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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachbilden eines Batteriesystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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In vielen technischen Bereichen geht der Trend zunehmend in Richtung elektrischer und hybrider Antriebe. Beiden gemein ist der elektrochemische Speicher, der beispielsweise in Form einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterie ausgeführt sein kann. Bei der Auslegung und Entwicklung von Prototypen nimmt daher die Batterie einen hohen Stellenwert ein. Der Aufbau und die versuchstechnische Erprobung von leistungsfähigen Batterien sind jedoch kostenintensiv und bringen ein hohes Gefahrenpotential mit sich. Daher sind im Vorfeld durchgeführte Simulationen zur Auslegung von Batteriesystemen sinnvoll.
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Die
DE 10 2010 062 838 A1 zeigt unter anderem ein Verfahren zur Echtzeit-Simulation einer Batterie, welche mehrere verbundene Einzelzellen umfasst. Insbesondere wird die Simulation der Batterie zu Testzwecken eines Steuergeräts genutzt. Die Batterie wird durch ein Batteriegesamtmodell beschrieben, bei dem die Klemmspannungen der einzelnen Batteriezellen nachgebildet werden. Das Batteriegesamtmodell umfasst ein Simulationsmodell für eine Referenzzelle und ein weiteres Simulationsmodell, welches die Abweichungen der Klemmspannung relativ zu der Referenzzelle berechnet. Damit die Klemmspannung berechnet werden kann, müssen verschiedene Batterieparameter bekannt sein wie beispielsweise Kapazität oder ohmscher Innenwiderstand, die jedoch von verschiedenen Faktoren abhängig sind. Diese Batterieparameter werden aus Datenblättern entnommen oder individuell gemessen. Die in den Datenblättern angegebenen Batterieparameter geben jedoch nur grob das benötigte Eigenschaftenspektrum der Batteriezelle wieder. Durch individuelle Messreihen ist es möglich die benötigten Daten vor einer Simulation zu erhalten, jedoch muss im Vorfeld klar sein, unter welchen Bedingungen die Messungen durchgeführt werden sollen.
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Die so gewonnenen Batterieparameter können jedoch nicht alle Situationen abdecken und weisen dadurch viele Abweichungen von dem realen Batteriezellenverhalten auf.
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Weiterer Stand der Technik ist unter anderem aus der
US8749091B2 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachbilden eines Batteriesystems zu schaffen, die das Verhalten von unterschiedlichen im Batteriesystem enthaltenen Batteriezellen präzise und schnell nachbilden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Nachbilden eines Batteriesystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Bei einem Verfahren zum Nachbilden eines Batteriesystems, wird eine hardwareseitige Batteriezelle mit einer hardwareseitigen steuer- und regelbaren elektrischen Energiequelle und/oder -senke elektrisch verbunden und eine software- und/oder hardwareseitige Simulation des Batteriesystems durchgeführt. Erfindungsgemäß werden die für die software- und/oder hardwareseitige Simulation notwendigen Batterieparameter in situ aus der zumindest einen hardwareseitigen Batteriezelle gemessen.
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Um die Genauigkeit von Batteriesystem-Emulatoren zu verbessern, müssen die für die Simulation verwendeten Batterieparameter ebenfalls präzise ermittelt werden. Da die Batterieparameter von einer Vielzahl physikalischer und chemischer Bedingungen abhängig sind, die allesamt in einer Software als Tabelle berücksichtigt werden können, ist es Vorteilhaft die Batterieparameter abhängig von den Simulationsbedingungen direkt aus einem Batteriesystem oder einer einzelnen Batteriezelle, die die Eigenschaften der Batteriezellen im Batteriesystem repräsentiert durch Messungen zu ermitteln. Darüber hinaus können auch mehrere Batteriezellen in serieller und/oder paralleler Schaltung als Referenz verwendet werden. Hierdurch müssen die Batterieparameter nicht im Vorfeld durch Messungen unter unterschiedlichen Randbedingungen gewonnen werden. Die Messungen können je nach Simulationsbedingungen in definierten zeitlichen Abständen oder aber je nach Bedarf abhängig von der Simulation erfolgen. Die Simulation kann beispielsweise softwareseitig im Rahmen einer Simulationsumgebung auf einem Rechner, hardwareseitig durch elektronische Schaltungen oder als Kombination beider Möglichkeiten realisiert werden. Das gesamte Verfahren zum Nachbilden eines Batteriesystems kann an verschiedene Batteriezellen schnell und flexibel angepasst werden. Als mögliche Batteriezellen können beispielsweise Lithiumionen-Batterien, Lithium-Polymer, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren und dergleichen verwendet werden. Die Simulation kann sowohl in einer Softwareumgebung auf einem Rechner, als auch hardwareseitig durch elektrische Schaltungen erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energiequelle oder -senke von der software- und/oder hardwareseitigen Simulation gesteuert und geregelt. Hierdurch kann die an die Energiequelle oder -senke angeschlossene Batteriezelle den der Simulation entsprechenden Bedingungen ausgesetzt werden. Somit wird die Batteriezelle hardwareseitig in die Simulation integriert und wirkt als ein Teil des Verfahrens zum Nachbilden des Batteriesystems.