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Die Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher, einen Hauptwandler zur Wandlung der im Hochvolt-Spannungsnetz vorhandenen Hochvolt-Spannung auf eine vorbestimmte im Niedervolt-Spannungsnetz vorhandene Niedervolt-Spannung für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher und ein Batteriemanagementsystem aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Bordnetzsystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetzsystem.
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Derartige Bordnetzsysteme sind bekannt und üblicherweise Teil von Elektro- oder Hybridfahrzeugen mit einem Traktionsspeicher, der den Hochvolt-Energiespeicher (Hochvolt-Spannung-Energiespeicher) bildet, und einem Bordnetz, das das Niedervolt-Spannungsnetz bildet und eine Niedervolt-Spannung, beispielsweise 12 V, bereitstellt bzw. mit einer Niedervolt-Spannung oder Niedervolt betrieben wird. Als Spannungsquelle für das Niedervolt-Spannungsnetz ist üblicherweise eine Niedervoltbordnetzbatterie vorgesehen.
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Grundsätzlich besteht das Problem, dass der Energieverbrauch im abgestellten Kraftfahrzeug zu einer Entladung der Niedervoltbordnetzbatterie führt. Dies hat zur Folge, dass diese Batterie groß genug dimensioniert werden muss, um eine zuverlässige Spannungsversorgung für einen bestimmten Zeitraum zu gewährleisten.
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Ferner ist es bekannt, während der Abstellphase bzw. Standzeit eines Kraftfahrzeugs den Hochvolt-Energiespeicher als Spannungsquelle für das Niedervolt-Spannungsnetz zu nutzen. Hierbei besteht jedoch das Risiko, dass der Hochvolt-Energiespeicher in unzulässiger Weise tiefentladen und somit in seiner Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, das über einen besonders langen Zeitraum eine sichere Spannungsversorgung während der Abstellphase des Kraftfahrzeugs gewährleistet. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bordnetzsystems bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Bordnetzsystems für ein Kraftfahrzeug, das einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher, einen Hauptwandler zur Wandlung der im Hochvolt-Spannungsnetz vorhandenen Hochvolt-Spannung auf eine vorbestimmte im Niedervolt-Spannungsnetz vorhandene Niedervolt-Spannung für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher, ein Batteriemanagementsystem und eine Bypasswandler-Baugruppe hat. Die Bypasswandler-Baugruppe ist dabei dazu eingerichtet, während einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs eine vorbestimmte Energiemenge aus dem Hochvolt-Spannungsnetz in das Niedervolt-Spannungsnetz einzubringen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Kumulieren der Energiemenge, die in einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs über die Bypasswandler-Baugruppe in das Niedervolt-Spannungsnetz eingebracht wird, und
- b) Abschalten der Bypasswandler-Baugruppe, wenn die kumulierte Energiemenge eine bestimmte, maximal zulässige Energiemenge überschreitet, die dem Hochvolt-Energiespeicher in einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs entnommen werden darf.
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Im Sinne der Erfindung ist die Abstellphase des Kraftfahrzeugs insbesondere eine Phase, in der das Kraftfahrzeug nicht aktiv betrieben wird und abgestellt bzw. geparkt ist. Dieser Zustand kann ferner dadurch definiert sein, dass die Zündung des Kraftfahrzeugs deaktiviert wurde, dass ein beim Deaktivieren der Zündung ausgelöster Timer abgelaufen ist und/oder dass erfasst wird, dass der Fahrer oder die Fahrzeuginsassen das Kraftfahrzeug verlassen (und optional noch verriegelt) hat bzw. haben.
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Die separat zum Hauptwandler vorgesehene Bypasswandler-Baugruppe hat den Vorteil, dass sie speziell darauf abgestimmt sein kann, elektrische Energie aus dem Hochvolt-Spannungsnetz in das Niedervolt-Spannungsnetz während der Abstellphase einzubringen, in der der Leistungsbedarf deutlich geringer ist als im aktiven Betrieb des Kraftfahrzeugs bzw. während der Fahrt. Indem die Bypasswandler-Baugruppe beispielsweise ein Wirkungsgradoptimum bei einer niedrigeren Leistung hat als der Hauptwandler, kann die Spannungsversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes sehr viel effizienter und somit über einen längeren Zeitraum sichergestellt werden, als wenn das Niedervolt-Spannungsnetz während der Abstellphase über den Hauptwandler mit Spannung versorgt würde. Ferner stellt das Abschalten der Bypasswandler-Baugruppe bei Überschreiten der maximal zulässigen Energiemenge sicher, dass der Hochvolt-Energiespeicher dabei nicht unter eine festgelegte Schwelle entladen wird, also einen festgelegten Schwellenwert, wodurch der Hochvolt-Energiespeicher in einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs vor einer unzulässigen Tiefentladung geschützt ist.
