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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum.Laden einer Batterie und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie, welche sowohl einen Spannungsregelmodus als auch einen Stromregelmodus verwenden.
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Erörterung des Standes der Technik
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Die Verbreitung von Elektrofahrzeugen nimmt zu. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge, etwa Elektrofahrzeuge mit erhöhter Reichweite (EREV), welche eine Batterie mit einer Hauptleistungsquelle, etwa einer Brennkraftmaschine, einem Brennstoffzellensystem usw. kombinieren, und reine Elektrofahrzeuge, etwa die Batterieelektrofahrzeuge (BEV). Alle diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Höchspannungsbatterie, die eine Anzahl von Batteriezellen enthält. Diese Batterien können verschiedene Batterietypen sein, etwa Lithium-Ionen, Nickelmetallhydrid, Bleisäure usw. Eine typische Hochspannungsbatterie für ein Elektrofahrzeug kann 196 Batteriezellen enthalten, die etwa 400 Volt liefern. Die Batterie kann einzelne Batteriemodule enthalten, wobei jedes Batteriemodul eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, etwa zwölf Zellen. Die einzelnen Batteriezellen können elektrisch in Reihe geschaltet sein oder eine Reihe von Zellen elektrisch parallel geschaltet sein, wobei eine Anzahl von Zellen im Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul mit den anderen Modulen elektrisch parallel geschaltet ist. Verschiedene Fahrzeugkonstruktionen enthalten unterschiedliche Batteriekonstruktionen, die verschiedene Kompromisse und Vorteile für eine spezielle Anwendung verwenden.
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Auf dem Gebiet besteht ein Bedarf zum zuverlässigen Laden von Batterien, speziell von Fahrzeugbatterien, um eine vollständige Batterieladung ohne Beschädigung der Batterie genau und zuverlässig bereitzustellen. Gegenwärtig kann es sein, dass Batterieladealgorithmen versuchen, die Batterie innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf eine spezielle Batteriespannung zu laden. Sobald die Batterie auf diesen Spannungspegel geladen ist, kann der Ladealgorithmus dann in einen Ladungserhaltungsmodus gehen, wobei ein Ladungserhaltungsstrom geliefert wird, um die Batterie auf der Ladespannung zu halten. Die Algorithmen, die das Batterieladegerät steuern, müssen die Strommenge steuern, die an die Batterie geliefert wird, um Wärme, Überladung usw. zu steuern, sodass die Batterie und andere Komponenten nicht beschädigt werden. Diese verschiedenen Ladegerättypen weisen unterschiedliche Ziele auf, wobei sie in Abhängigkeit von der Ladesituation Übernacht-Ladegeräte oder Schnellladegeräte sein können. Das Batterieladegerät kann sich im Fahrzeug befinden oder kann vom Fahrzeug getrennt sein, wobei ein Elektrokabel vom Batterieladegerät mit dem Fahrzeug verbunden wird oder das Fahrzeug direkt mit einer AC-Wandsteckdose verbunden wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 041 027 A1 offenbart ein Verfahren zum Regeln des Ladens einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Druckschrift
DE 100 02 848 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Restladung einer Batterie mit einem Stromdetektor zum Erfassen einer elektrischen Stromausgabe von der Batterie und eines elektrischen Ladestroms zu der Batterie, einem Spannungsdetektor zum Erfassen einer Ausgangsspannung von der Batterie und einem Tiefpassfilter zum Filtern der Ergebnisse der Erfassung durch den Stromdetektor und den Spannungsdetektor offenbart. Die Restladung der Batterie wird durch Integrieren des Ergebnisses der Erfassung durch den Stromdetektor berechnet und ein Schwellenspannungswert wird entsprechend einem spezifischen Wert der Restladung berechnet. Wenn der gefilterte Spannungswert den Schwellenspannungswert überschreitet, wird die Restladung auf den spezifischen Wert zurückgesetzt.
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Die Druckschrift
WO 02/061 913 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen des Ladezustands einer Batterie, wobei der Schätzwert nur auf der gemessenen Batteriespannung basiert.