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die an der Batteriezelle messbaren Batterieparameter der software- und/oder hardwareseitigen Simulation zugeführt. Hierdurch kann die Simulation direkt Einfluss auf Messeinrichtungen nehmen, indem diese zwecks Ermittlung von Batterieparametern Messungen veranlasst. Weiterhin können die Messdaten direkt an die software- und/oder hardwareseitige Simulation geleitet und von dieser ausgewertet werden. Die von der Simulation vorgegebenen Simulationsbedingungen können ebenfalls bei der Ermittlung von Batterieparametern berücksichtigt werden. Hierdurch wird die Genauigkeit des Verfahrens erhöht, da die exakt an die Simulationsbedingungen angepassten Messungen zur Ermittlung von Batterieparametern durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Batterieparameter der Batteriezelle auf das nachzubildende Batteriesystem skaliert. Hierdurch reicht bereits zumindest eine einzelne Batteriezelle aus, um das gesamte, oftmals aus einer Vielzahl an Batteriezellen bestehenden, Batteriesystems nachzubilden. Der Skalierungsvorgang kann sowohl hardware- als auch softwareseitig realisiert werden. Da nur zumindest eine Batteriezelle analysiert wird, können die Kosten gesenkt und die möglichen Gefahren im Umgang mit Elektrochemischen Speichern hoher Energiedichte minimiert werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Batteriezelle in einer durch die Simulation geregelten Klimakammer mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt. Durch diese Maßnahme können auch gezielt Umwelteinflüsse, wie beispielsweise warme oder kalte Gebiete mit unterschiedlichen Höhen in der software- und/oder hardwareseitigen Simulation berücksichtigt werden. Die Batteriezelle wird dadurch denselben physikalischen Gegebenheiten ausgesetzt, die durch die Simulation untersucht werden.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems hat einen softwareseitigen steuer- und regelbaren Treiber zum Simulieren einer hardwareseitigen elektrischen Energiequelle und/oder -senke, ein hardwareseitiges Messsystem zum Messen von Batterieparametern und einen Rechner zum Ausführen einer softwareseitigen Simulation und/oder einem elektrischen Schaltkreis zum Ausführen einer hardwareseitigen Simulation zum Simulieren des Batteriesystems. Erfindungsgemäß sind die für die Nachbildung des Batteriesystems notwendigen Batterieparameter aus der zumindest einen hardwareseitigen, an den Treiber und das Messsystem angeschlossenen, Batteriezelle in situ messbar.
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Hierdurch können die Eigenschaften der Batteriezelle als Referenz für das zu untersuchende Batteriesystem schnell und exakt ermittelt werden. Die Batteriezelle kann durch den regelbaren Treiber mit einer elektrischen Last beaufschlagt werden. Die resultierenden elektrischen und/oder thermischen Reaktionen der Batteriezelle werden in Form von Batterieparametern der software- und/oder hardwareseitigen Simulation wieder zugeführt. Die Batteriezelle mit dem Treiber und dem Messsystem sind dabei hardwareseitige Bestandteile der software- und/oder hardwareseitigen Simulation auf dem Rechner. Da nur eine einzelne oder wenige Batteriezellen für die Simulation benötigt werden, lassen sich die Kosten für die Untersuchung von Batteriezellen und die möglichen Gefahren bei einer Überlastung der Batteriezellen im Vergleich zu einem Batteriesystem minimieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems weist die Batteriezelle eine thermische und/oder mechanische Kopplung zu der software- und/oder hardwareseitigen Simulation auf. Hierdurch lassen sich mögliche Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die Batterie untersuchen. Die Genauigkeit der Vorrichtung kann hierdurch erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems steuert und regelt die software- und/oder hardwareseitige Simulation den Treiber. Die reale Batteriezelle wird durch den regelbaren Treiber den Simulationsbedingungen entsprechend angesteuert und somit der Batteriezelle Strom bzw. Spannung zugeführt oder entnommen. Damit können elektrische Lasten oder Quellen emuliert werden. Die hardwareseitige Batteriezelle kann somit mit den durch die Simulation untersuchten elektrischen Lastzyklen beaufschlagt werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems führt das Messsystem die in situ messbaren Batterieparameter der softwareseitigen Simulation zu. Dadurch können die ermittelten Batterieparameter direkt von der Simulation weiter verwertet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems skaliert die software- und/oder hardwareseitige Simulation und/oder das Messsystem die in situ messbaren Betriebsparameter auf das Batteriesystem. Hierdurch können die ermittelten Batterieparameter der zumindest einen Batteriezelle auf ein beliebig großes Batteriesystem übertragen und somit Aussagen über das Verhalten späterer Batteriesystem-Prototypen treffen.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
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2 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 hat eine hardwareseitige Batteriezelle 2, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Lithium-Polymer Zelle ist. Die Batteriezelle 2 ist elektrisch mit einem regelbaren Treiber 4 verbunden.
