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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, welches eine elektrische Maschine und einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Hybridfahrzeug umfassen, welches neben der elektrischen Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs eine Brennkraftmaschine umfasst, oder ein Elektrofahrzeug mit einem so genannten Range Extender, d. h., einer Brennkraftmaschine, welche elektrische Energie zum Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs bereitstellt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Steuervorrichtung für ein Fahrzeug mit einer elektrischen-Maschine und einem elektrischen Energiespeicher, sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Steuervorrichtung, insbesondere ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit einem Range Extender.
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Elektrische Energiespeicher von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien, weisen bei niedrigen Temperaturen einen hohen Innenwiderstand auf. Dadurch sinkt die maximal entnehmbare Leistung des elektrischen Energiespeichers. Wenn beispielsweise eine Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs mit Lithium-Ionen-Batterien bei sehr niedrigen Temperaturen gestartet werden soll, kann der Innenwiderstand so hoch sein, dass die abgegebene Leistung der Batterie nicht ausreicht, um die Brennkraftmaschine auf die benötigte Drehzahl zu beschleunigen, damit diese gestartet werden kann. Durch den Entladestrom bei diesem Vorgang wird die Batterie aufgeheizt und der Innenwiderstand der Batterie sinkt, so dass die maximal abgegebene Leistung steigt. Dadurch steigt auch die Drehzahl der Brennkraftmaschine bis diese hoch genug ist, um die Brennkraftmaschine zu starten. Dabei wird die Batterie jedoch stetig entladen. Wenn die vorhandene Kapazität der Batterie nicht ausreicht, um für die Dauer des Aufheizens die Energie zum Anlassen der Brennkraftmaschine bereitzustellen, kann das Fahrzeug nicht gestartet werden und kann somit nicht betrieben werden.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2009 016 259 A1 eine Spannungserfassungsvorrichtung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und ein Batteriezustandsteuerungssystem bekannt. Gemäß einer Ausführungsform sendet eine Batterieüberwachung zu einer Hybridsteuerung eine Temperatursteigerungsanweisung, wenn die Temperatur der Batterie basierend auf einem durch einen Temperatursensor gemessenen Wert niedrig ist. Die Hybridsteuerung führt als Antwort auf die Temperatursteigerungsanweisung eine Temperatursteigerungssteuerung aus. Die Temperatursteigerungssteuerung passt Treibsignale an, um dadurch eine Ausgangsspannung eines Gleichwandlers in Form von beispielsweise einer pseudosinusförmigen Welle oszillieren zu lassen. Mit der Oszillation der Ausgangsspannung des Gleichwandlers wird eine Energie die in einem Kondensator gespeichert ist, geändert. Ladungen, die den Änderungen der elektrischen Energie, die in dem Kondensator gespeichert ist, entsprechen, werden zwischen dem Kondensator und der Batterie transportiert. Dies ermöglicht, dass Leistung zyklisch in die Batterie geladen wird und zyklisch aus derselben entladen wird, derart, dass ein Lade- und Entladestrom hinsichtlich der Batterie oszilliert. Der oszillierende Lade- und Entladestrom fließt durch einen Innenwiderstand der Batterie, was in einem Erzeugen von Wärme in der Batterie resultiert. Die erzeugte Wärme verursacht, dass die Temperatur der Batterie steigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher von einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug mit Range Extender, verlustarm aufzuheizen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 7 und eine Fahrzeug nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher und eine Kupplung. Die elektrische Maschine ist in der Lage, in einer ersten Betriebsart aus elektrischer Energie kinetische Energie zu erzeugen und in einer zweiten Betriebsart aus kinetischer Energie elektrische Energie zu erzeugen. Die Kupplung dient zum wahlweisen Koppeln der elektrischen Maschine mit Antriebsrädern des Fahrzeugs. Bei dem Verfahren wird die elektrische Maschine von den Antriebsrädern mit Hilfe der Kupplung entkoppelt und in einer ersten Betriebsart mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher betrieben, während die elektrische Maschine von den Antriebsrädern entkoppelt ist. Danach wird die elektrische Maschine in der zweiten Betriebsart