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Die maximal zulässige Energiemenge kann hierbei vom Batteriemanagementsystem bestimmt und vor dem Abschalten des Batteriemanagementsystems in der Abstellphase des Kraftfahrzeugs an die Bypasswandler-Baugruppe übermittelt werden. Auf diese Weise kann die maximal zulässige Energiemenge zuverlässig bestimmt und der Energieverbrauch in der Abstellphase durch Abschalten des Batteriemanagementsystems reduziert werden.
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In einer Ausführungsform wird die maximal zulässige Energiemenge vom Batteriemanagementsystem anhand der schwächsten Zelle des Hochvolt-Energiespeichers bestimmt, um eine unzulässige Tiefentladung des Hochvolt-Energiespeichers zuverlässig auszuschließen.
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Zusätzlich oder alternativ können bei der Bestimmung der maximal zulässigen Energiemenge die Umgebungstemperatur, die Temperatur des Hochvolt-Energiespeichers und/oder die Zellalterung der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers berücksichtigt werden. Hierdurch kann die maximal zulässige Energiemenge besonders groß gewählt und gleichzeitig das Risiko minimiert werden, durch die Entnahme der maximal zulässigen Energiemenge den Hochvolt-Energiespeicher in seiner Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem einen Hochvolt-Energiespeicher umfassenden Hochvolt-Spannungsnetz für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher, einem Hauptwandler zur Wandlung der im Hochvolt-Spannungsnetz vorhandenen Hochvolt-Spannung auf eine vorbestimmte im Niedervolt-Spannungsnetz vorhandene Niedervolt-Spannung für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher, einem Batteriemanagementsystem und einer Bypasswandler-Baugruppe vorgesehen. Die Bypasswandler-Baugruppe ist dabei dazu eingerichtet, während einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs eine bestimmte, maximal zulässige Energiemenge aus dem Hochvolt-Spannungsnetz in das Niedervolt-Spannungsnetz einzutragen. Hierdurch weist das Bordnetzsystem die zuvor beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere ist das Bordnetzsystem durch die Bypasswandler-Baugruppe besonders energieeffizient und gewährleistet somit eine zuverlässige Spannungsversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes über einen besonders langen Zeitraum in der Abstellphase. Ferner ist der Hochvolt-Energiespeicher vor einer unzulässigen Tiefentladung geschützt, da die Energiemenge, die während einer Abstellphase des Kraftfahrzeugs aus dem Hochvolt-Spannungsnetz in das Niedervolt-Spannungsnetz eingetragen werden kann, auf einen festgelegten Wert begrenzt ist.
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In einer Ausführungsform ist der Hauptwandler als DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von mindestens 1 kW ausgebildet, um die Leistung des Kraftfahrzeugs im Betrieb nicht wesentlich einzuschränken.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Bypasswandler-Baugruppe als DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von maximal 100 W, insbesondere von maximal 50 W ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Bypasswandler-Baugruppe besonders energieeffizient gestaltet sein, um das Niedervolt-Spannungsnetz mittels der maximal zulässigen Energiemenge über einen besonders langen Zeitraum in der Abstellphase elektrisch betreiben zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Bypasswandler-Baugruppe in den Hochvolt-Energiespeicher oder in ein gemeinsames Gehäuse baulich integriert und somit geschützt.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetzsystem mit den zuvor genannten Vorteilen vorgesehen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug eine elektrische Antriebsmaschine für einen elektrischen Fahrbetrieb aufweist, wobei der Hochvolt-Energiespeicher zur Energieversorgung der elektrischen Antriebsmaschine eingerichtet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetzsystem, und
- - 2 in einer schematischen Darstellung das Bordnetzsystem aus 1.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Bordnetzsystem 20 gezeigt.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist hierbei eine elektrische Antriebsmaschine 12 in Form eines Elektromotors auf, mittels der das Kraftfahrzeug 10 für den Fahrbetrieb angetrieben werden kann.