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Der Treiber 4 kann hierbei sowohl als Energiequelle als auch Energiesenke funktionieren. Dadurch kann die Batteriezelle 2 mit elektrischer Last beaufschlagt werden, jedoch auch Vorgänge, die elektrische Energie in die Batteriezelle 2 zurückspeisen wie beispielsweise Rekuperation nachgebildet werden.
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Der regelbare Treiber 4 ist mit einem Rechner 6 beispielsweise über ein BUS-System oder Netzwerk verbunden, auf dem eine softwareseitige Simulation 6 ablaufen kann. Die Simulation 6 regelt den Treiber 4 und nimmt somit aktiv an der Ansteuerung der Batteriezelle 2 teil. Die Simulation 6 bestimmt damit die Belastung der Batteriezelle 2.
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Der regelbare Treiber 4 übersetzt somit die softwareseitig in der Simulation 6 „durchgefahrenen“ Lastzyklen in die hardwareseitige Ebene der Batteriezelle 2. Die Lastzyklen können dabei beispielsweise einer Aneinanderreihung von Strom- und/oder Spannungswerten entsprechen, die von einem Elektromotor oder einem Batteriemanagementsystem benötigt werden. Dies kann zeitlich variabel sein, oder von anderen Faktoren wie Temperatur oder Auslöseereignissen abhängen.
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Weiterhin ist ein Messsystem 8 zum Ermitteln der für die Simulation 6 benötigten Daten vorhanden. Das Messsystem 8 kann beispielsweise Strom- und Spannungsmesser enthalten.
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Viele Batteriesysteme, insbesondere auf Basis von Lithium, sind in hermetisch verschlossenen Gehäusen verbaut, um eine mögliche exotherme Reaktion mit dem Wassergehalt in der Luft zu unterbinden. Hierbei sind beispielsweise die thermischen Eigenschaften einer Batteriezelle von Interesse, da die unter elektrischer Belastung entstehende Wärme nur schwer abgeführt werden kann. Mit zunehmender Größe des Batteriesystems können darüber hinaus auch einzelne Batteriezellen thermisch isoliert werden, sodass diese überhitzen und Schaden nehmen können. Um diese Aspekte im Vorfeld zu untersuchen kann das Messsystem 8 auch thermische Sensoren zur Messung der Temperaturverteilung auf der Batteriezelle 2 aufweisen.
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Das Messsystem 8 führt die für die Ermittlung der Batterieparameter benötigten Messungen an der Batteriezelle 2 durch und leitet die Messdaten an die softwareseitige Simulation 6 weiter. Dabei können beispielsweise die Spannung der Batteriezelle 2 als Indikator für den Ladezustand oder der abgegebene maximale Strom für die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle 2 dienen. Dabei hängen beispielsweise die an der Batteriezelle 2 anliegende Spannung und der abgegebene Strom von der Temperatur ab. Auch ein Innenwiderstand der Batteriezelle 2 ist temperaturabhängig. Der Innenwiderstand kann hierbei zum Beispiel Aussagen für eine Erwärmung der Batteriezelle 2 unter elektrischer Belastung liefern.
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Das Messsystem 8 kann direkt mit dem regelbaren Treiber 4 verbunden sein oder indirekt über die Simulation 6 und somit auch aus dem Treiber 4 Daten wie Strom oder Spannung ermitteln. Damit kann insbesondere die Interaktion zwischen der softwareseitigen Simulation 6 und dem Treiber 4 überprüft werden.