betrieben. Dabei wird kinetische Energie, welche beim Betrieb der elektrischen Maschine in der ersten Betriebsart erzeugt wurde, zum Betreiben der elektrischen Maschine verwendet, während die elektrische Maschine von den Antriebsrädern entkoppelt ist. Dadurch erzeugt die elektrische Maschine in der zweiten Betriebsart elektrische Energie, welche in den elektrischen Energiespeicher zurückgeführt und gespeichert wird. Dieses Verfahren kann vorzugsweise vor einem Starten einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs durchgeführt werden. Somit wird der elektrische Energiespeicher nicht durch Entladen beim Starten der Brennkraftmaschine erwärmt, sondern durch Lade- und Entladezyklen, bei welchen elektrische Energie in der elektrischen Maschine in Rotationsenergie umgewandelt wird und diese Rotationsenergie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt und in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert wird. Dadurch kann ein verlustarmes Aufheizen des elektrischen Energiespeichers erreicht werden. Durch das Entkoppeln der elektrischen Maschine von den Antriebsrädern und ggf. auch ein Entkoppeln der elektrischen Maschine von der Brennkraftmaschine entstehen nur geringe Energieverluste. Andererseits kann eine erhebliche Menge elektrischer Energie in kinetische Energie und zurück gewandelt werden, wodurch das Aufheizen des elektrischen Energiespeichers in verhältnismäßig kurzer Zeit erfolgen kann, so dass der elektrische Energiespeicher bereits nach kurzer Zeit bereit ist, um die Brennkraftmaschine zu starten.
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Die in der ersten Betriebsart erzeugte kinetische Energie umfasst beispielsweise eine Rotationsenergie eines Rotors der elektrischen Maschine. Die elektrische Energie wird somit zum Beschleunigen des Rotors der elektrischen Maschine verwendet und anschließend durch ein Abbremsen des Rotors wieder zurückgewonnen. Durch den üblicherweise hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs treten bei diesen Energieumwandlungen nur geringe Verlust auf. Dadurch kann der elektrische Energiespeicher bereits mit einer geringen Menge elektrischer Energie auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden. Da der elektrische Energiespeicher durch Laden und Entladen erwärmt wird, wird der elektrische Energiespeicher von den Elektroden her von innen erwärmt, wodurch bereits geringe Energiemengen ausreichen, um den elektrischen Energiespeicher in einen leistungsfähigen Zustand zu versetzen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers bestimmt und die elektrische Maschine in der ersten und zweiten Betriebsart in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur betrieben. Dabei kann das Betreiben der elektrischen Maschine in der ersten Betriebsart und in der zweiten Betriebsart zyklisch wiederholt werden, bis die Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat. Durch das zyklische Betreiben der elektrischen Maschine in der Lade- und Entladebetriebsart kann die elektrische Maschine in einem Drehzahlbereich betrieben werden, welcher von einem Benutzer des Fahrzeugs als nicht störend wahrgenommen wird, so dass der Aufheizvorgang des elektrischen Energiespeichers von einem Benutzer nicht als unangenehm empfunden wird.
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Darüber hinaus kann auf einer Anzeigeeinheit des Fahrzeugs angezeigt werden, dass das Verfahren durchgeführt wird, um den elektrischen Energiespeicher zu erwärmen. Dadurch kann zusätzliches Verständnis für die Zeitverzögerung und den Betrieb der elektrischen Maschine vor dem Starten der Brennkraftmaschine beim Benutzer des Fahrzeugs geweckt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Fahrzeug beispielsweise ein Hybridfahrzeug mit der elektrischen Maschine und einer Brennkraftmaschine. Das Fahrzeug umfasst zusätzlich eine weitere Kupplung, welche zum wahlweisen Koppeln der Brennkraftmaschine mit der elektrischen Maschine dient. Bei dem Verfahren wird die elektrische Maschine von der Brennkraftmaschine entkoppelt, wenn die elektrische Maschine der ersten oder zweiten Betriebsart betrieben wird, um den Energiespeicher zu erwärmen. Durch das Entkoppeln der elektrischen Maschine von der Brennkraftmaschine kann die elektrische Maschine als verlustarmer Zwischenspeicher für kinetische Energie verwendet werden, um, wie zuvor beschrieben, verlustarme Lade- und Entladezyklen für den elektrischen Energiespeicher bereitzustellen, um diesen beispielsweise bei tiefen Temperaturen zu erwärmen.