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In der Druckschrift
DE 37 05 222 A1 ist ein Ladesteuerungsschaltkreis für ein Batterieladegerät mit einem Sensorkreis zum Messen der Temperatur einer zu ladenden Batterie offenbart, bei dem eine Ausgabe des Sensorkreises in ein über die Zeit abgeleitetes Signal umgewandelt wird, das den Temperaturgradienten der Batterie wiedergibt. Wenn dieses Signal unterhalb eines Schwellenwerts liegt, der einen vollen Ladezustand der Batterie angibt, wird die Batterie mit einer hohen Laderate geladen. Andernfalls wird das Laden mit der hohen Laderate beendet.
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Die Druckschrift
EP 2 058 891 A1 offenbart eine Ladesteuerungsvorrichtung für eine Speicherbatterie, bei der beruhend auf einem Ein/AusZustand eines speziellen Stromverbrauchers in einem Fahrzeug und einem Ladezustand direkt vor dem Stoppen einer Kraftmaschine eines von vier Ziel-Ladezustandsniveaus gewählt wird. Beruhend auf dem gewählten Ziel-Ladezustandsniveau und einer seit der Installation der Batterie im Fahrzeug vergangenen Zeit wird ein Ziel-Ladezustand festgelegt, mit dem tatsächlichen Ladezustand der Batterie verglichen und entsprechend dem Vergleichsergebnis geladen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren offenbart, um eine Batterie zu laden, wobei das Verfahren einen Algorithmus verwendet, der den Ladegerätausgabestrom bestimmt, welcher das gewünschte Strom- und Spannungsprofil liefert. Das Verfahren umfasst, dass ein gewünschter Zielladestrom bereitgestellt wird und der Batteriestrom gemessen wird und dass ermittelt wird, ob der Zielladestrom kleiner als der gemessene Batteriestrom ist. Das Verfahren umfasst auch, dass ein Stromintegrierer eingeschaltet wird, wenn der Zielladestrom kleiner als der gemessene Batteriestrom ist, und dass ein Ladestromwert über die Zeit integriert wird, wenn der Stromintegrierer eirigeschaltet ist, um einen integrierten Ladestromwert bereitzustellen. Das Verfahren umfasst auch, dass eine Zielladespannung bereitgestellt wird und die Batteriespannung gemessen wird, und dass ermittelt wird, ob die Zielladespannung kleiner als die gemessene Batteriespannung ist. Das Verfahren umfasst auch, dass ein Spannungsintegrierer eingeschaltet wird, wenn die Zielladespannung kleiner als die gemessene Batteriespannung ist, und dass ein Ladespannungswert über die Zeit integriert wird, wenn der Spannungsintegrierer eingeschaltet ist, um einen integrierten Spannungswert bereitzustellen. Das Verfahren addiert den integrierten Ladestromwert und den integrierten Ladespannungswert, um einen Ladestrombefehl bereitzustellen, der zum Laden der Batterie verwendet wird. Das Verfahren schaltet den Stromintegrierer aus, wenn sich die Ladeoperation in einem Spannungsregelmodus befindet, bei dem der Spannungsintegrierer eingeschaltet ist, und es schaltet den Spannungsintegrierer aus, wenn sich die Ladeoperation in einem Stromregelmodus befindet, bei dem der Stromintegrierer eingeschaltet ist.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für einen Algorithmus, der in einem System und einem Verfahren zum Laden einer Batterie eingesetzt wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, welche auf ein System und ein Verfahren zum Laden einer Batterie gerichtet ist, ist rein beispielhaft und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Die Batterieladetechnik der vorliegenden Erfindung weist beispielsweise eine spezielle Anwendung zum Laden einer Hochspannungsfahrzeugbatterie auf. Wie der Fachmann auf dem Gebiet feststellt, weist die vorliegende Erfindung jedoch Anwendungen zum Laden anderer Batterietypen auf.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ablaufsequenz für einen Algorithmus darstellt, der in einem Controller 10 eines Batterieladegeräts verwendet wird. Der Controller 10 enthält einen Spannungsregelmodus-Abschnitt 12 und einen Stromregelmodus-Abschnitt14, welche das Laden einer Batterie 22 separat regeln. Der Spannungsregelmodus-Abschnitt 12 verwendet eine Spannungsregelung, wobei eine gewünschte oder Zielladespannung, etwa von einer Nachschlagetabelle, auf einer Leitung 16 an einen positiven Anschluss eines Summiererblocks 18 angelegt wird und eine Versatzzielspannung an einer Leitung 20 an einen negativen Anschluss des Summiererblocks 18angelegt wird. Die Versatzzielspannung wird im Block 18 von der Zielspannung subtrahiert, um die Zielspannung zu verringern und ein Zielspannungsüberschwingen zu verhindern, d.h. ein Überschreiten der Zielspannung an der Leitung 16. Mit anderen Worten verwendet der Controller 10 einen Zielüberschwingschutz, um zu verhindern, dass die Batteriespannung die Zielspannung während einer Ladesequenz überschreitet, wenn in den Spannungsregelmodus eingetreten wird, indem die Zielspannung unter Verwendung des Summiererblocks 18 verringert wird. Die Zielspannung wird modifiziert, wenn sich der Controller 10 nicht im Spannungsregelmodus befindet und geht in die tatsächliche Zielspannung über, wenn die Spannungsregelung aktiv wird.