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Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug 10 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
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Das Bordnetzsystem 20 (siehe 2) hat ein Hochvolt-Spannungsnetz 22 mit einem Hochvolt-Energiespeicher 24 und einem dem Hochvolt-Energiespeicher 24 zugeordneten Batteriemanagementsystem 26 sowie ein Niedervolt-Spannungsnetz 28.
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Der Hochvolt-Energiespeicher 24 bildet einen Traktionsspeicher des Kraftfahrzeugs 10, also einen Speicher für die zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 benötigte elektrische Energie.
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Das Niedervolt-Spannungsnetz 28 kann optional einen Niedervolt-Energiespeicher 30 aufweisen, beispielsweise in Form einer Niedervoltbordnetzbatterie.
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Das Hochvolt-Spannungsnetz 22 ist für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher mit einer Hochvolt-Spannung eingerichtet, insbesondere mit einer Hochvolt-Spannung von über 220V, beispielsweise 400 V oder 800 V.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Hochvolt-Spannungsnetz 22 für die Spannungsversorgung der elektrischen Antriebsmaschine 12 eingerichtet.
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Das Niedervolt-Spannungsnetz 28 ist für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher mit einer Niedervolt-Spannung eingerichtet, insbesondere mit einer Niedervolt-Spannung von unter 150 V, beispielsweise 48 V, 24 V oder 12 V.
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Das Hochvolt-Spannungsnetz 22 hat ferner einen Hauptwandler 32, der über einen Trennschalter 34 elektrisch mit dem Hochvolt-Energiespeicher 24 gekoppelt bzw. von diesem getrennt werden kann.
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Der Hauptwandler 32 ist hierbei dazu eingerichtet, die Hochvolt-Spannung des Hochvolt-Spannungsnetzes 22 in die Niedervolt-Spannung des Niedervolt-Spannungsnetzes 28 zu wandeln, um die Niedervolt-Verbraucher des Niedervolt-Spannungsnetzes 28 mit der Niedervolt-Spannung zu versorgen.
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In diesem Zusammenhang ist der Hauptwandler 32 ein DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von 3 bis 5 kW.
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Grundsätzlich kann der Hauptwandler 32 ein DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von mindestens 1 kW sein.
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Ferner hat der Hauptwandler 32 ein Wirkungsgradoptimum bei 1 kW.
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Zusätzlich zum Hauptwandler 32 hat das Hochvolt-Spannungsnetz 22 eine Bypasswandler-Baugruppe 36, die elektrisch mit dem Hochvolt-Energiespeicher 24 verbunden und dazu eingerichtet ist, unabhängig vom Hauptwandler 32 die Hochvolt-Spannung des Hochvolt-Spannungsnetzes 22 in die Niedervolt-Spannung des Niedervolt-Spannungsnetzes 28 zu wandeln, um die Niedervolt-Verbraucher des Niedervolt-Spannungsnetzes 28 mit der Niedervolt-Spannung zu versorgen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Hauptwandler 32 und die Bypasswandler-Baugruppe 36 parallel geschaltet.
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Die Bypasswandler-Baugruppe 36 ist als DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von 100 W ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Bypasswandler-Baugruppe 36 als DC/DC-Wandler mit einer Maximalleistung von 50 W ausgebildet.
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Ferner hat die Bypasswandler-Baugruppe 36 ein Wirkungsgradoptimum bei 1 bis 2 W.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Bypasswandler-Baugruppe 36 und der Hochvolt-Energiespeicher 24 zusammen mit dem Batteriemanagementsystem 26 und dem Hauptwandler 32 in einem Gehäuse 38 untergebracht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Bypasswandler-Baugruppe 36 in das Gehäuse 38 oder den Hochvolt-Energiespeicher 24 integriert.
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Des Weiteren sind der Hochvolt-Energiespeicher 24 und die Bypasswandler-Baugruppe 36 signalübertragend mit dem Batteriemanagementsystem 26 verbunden.