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Bei einem Elektrofahrzeug mit einem so genannten Ranger Extender ist die Brennkraftmaschine des Range Extenders üblicherweise nicht über eine weitere Kupplung mit der elektrischen Maschine gekoppelt, sondern umfasst einen eigenen Anlasser und einen eigenen elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie zum Betrieb des Fahrzeugs. Da der Range Extender üblicherweise mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher angelassen wird, kann es auch bei dieser Art von Elektrofahrzeugen erforderlich sein, den elektrischen Energiespeicher durch das zuvor beschriebene Verfahren zu erwärmen. Dabei ist somit eine physikalische Entkopplung des Range Extenders von der elektrischen Maschine nicht erforderlich, sondern es genügt, die elektrische Maschine von den Antriebsrädern zu entkoppeln.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher und eine Kupplung. Die elektrische Maschine ist in der Lage, in einer ersten Betriebsart aus elektrischer Energie kinetische Energie zu erzeugen und in einer zweiten Betriebsart aus kinetischer Energie elektrische Energie zu erzeugen. Die Kupplung dient zum wahlweisen Koppeln der elektrischen Maschine mit Antriebsrädern des Fahrzeugs. Die Steuervorrichtung ist mit der elektrischen Maschine, dem elektrischen Energiespeicher und der Kupplung gekoppelt. Die Steuervorrichtung steuert die Kupplung derart an, dass die elektrische Maschine von den Antriebsrädern entkoppelt wird, und betreibt die elektrische Maschine in der ersten Betriebsart mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher, während die elektrische Maschine von den Antriebsrädern entkoppelt ist. Dadurch läuft die elektrische Maschine im Leerlauf und speichert somit durch ihre Rotation kinetische Energie. Dann betreibt die Steuervorrichtung die elektrische Maschine in der zweiten Betriebsart mit der kinetischen Energie, welche beim Betrieb der elektrischen Maschine in der ersten Betriebsart erzeugt wurde. Die elektrische Maschine ist auch im Betrieb in der zweiten Betreibsart von den Antriebsrädern entkoppelt. Die von der elektrischen Maschine in der zweiten Betriebsart erzeugte elektrische Energie wird dem elektrischen Energiespeicher für ein Speichern zugeführt.
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Die Steuervorrichtung kann zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahren ausgestaltet sein und umfasst daher die Vorteile der zuvor beschriebenen Verfahren.
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Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher und die zuvor beschriebene Steuervorrichtung umfasst. Die elektrische Maschine kann in einer ersten Betriebsart aus elektrischer Energie kinetische Energie erzeugen und in einer zweiten Betriebsart aus kinetischer Energie elektrische Energie erzeugen. Die Kupplung dient zum wahlweisen Koppeln der elektrischen Maschine mit Antriebsrädern des Fahrzeugs. Somit ist das Fahrzeug zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet und umfasst daher auch die Vorteile des zuvor beschriebenen Verfahrens. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Hybridfahrzeug mit einer zusätzlichen Brennkraftmaschine. Die elektrische Maschine dient zum Antreiben des Fahrzeugs und zum Starten der Brennkraftmaschine.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