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Die Versatzzielspannung wird von einem Verzögerungskästchen 24 um eine oder mehrere Zeitperioden verzögert, sodass sie die Zielspannung auf der Grundlage der vorherigen Zielspannung verringert. Eine Ratenbegrenzerschaltung 26 subtrahiert den Zielspannungsversatz von einem Ratenbegrenzerwert, der von einer Verstärkerschaltung 28 bestimmt wird, die den Versatz bei Übergängen in die Spannungsregelung und aus dieser heraus hoch- oder niederregelt. Wenn die gemessene Batteriespannung nicht kleiner als die Zielspannung ist, dann verhindert die Ratenbegrenzerschaltung 26 die Zielüberschwingregelung. Die Rampe bewirkt, dass sich der Zielversatz der tatsächlichen Zielspannung nähert, wenn die Batterie 22 geladen wird. Der Algorithmus stellt den Versatz und die Abklingzeit auf der Grundlage der Größe und der Dauer eines typischen Spannungsüberschwingens, Versatzes und einer typischen Abklingzeit ein, welche Funktionen des Batteriestroms, des Batterieladezustands, des Batteriegesundheitszustands usw. sein können. Die Abklingzeitrate kann auf der Grundlage der Batteriespannung und der tatsächlichen Versatzzielspannungen dynamisch ermittelt werden, um Veränderungen bei der Batteriereaktion zu kompensieren, da sich der Gesundheitszustand der Batterie im Lauf der Zeit verändert. Der Versatz kann auch eine Funktion einer Spannungsintegriererverstärkung sein, wie nachstehend erörtert wird.
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Die modifizierte Zielspannung vom Summiererblock 18 wird an den positiven Anschluss eines Vergleichers 30 gesandt und die gemessene Batteriespannung wird an einer Leitung 32 an den negativen Anschluss des Vergleichers 30 gesandt. Die Differenz zwischen der auf ein Zielspannungsüberschwingen hin kompensierten Zielspannung und der gemessenen Batteriespannung wird vom Vergleicher 30 an einen Eingang einer Spannungsintegrierer-Aktivierungsschaltung 34 gesandt, die einen Spannungsintegrierer 36, der nachstehend in größerem Detail erörtert wird, einschaltet, sodass ein Batterieladen unter Verwendung des Spannungsregelmodus eingeschaltet werden kann, wenn die gemessene Spannung kleiner als die modifizierte Zielspannung ist. Das Signal vom Vergleicher 30 aktiviert auch eine Spannungsstreckendetektorschaltung 40, die einen nachstehend erörterten Stromintegrierer 88 im Stromregelmodus-Abschnitt 14 auf Leitung 102 ausschaltet. Wenn die Streckendetektorschaltung 40 aktiviert wird, wird das Signal auf der Leitung 102 auch an eine Schaltung 48 gesandt, die den Zielspannungsversatz ausschaltet und das Abklingen des Spannungsversatzes in der Ratenbegrenzerschaltung 26 startet. Ein weiterer Eingang an die Integrierer-Aktivierungsschaltung 34 ist ein Ausschalteingang auf einer Leitung 42, der den Spannungsintegrierer 36 ausschaltet, wenn der Stromintegrierer 88 eingeschaltet ist, wie ebenfalls nachstehend im Detail erörtert wird. Ein dritter Eingang auf einer Leitung 46, der an die Integrierer-Aktivierungsschaltung 34 geliefert wird, schaltet den Integrierer 36 abhängig davon ein oder aus, ob der Controller 10 in Betrieb ist, d.h., ob das Laden auf den gewünschten Pegel des Ladezustands, der elektrischen Energie, der Kosten usw. abgeschlossen ist.