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Um bestimmte Niedervolt-Verbraucher mit Niedervolt-Spannung zu versorgen, wenn das Kraftfahrzeug 10 abgestellt ist und nicht aktiv betrieben wird, d.h., sich das Kraftfahrzeug 10 in einer Abstellphase befindet, wird das Niedervolt-Spannungsnetz 28 über die Bypasswandler-Baugruppe 36 wie nachfolgend beschrieben mit Niedervolt-Spannung versorgt.
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Wird eine Abstellphase vom Batteriemanagementsystem 26 erkannt, ermittelt das Batteriemanagementsystem 26 eine maximal zulässige Energiemenge, die dem Hochvolt-Energiespeicher 24 entnommen werden darf, um sie in der Abstellphase in das Niedervolt-Spannungsnetz 28 einzubringen.
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Das Batteriemanagementsystem 26 ermittelt die maximal zulässige Energiemenge dabei anhand der schwächsten Zelle des Hochvolt-Energiespeichers 24, beispielsweise indem es die Anzahl der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 24 mit der Energiemenge multipliziert, die der schwächsten Zelle des Hochvolt-Energiespeichers 24 entnommen werden darf, ohne diese in einen kritischen Zustand zu überführen, d.h. einen Zustand, in dem die Zelle bzw. der Hochvolt-Energiespeicher 24 tiefentladen ist oder der die Leistungsfähigkeit des Hochvolt-Energiespeichers 24 dauerhaft beeinträchtigen würde.
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Ferner berücksichtigt das Batteriemanagementsystem 26 beim Ermitteln der maximal zulässigen Energiemenge die Umgebungstemperatur, die Temperatur des Hochvolt-Energiespeichers 24 und/oder die Zellalterung der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 24, beispielsweise indem die zur Verfügung stehende Energiemenge mit einem entsprechenden Faktor multipliziert wird, der in einem Speicher des Batteriemanagementsystem 26 hierzu hinterlegt ist.
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In einem nachfolgenden Schritt übermittelt das Batteriemanagementsystem 26 die ermittelte maximal zulässige Energiemenge an die Bypasswandler-Baugruppe 36.
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Nachfolgend wird das Batteriemanagementsystem 26 abgeschaltet, um den Energieverbrauch in der Abstellphase zu verringern.
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In einem weiteren Schritt wird der Trennschalter 34 geöffnet und damit der Hauptwandler 32 von dem Hochvolt-Energiespeicher 24 elektrisch getrennt. Die Spannungsversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes 28 durch den Hochvolt-Energiespeicher 24 erfolgt ab diesem Zeitpunkt somit ausschließlich über die Bypasswandler-Baugruppe 36.
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In diesem Zusammenhang ist die Bypasswandler-Baugruppe 36 dazu eingerichtet, die Energiemenge, die in der Abstellphase über die Bypasswandler-Baugruppe 36 in das Niedervolt-Spannungsnetz 28 eingebracht wird, aufzusummieren und sich abzuschalten, sobald die maximal zulässige Energiemenge überschritten wird, um so eine weitere Energieentnahme aus dem Hochvolt-Energiespeicher 24 zu unterbinden.
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Auf diese Weise kann in der Abstellphase des Kraftfahrzeugs 10 das Niedervolt-Spannungsnetz 28 mittels des Hochvolt-Energiespeichers 24 mit Spannung versorgt werden, ohne dabei den Hochvolt-Energiespeicher 24 zu gefährden.
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Dadurch, dass das Wirkungsgradoptimum der Bypasswandler-Baugruppe 36 auf den Leistungsbedarf in der Abstellphase abgestimmt ist, wird das Niedervolt-Spannungsnetz 28 über die Bypasswandler-Baugruppe 36 besonders energieeffizient mit Spannung versorgt.
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Ferner funktioniert die Bypasswandler-Baugruppe 36 unabhängig von dem Batteriemanagementsystem 26, sodass das Batteriemanagementsystem 26 in der Abstellphase abgeschaltet werden kann.
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Dies hat den Vorteil, dass eine besonders lange Energieversorgung in der Abstellphase sichergestellt werden kann, insbesondere von mindestens 6 Wochen.
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Des Weiteren kann so der Niedervolt-Energiespeicher 30 besonders klein gestaltet sein oder vollständig entfallen.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