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Die einzige Figur zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figur zeigt ein Fahrzeug 1, beispielsweise ein Hybridfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsmaschine 2 und einer Brennkraftmaschine 3. Die elektrische Antriebsmaschine 2 ist über eine erste Kupplung 4 mit Rädern 5, 6 mechanisch gekoppelt. Über eine zweite Kupplung 7 sind die elektrische Antriebsmaschine 2 und die Brennkraftmaschine 3 miteinander gekoppelt. Das Fahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Batterie 8, welche über eine Leistungselektronik 11 elektrisch mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 gekoppelt ist. Die Leistungselektronik 11 dient zur Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine 2. Die elektrische Antriebsmaschine 2 kann wahlweise, in Abhängigkeit von der elektrischen Ansteuerung, als elektrischer Generator oder als elektrischer Motor arbeiten. Wenn die elektrische Antriebsmaschine 2 als elektrischer Motor arbeitet, wandelt sie elektrische Energie von der Batterie 8 in kinetische Energie um. Diese kinetische Energie kann beispielsweise bei geschlossener Kupplung 4 zu den Antriebsrädern 5, 6 geleitet werden, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Weiterhin kann die kinetische Energie bei geschlossener Kupplung 7 verwendet werden, um die Brennkraftmaschine 3 zu starten. Wenn die elektrische Antriebsmaschine 2 als elektrischer Generator arbeitet, wandelt sie kinetische Energie in elektrische Energie um, welche zur Speicherung der Batterie 8 zugeführt wird. Die kinetische Energie kann in diesem Fall bei geschlossener Kupplung 4 über die Räder 5, 6 aus kinetischer Energie des Fahrzeugs 1 gewonnen werden. Bei geschlossener Kupplung 7 kann kinetische Energie zur Erzeugung der elektrischen Energie von der Brennkraftmaschine 3 bereitgestellt werden. Das Fahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Steuervorrichtung 9, welche zur Steuerung des Energieflusses zwischen den Antriebsrädern 5, 6, der elektrischen Antriebsmaschine 2, der Brennkraftmaschine 3 und der Batterie 8 mit der elektrischen Antriebsmaschine 2, der Brennkraftmaschine 3, der Batterie 8 und den beiden Kupplungen 4, 7 verbunden ist. Weiterhin umfasst das Fahrzeug 1 eine Anzeige 10, welche beispielsweise in einem Armaturenbrett des Fahrzeugs 1 angeordnet ist und einem Fahrer des Fahrzeugs einen aktuellen Energiefluss zwischen der Batterie 8, der elektrischen Antriebsmaschine 2, der Brennkraftmaschine 3 und den Rädern 5, 6 darstellt.
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Um einen zuverlässigen Betrieb des Fahrzeugs 1 sicherzustellen, wird das Fahrzeug 1 insbesondere bei einem niedrigen Energieniveau in der Batterie 8 von der Brennkraftmaschine 3 angetrieben. Um die Brennkraftmaschine 3 in Gang zu setzen, wird die Kupplung 7 geschlossen und die Brennkraftmaschine 3 mit Hilfe der elektrischen Antriebsmaschine 2 gestartet. Dazu wird elektrische Energie von der Batterie 8 verwendet. Die Batterie 8, beispielsweise eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie, weist jedoch bei niedrigen Temperaturen einen hohen Innenwiderstand auf. Wenn nun die Brennkraftmaschine 3 bei niedrigen Temperaturen gestartet werden soll, kann es sein, dass der Innenwiderstand der Batterie 8 so hoch ist, dass die abgegebene Leistung der Batterie 8 nicht ausreicht, um die Brennkraftmaschine 3 auf die benötigte Drehzahl zu beschleunigen, damit diese gestartet werden kann. Durch den Entladestrom bei diesem Startversuch wird die Batterie 8 zwar aufgeheizt und der Innenwiderstand der Batterie sinkt, wodurch die maximale abgegebene Leistung steigt, allerdings wird die Batterie dadurch auch stetig und stark entladen. Wenn die in der Batterie gespeicherte Energie nicht ausreicht, um für die Dauer des Aufheizens die Energie für das Aufheizen und das Drehen der Brennkraftmaschine 3 zur Verfügung zu stellen, kann das Fahrzeug nicht gestartet werden.