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Sobald der Spannungsintegrierer 36 eingeschaltet ist, wie durch die Eingänge an der Aktivierungsschaltung 34 bestimmt wird, integriert der Spannungsintegrierer 36 einen Wert auf der Grundlage einer Verstärkung von einer Verstärkungsschaltung 38. Der Spannungsintegrierer 36 bewirkt, dass der von dem Ladegerät gelieferte Ladestrom verringert wird, wenn die Spannung zu hoch ist, wobei der Stromintegrierer 88 in der Stromregelmodus-Seite 14 bewirkt, dass der Strom, der beim Laden an die Batterie 22 geliefert wird, erhöht wird. Der Integrationsbetrag, der vom Spannungsintegrierer 36 für den Spannungsregelmodus geliefert wird, kann an einer Anzeigeeinrichtung 44 angezeigt werden.
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Der von dem Spannungsintegrierer 36 gelieferte Spannungsbetrag wird zusammen mit der Integration des Stroms von der Stromregelmodus-Seite 14, die nachstehend erörtert wird, an einen Addierer 50 gesandt. Der addierte integrierte Ladestrom von der Spannungsregelmodus-Seite 12 und der Stromregelmodus-Seite 14 wird auf einer Leitung 62 an eine Strombegrenzungsschaltung 54 geliefert, die den Betrag an Ladestrom begrenzt, der zu Ladezwecken auf einer Leitung 52 an die Batterie 22 geliefert werden kann. Das Signal auf der Leitung 52 ist ein Befehl für das HV-DC-Ladegerät, um den Betrag an Ladestrom an die Batterie 22 zu liefern. Die Strombegrenzungsschaltung 54 empfängt auf Leitung 64 ein Signal für ein oberes Maximum des Versorgungsstroms und einen minimalen Strom, typischerweise Null, auf einer Leitung 66 zur Berechnung des maximalen Stroms. Es ist nicht gewünscht, dass der Stromintegrierer 88 in der Strommodus-Seite 14 fortfährt, mehr Ladestrom als denjenigen zu fordern, welcher die Fähigkeit der Strombegrenzerschaltung 54 zur Bereitstellung überschreiten würde, da dies verursachen würde, dass der Integrierer88 in Sättigung geht bzw. einen „Wind-up‟ erlebt, und verhindern würde, dass beim Eintreten in den Spannungsregelmodus der Strom an der Leitung 62 umgehend abnimmt. Um die Integrierersättigung bzw. den Wind-up zu verhindern, wird das Steuersignal auf der Leitung 52 daher an einen negativen Anschluss eines Vergleichers 56 geliefert und das Ladesignal auf der Leitung 62 wird an den positiven Anschluss des Vergleichers 56 über eine Verstärkungsschaltung 58 geliefert, welche auf eine Verstärkung von Eins eingestellt sein kann. Wenn sich die Strombegrenzerschaltung 54 daher aktiviert und den maximalen Ladestrom auf der Leitung 52 einstellt, wird eine Zunahme beim zusätzlichen Strom auf der Leitung 62 von einer Detektorschaltung 60 detektiert, welche eine Sättigung der Ladegerätausgabe detektieren wird. Die Sättigung kann eine Funktion der Zeit, der Stromnetzkosten und dessen Verfügbarkeit, der Ladegerättemperatur usw. sein. Der Detektor 60 stellt auf einer Leitung 68 ein Signal bereit, das den Stromintegrierer 88 ausschaltet, wie nachstehend in weiterem Detail erörtert wird.