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Die Resultate der Simulation 6 im Anschluss an die Simulation 6 oder kontinuierlich bzw. in definierten zeitlichen Abständen ausgegeben oder weitergeleitet 10.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachbilden eines Batteriesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel vom ersten Ausführungsbeispiel in der Verwendung einer Klimakammer 12. Dabei ist die Batteriezelle 2 in einer abgeschlossenen Klimakammer 12 angeordnet, sodass die Batteriezelle 2 mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder Drücken beaufschlagt werden kann. Dabei können beispielsweise unterschiedliche Umgebungsbedingungen ebenfalls in die Simulation 6 einbezogen werden. Hier lässt sich beispielsweise auch die Verwendung von Batteriesystemen in Flugzeugen bei unterschiedlichen Flughöhen simulieren.
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Die Klimakammer 12 ist hierbei mit dem Messsystem 8 und der Simulation 6 gekoppelt, sodass die Simulation 6 Einfluss auf die physikalischen Bedingungen der Batteriezelle 2 nehmen kann.
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Im Folgenden wird das Verfahren verdeutlicht. Die Simulation 6, die in einer Simulationsumgebung auf einem Rechner 6 läuft dient beispielsweise einer Untersuchung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs während einer Fahrt zur Arbeit. Gemäß den aufgeführten Ausführungsbeispielen ist die Simulation in Form einer Software auf einem Rechner ausgeführt, jedoch kann diese auch hardwarebasiert erfolgen. Dabei setzt sich der Weg aus Überlandfahrt, Autobahnfahrt und Stadtfahrt zusammen. Während der Überlandfahrt hat das Batteriesystem dieselbe Temperatur wie die Umgebung. Die elektrische Belastung des Batteriesystems ist gering. Während der Autobahnfahrt wird viel Leistung benötigt, sodass die elektrische Belastung des Batteriesystems sehr hoch ist und sich anschließend während der Stadtfahrt wieder reduziert.
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Wird dieses Szenario simuliert, liegen die verschiedenen Geschwindigkeitsprofile als eine zeitlich diskrete Abfolge an Strom- und Spannungswerten, die das Batteriesystem zur Verfügung stellen soll.
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Wird die Simulation 6 ausgeführt, steuert diese den regelbaren Treiber 4 an, sodass dieser die an ihm angeschlossene Batteriezelle 2 mit der zeitlich diskreten Abfolge an Strom- und Spannung beaufschlagt. Dabei werden die Werte entsprechend einer einzelnen Zelle im Batteriesystem verwendet. Die Batteriezelle 2 wird demnach wie ein tatsächliches Batteriesystem genutzt. Wenn im Batteriesystem einige Batteriezellen parallel geschaltet sind um die Kapazität zu erhöhen, so kann die Batteriezelle 2 ebenfalls als eine Parallelschaltung aus mehreren Batteriezellen bestehen.
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Im Verlauf der Simulation 6 wird die Batteriezelle 2 unterschiedlich stark belastet. So kann beispielsweise in Echtzeit untersucht werden, wann die Batteriezelle 2 nicht mehr nutzbar ist und geladen werden muss, oder wie stark sie thermisch beansprucht wird. Das Messsystem 8 ermittelt als diese Werte.
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Hierbei lassen sich beispielsweise entweder die Batterieparameter wie Ladezustand oder Innenwiderstand entweder in zeitlichen Abständen ermitteln. Es kann alternativ auch auf die Ermittlung der Batterieparameter verzichtet werden, da die Batteriezelle 2 direkt die benötigten Werte wie beispielsweise Temperatur oder Klemmspannung direkt als Reaktion auf die elektrische Last messbar bereitstellt.
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Die so ermittelten Zwischenergebnisse lassen sich nun beispielsweise durch die Simulation 6 auf das gesamte zu untersuchende Batteriesystem des Fahrzeugs hoch skalieren.
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Zum Schluss wird das Ergebnis ausgegeben 10 und steht bereit für beispielsweise weitere Auswertungen.
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Offenbart ist ein Verfahren zum Nachbilden eines Batteriesystems, wobei eine hardwareseitige Batteriezelle 2 mit einer hardwareseitigen steuer- und regelbaren elektrischen Energiequelle und/oder -senke elektrisch verbunden wird und eine software- und/oder hardwareseitige Simulation 6 des Batteriesystems durchgeführt wird, und wobei Batterieparameter in situ an der zumindest einen hardwareseitigen Batteriezelle 2 gemessen werden. Weiterhin ist eine Vorrichtung 1 zum Durchführen des Verfahrens offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- hardwareseitige Batteriezelle
- 4
- regelbarer Treiber
- 6
- softwareseitige Simulation auf einem Rechner / hardwareseitige Simulation beispielsweise durch elektrische Schaltung
- 8
- Messsystem
- 10
- Ausgabe
- 12
- Klimakammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062838 A1 [0003]
- US 8749091 B2 [0005]