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Um dies zu vermeiden, bestimmt die Steuervorrichtung 9 vor dem Starten der Brennkraftmaschine 3 die in der Batterie 8 vorhandene Energiemenge und die Temperatur der Batterie 8. Wenn die Temperatur entsprechend niedrig ist und nur noch eine geringe Menge elektrischer Energie in der Batterie 8 gespeichert ist, wird die Brennkraftmaschine 3 nicht sofort gestartet, sondern zunächst ein Aufheizvorgang der Batterie 8 durchgeführt. Dazu wird der Batterie elektrische Energie entnommen und wieder zugeführt, da sich die Batterie 8 bei Entlade- und Ladevorgängen automatisch erwärmt. Vorteilhafterweise tritt diese Erwärmung beim Entladen und Laden im inneren der Batterie auf, so dass nur eine geringe Wärmemenge erforderlich ist, um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen. Ein oder mehrere Entlade- und Ladezyklen werden folgendermaßen realisiert.
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Zunächst steuert die Steuervorrichtung 9 die Kupplungen 4 und 7 derart an, dass die elektrische Antriebsmaschine 2 sowohl von den Antriebsrädern 5, 6 als auch von der Brennkraftmaschine 3 getrennt ist. Dann wird die elektrische Antriebsmaschine 2 als Motor betrieben und mit elektrischer Energie aus der Batterie 8 vom Stillstand bis auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt, wodurch ein Rotor der elektrischen Antriebsmaschine 2 in Drehung versetzt wird und somit kinetische Energie in Form von Rotationsenergie speichert. Dann wird die elektrische Antriebsmaschine 2 als elektrischer Generator betrieben und die in dem Rotor gespeicherte kinetische Energie durch Abbremsen des Rotors wieder in elektrische Energie umgewandelt, welche zur der Batterie 8 zurückgeführt wird und dort gespeichert wird. Dieses Beschleunigen und Abbremsen wird so oft durchgeführt, bis die Temperatur der Batterie soweit angestiegen ist, dass der Innwiderstand der Batterie hinreichend niedrig ist, um eine benötigte Energie für einen zügigen Startvorgang der Brennkraftmaschine 3 bereitzustellen. Durch den hohen Wirkungsgrad der elektrischen Antriebsmaschine 2 treten beim Beschleunigen und Abbremsen der elektrischen Antriebsmaschine 2 nur geringe Energieverluste auf. Da die Kupplungen 4, 7 in Hybridfahrzeugen im Allgemeinen ohnehin vorhanden sind, werden für die Realisierung der Entlade- und Ladezyklen keine kostenintensiven zusätzlichen Komponenten benötigt.
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Die vorbestimmte Drehzahl, auf welche die elektrische Antriebsmaschine 2 beschleunigt wird, kann derart festgelegt werden, dass sie für einen Benutzer des Fahrzeugs nicht als unangenehm oder störend empfunden wird. Das Beschleunigen und Abbremsen der elektrischen Antriebsmaschine 2 kann beispielsweise auch mit einem vorbestimmten Beschleunigungsprofil, beispielsweise einem sinusförmigen Drehzahlverlauf, durchgeführt werden. Die Zykluszeiten zum Beschleunigen und Abbremsen der elektrischen Antriebsmaschine können typischerweise im Bereich von wenigen Sekunden liegen, beispielsweise im Bereich von 4 bis 8 Sekunden. Die Zykluszeiten können beispielsweise aus einer Rotationsmasse der elektrischen Antriebsmaschine 2, der Masse der Teile der Kupplungen 4 und 7, welche sich zusammen mit der elektrischen Antriebsmaschine drehen, und einem maximalen Drehmoment der elektrischen Antriebsmaschine 2 bestimmt werden. Auf der Anzeigeeinheit 10 kann einem Benutzer angezeigt werden, dass die elektrische Antriebsmaschine 2 zum Erwärmen der Batterie 8 zyklisch beschleunigt und abgebremst wird, bevor ein Startvorgang der Brennkraftmaschine 3 eingeleitet wird.
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Das zuvor beschriebene Verfahren kann bei Hybridfahrzeugen, Plug-in-Hybridfahrzeugen, welche über einen zusätzlichen Anschluss zum Laden der Batterie 8 mit Energie von einem Energieversorgungsnetz ausgestattet sind, und bei Elektrofahrzeugen mit einem Range Extender eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das zuvor beschriebene Verfahren auch in Verbindung mit anderen Batterietechnologien als Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016259 A1 [0003]