offsets, beispielsweise für eine Stromstärke ΔI0 oder die Spannungsdifferenz ΔU0 zur Kalibrierung berücksichtigt werden. Des Weiteren kann ein Korrekturfaktor k beispielsweise zur Berücksichtigung des für den elektrischen Widerstand der Stromleitungen oder einer speziellen Ausgestaltung der Kontakte bzw. der Anschlüsse einbezogen werden.
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Lediglich optional kann außerdem ein Vergleich der ermittelten Stromstärke I mit einer mittels eines Batteriestromsensors (in 1 nicht dargestellt) gemessenen Stromstärke ISENS durchgeführt werden, wobei der Batteriestromsensor zum Messen der Stromstärke eines zwischen der Fahrzeugbatterie 11 und dem Abnehmer 12 fließenden Stromes ausgebildet ist. Ebenso kann das Verfahren den optionalen Schritt eines Vergleichens der ermittelten Stromstärke I mit einem vordefinierten Stromstärkewert umfassen, wobei in Reaktion auf diesen Vergleich eine vordefinierte Maßnahme, beispielsweise ein Unterbrechen einer Stromzufuhr zu dem Abnehmer 12 und/oder ein Ausschalten des Abnehmer 12, durchgeführt werden kann.