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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer Zellspannung mit einer Batteriezelleneinheit mit wenigstens einer Zelle in einer Zellschaltung und einer zu der Zelle parallel angeordneten Bypassschaltung.
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Eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, beinhaltet in der Regel mehrere Zellen. Diese Zellen weisen häufig Lithiumionen auf. Beim Betrieb dieser Batterie wird in der Regel die Zellspannung jeder Zelle gemessen und überwacht. Dies erfolgt häufig zentral in einem Batterie-Management-System (BMS).
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Für die Funktionstüchtigkeit der Zelle ist es wichtig, dass die Zellspannung stets innerhalb eines festgelegten Bereichs liegt. Anderenfalls befände sich die Zelle in einem potentiell gefährlichen Zustand. Eine tiefentladene Zelle kann nicht mehr ohne Weiteres aufgeladen werden und stellt ein gewisses Sicherheitsrisiko dar. Dasselbe gilt auch für eine überladene Zelle. Für einen Fahrer eines Fahrzeugs könnte dies unangenehme Folgen haben, beispielsweise ein Liegenbleiben des Fahrzeugs.
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Trotz des Batterie-Management-Systems kann der Fall auftreten, dass die Zellspannungswerte über einen längeren Zeitraum außerhalb des vorgegebenen Intervalls liegen. Dies kann beispielsweise durch ein fehlerhaftes Verhalten des Batterie-Management-Systems, eine Beschädigung beziehungsweise Ausfall des Batterie-Management-Systems oder über eine Ruhestromaufnahme eintreten. Einzelne Zellen, welche seit einer längeren Zeit nicht mehr angepasst beziehungsweise gewartet wurden, können zu Zellspannungswerten außerhalb eines vorgegebenen Intervalls führen.
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Die Druckschrift
US 2012/0133330 A1 beschreibt ein Lastenausgleichsmesskontrollsystem, welches eine Umgehungsschaltung mit einem Widerstand und einem Schalter beinhaltet. Die Umgehungsschaltung ist parallel zu jeder einzelnen Zelle ausgeführt. Ferner weist das Lastenausgleichsmesskontrollsystem eine Spannungsdetektionsvorrichtung, eine Temperaturerfassungseinheit und eine Kontrolleinheit auf. Die Kontrolleinheit ist dazu ausgebildet, ein Einschaltverhältnis des Schaltelements aufgrund eines Temperaturwerts, der von der Temperaturerfassungseinrichtung detektiert wurde, und einer Zellspannung, die von der Spannungsdetektionsvorrichtung erfasst wurde, zu ermitteln.
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Die Druckschrift
US 2014/0009122 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, eine Lithiumbatterie aufzuladen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung beinhaltet die Vorrichtung eine Lithiumbatterie, einen Temperatursensor, eine Spannungsdetektionseinheit und eine Hauptprozessoreinheit (CPU = central processor unit). Die Hauptprozessoreinheit ermittelt eine Anfangsspannung für ein Turboladen unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur der Lithiumbatterie. Ferner ermittelt der Hauptprozessor eine Anfangsspannung für ein Impulsladen. Der Hauptprozessor vergleicht die ermittelte Anfangsspannung für das Impulsladen mit der Spannung der Lithiumbatterie, um auf diesem Vergleich basierend das Impulsladesignal, das Turboladesignal oder ein Konstantstromladesignal zu erzeugen. Die Erfindung beinhaltet ferner eine Ladekontrolleinrichtung für diese verschiedenen Ladeverfahren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Batterien, insbesondere von Hochvolt-Batterien, weiter zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Lösung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer Zellspannung mit einer Batteriezelleneinheit mit wenigstens einer Zelle in einer Zellschaltung und einer zu der Zelle parallel angeordneten Bypassschaltung vor. Die Erfindung zeichnet sich durch einen Komparator zum Überwachen der Zellspannung der wenigstens einen Zelle aus, dessen Ausgangssignal dazu ausgebildet ist, ein Schaltelement in der Bypassschaltung und ein Schaltelement in der Zellschaltung zu steuern. Die Überwachung der Zellspannung erfolgt durch einen Vergleich mit einer vorgegebenen Referenzspannung. Durch die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung ist eine hardwareseitige Überwachung der Zellspannung gegeben, welche keine Software oder keinen PC benötigt. Dabei kann jeweils das Schaltelement als Relais oder als Transistor, insbesondere als MOSFET, ausgebildet sein.