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Im Stromregelmodus-Abschnitt 14 ist der gewünschte oder der Zielstrom zum Laden der Batterie 22 das Minimum von drei separaten Zielwerten, die zu verschiedenen Kriterien führen, etwa der Ladegeschwindigkeit, Leistungsgrenzen der Batterie, einem maximalen Strom usw. Insbesondere wird auf einer Leitung 70 ein gewünschter Batteriestrom bereitgestellt, auf einer Leitung 72 wird eine maximale Batterieleistung bereitgestellt und auf einer Leitung 74 wird ein maximaler Batteriestrom aus geeigneten Nachschlagetabellen oder dergleichen bereitgestellt. Eine MinimalwertDetektorschaltung 76 ermittelt, welcher der drei Zielströme der niedrigste ist und wählt diesen Strom als den Wert aus, der in einem Vergleicher 78 mit dem gemessenen Batteriestrom auf einer Leitung 80 verglichen wird. Wenn während der Ladeoperation der minimale Zielstrom kleiner als der gemessene Batteriestrom ist, dann wird auf einer Leitung 86 ein Stromintegrations-Aktivierungssigrial an eine Stromintegrierer-Aktivierungsschaltung 82 geliefert, die den Stromintegrierer 88 einschaltet. Das Aktivierungssignal wird auch an eine Stromstrecken-Detektorschaltung 84 geliefert, das ein Signal auf der Leitung 42 bereitstellt, um den Spannungsintegrierer 36 wie vorstehend erörtert auszuschalten, wenn der Stromintegrierer 88 eingeschaltet ist. Das Ausschaltsignal auf der Leitung 102, wenn der Spannungsintegrierer 36 eingeschaltet ist, ist einer der Eingänge an die Stromintegrierer-Aktivierungsschaltung 82. Ein dritter Eingang an die Stromintegrierer-Alctivierungsschaltung 82 ist auf der Leitung 68 von der Sättigungsdetektorschaltung 60. Wenn die Spannung gerade von dem Spannungsintegrierer 36 integriert wird, dann schaltet die Spannungsstreckenschaltung 40 den Stromintegrierer 88 aus, und wenn der Strom gerade von Stromintegrierer 88 integriert wird, schaltet die Stromstreckenschaltung 84 den Spannungsintegrierer 36 aus.
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Das Ausschalten des Spannungsintegrierers 36, wenn der Stromregelmodus aktiv ist, verhindert, dass der Spannungsintegrierer 36 seinen Beitrag zum Addierer 50 verändert, was ermöglicht, dass der Stromregelungsintegrierer 88 eine unmittelbare und alleinige Auswirkung auf den Ladestrom auf der Leitung 62 aufweist. Andernfalls würde der Spannungsintegrierer 36 einen zunehmenden Term an den Addierer 50 liefern, was ein Überschwingen des Stroms verursachen würde. Das Ausschalten des Strömintegrierers 88 im Spannungsregelmodus verhindert, dass der Stromintegrierer 88 seinen Beitrag zum Addierer 50 verändert, was ermöglicht, dass der Spannungsregelungsintegrierer 36 eine unmittelbare und alleinige Auswirkung auf den Ladestrom auf der Leitung 62 aufweist. Andernfalls würde der Stromintegrierer 88 einen zunehmenden Term an den Addierer 50 liefern, der einen Teil des abnehmenden Terms des Spannungsregelungsintegrierers aufhebt und ein Überschwingen der Spannung verursacht. Diese Anti-Sättigungs- bzw. Anti-Wind-up-Merkmale für Spannung und Strom verbessern die Regelungsstabilität und Reaktion im Anschluss an die Übergänge zwischen den Spannungs- und Stromregelmodi. Somit umfassen die Aktivierungskriterien für die Schaltung 82 zum Einschalten des Strömintegrierers 88, ob der Batteriestrom unter dem minimalen Zielwert liegt, der Controller 10 gegenwärtig nicht im Spannungsregelmodus ist und der Ladestrom nicht gesättigt ist.
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Die Integrierer-Aktivierungsschaltung 82 schaltet den Stromintegrierer 88 durch eine Verstärkungsschaltung 90 ein, welche bei einem Beispiel auf eine Verstärkung von Eins eingestellt sein kann. Der Stromintegrierer 88 kann bei irgendeinem Prozentsatz des maximalen zum Laden verfügbaren Stroms starten, der durch eine Verstärkungsschaltung 92 eingestellt und an den Stromintegrierer 88 geliefert wird. Dieser Wert kann durch den maximalen Strom, der vom Ladegerät geliefert wird, auf einer Leitung 100 und durch den maximalen Batteriestrom, der auf einer Leitung 94 verfügbar ist, bestimmt werden, wobei das Minimum dieser zwei Werte durch eine Minimumschaltung 96 gewählt wird. Die Integration des Stroms durch den Stromintegrierer [engl.: current integration] 88 kann an einer Anzeigeeinrichtung 98 angezeigt werden. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird der durch den Stromintegrierer 88 integrierte Strom im Addierer 50 zu der Spannungsintegration addiert.
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Die vorstehende Erörterung hat rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart und beschrieben. Aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen wird der Fachmann leicht erkennen, dass darin verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