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Eine weitere sinnvolle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Überwachungseinrichtung mit einer Zelltemperaturüberwachungseinrichtung vor, die insbesondere einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, wobei ein Signalausgangswert der Zelltemperaturüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das Schaltelement in der Bypassschaltung und das Schaltelement in der Zellschaltung zu steuern. In dieser Ausführungsform wird die hardwareseitige Überwachung der Zellspannung um eine Temperaturüberwachung erweitert. Auch die so erweiterte Überwachungseinrichtung benötigt keinerlei Software oder Computer für ihre Funktionsfähigkeit. Dies kann dabei hilfreich sein, die Lebensdauer der Zelle zu verlängern.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Überwachungseinrichtung vor, die einen DC/DC-Wandler aufweist, mittels dessen eine Referenzspannung für den Komparator erzeugbar ist. Mittels des DC/DC-Wandlers mit variabler Eingangsspannung kann die Referenzspannung erzeugt werden. Die variable Eingangsspannung liegt beispielsweise zwischen 1 bis 5 Volt. Damit kann die Referenzspannung flexibel auf die jeweilige Zelle angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, die Überwachungseinrichtung aus einer Batterie zu entfernen, um sie in einer weiteren anderen Batterie einzusetzen.
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Eine weitere Option der vorliegenden Erfindung sieht eine Überwachungseinrichtung vor, wobei in der Zellschaltung und/oder der Bypassschaltung zu dem jeweiligen Schaltelement ein hierzu redundantes Schaltelement verbaut ist. In sinnvoller Weise sind die Schaltelemente derart geschaltet, dass entweder die Zellschaltung oder die Bypassschaltung in einen Strompfad integriert sind. Wären beide Strompfade zugleich aktiv, würde dies einen Kurzschluss darstellen. Um sicherzustellen, dass auch bei einem fehlerhaften Schaltelement einer dieser beiden Strompfade ausgekoppelt wird, ist es sinnvoll, zu dem jeweiligen Schaltelement ein hierzu redundantes Schaltelement zu verbauen.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Überwachen einer Zellspannung in einer Batteriezelleneinheit mit wenigstens einer Zelle in einer Zellschaltung und einer zu der Zelle parallel angeordneten Bypassschaltung bereit. Zunächst wird die Zellspannung mit einer Referenzspannung durch einen Komparator, der ein Ausgangssignal erzeugt, verglichen. Ein Schaltelement in der Zellschaltung und ein Schaltelement in der Bypassschaltung werden mittels des Ausgangssignals des Komparators gesteuert. Dieses Verfahren kann zum Batterie-Management-System eine redundante Überwachung bereitstellen, welche nicht auf die Funktionsfähigkeit einer Software und/oder eines Computers angewiesen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur ein Schaltbild einer exemplarischen Batterie mit einer hardwarebasierten Überwachungseinrichtung.
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In der einzigen Figur ist eine Zelle 1, eine vorgelagerte Zelle 10 sowie eine nachgelagerte Zelle 11 skizzenhaft gezeigt. Diese sowie eventuell weitere vorhandene Zellen ergeben einen Zellstapel. In der einzigen Figur ist neben einer Überwachungseinrichtung 4 für eine Zellspannung zusätzlich eine Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 angedeutet. Parallel zur Zellschaltung, welche die vorgelagerte Zelle 10, die Zelle 1 sowie die nachgelagerte Zelle 11 in Reihenschaltung beinhaltet, ist beispielhaft eine Bypassschaltung 13 parallel zur Zelle 1 eingezeichnet. In dieser Bypassschaltung 13 befindet sich beispielhaft ein Schaltelement 5. Ein weiteres Schaltelement 6 befindet sich in der Zellschaltung.
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Ein Komparator 2 greift die Zellspannung an der Zelle 1 ab und vergleicht diese mit einer Referenzspannung. Die Referenzspannung wird in diesem Beispiel durch einen DC/DC-Wandler 3 erzeugt, welche dem Komparator 2 zum Vergleich mit der Zellspannung zugeführt wird. Dabei kann die Referenzspannung je nach Bedürfnis beziehungsweise Batterietyp angepasst werden. Durch den Vergleich dieser beiden Spannungswerte wird am Ausgang des Komparators 2 ein Ausgangssignal erzeugt, welches zur Steuerung der beiden Schaltelemente 5 und 6 eingesetzt werden kann.
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Befindet sich beispielsweise die Zellspannung der Zelle 1 in einem vorbestimmten Intervall, so kann die Überwachungseinrichtung 4 derart ausgestaltet sein, dass das Schaltelement 6 in der Zellschaltung leitend ist, während hingegen das Schaltelement 5 in der Bypassschaltung 13 stromsperrend geschaltet ist. In diesem Fall wäre die Zelle 1 in den Stromfluss der Batteriezelleneinheit 12 integriert.
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Ein ähnliches Prinzip gilt für die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9. Ein temperaturabhängiger Widerstand 8 ist in dem Beispiel der einzigen Figur thermisch an die Zelle 1 gekoppelt. Die eingezeichnete Linie vom temperaturabhängigen Widerstand 8 zur Zelle 1 ist mehr als thermische Anbindung zu sehen, die am temperaturabhängigen Widerstand 8 dieselbe Temperatur wie an der Zelle 1 bereitstellt. Dies kann beispielsweise über eine sehr gut thermisch leitende Verbindung realisiert werden oder dadurch, dass der temperaturabhängige Widerstand 8 direkt auf der Zelle befestigt ist. Die in der einzigen Figur weiteren eingezeichneten Widerstände R1 bis R3 fungieren in diesem Beispiel als Spannungsteiler. So kann der elektrische Spannungsabfall über die einzelnen Widerstände R1 bis R3 verändert werden. Der temperaturabhängige Widerstand 8 beeinflusst ein Eingangssignal für die Zelltemperatur für einen weiteren Komparator 7. Ein Vergleich dieses Eingangssignals mit einem vorgegebenen Wert, der beispielsweise eine maximale zulässige Temperatur repräsentiert, wird ein entsprechendes Ausgangssignal am Komparator 7 erzeugt. Dieses Ausgangssignal kann ebenso wie bei der Überwachungseinrichtung 4 für die Zellspannung auch zum Steuern der Schaltelemente 5 und 6 eingesetzt werden. Dabei kann die Vergleichsspannung für die Temperatur auch variabel anpassbar ausgeführt sein.
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Im normalen Betriebszustand weist die Zelle einen Temperaturwert auf, der unterhalb einer zuvor definierten Grenztemperatur liegt und die Zellspannung an der Zelle 1 überschreitet nicht einen vorgegebenen Grenzwert. In diesem Fall fließt kein Strom durch die Bypassleitung 13, sondern entlang der Zellschaltung durch das Schaltelement 6.
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Befindet sich die Zellspannung und/oder die Zelltemperatur außerhalb des definierten Bereiches, so stellt dies einen Fehlerfall dar. In diesem Fall würde entweder die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 oder die Überwachungseinrichtung 4 das Schaltelement 6 auf stromsperrend schalten und das Schaltelement 5 in der Bypassschaltung 13 auf stromleitend zu schalten. In diesem Zustand wäre die Zelle 1 somit aus dem Strompfad herausgeschaltet. Andere Zellen, wie die vorgelagerte Zelle 10 oder die nachgelagerte Zelle 11, sind von der Überwachungseinrichtung 4 beziehungsweise von der Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 nicht betroffen. Diese beiden Überwachungseinrichtungen betreffen nur die Zelle 1. Das heißt, die Batterie kann weiter genutzt werden und eine fehlerhafte Zelle führt nicht zwangsläufig zu einem Ausfall der Batterie, was ein Liegenbleiben eines Fahrzeugs bedeuten kann. Zwar kann sich die Leistung der Batterie entsprechend reduzieren, jedoch ist dies immer noch günstiger als ein Totalausfall der Batterie. Die Batterie kann somit weiter betrieben werden und später beispielsweise in einer Werkstatt wieder komplett instandgesetzt werden.
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Die im vorigen Abschnitt beschriebene Abschaltung der Zelle 1 aufgrund zum Beispiel einer erhöhten Temperatur der Zelle 1 oder einer zu hohen Zellspannung ist reversibel. Sobald sich die Überwachungsparameter Zelltemperatur beziehungsweise die Zellspannung an der Zelle 1 ändern und diese sich in den vorgegebenen Intervallen wieder befinden, kann die Zelle 1 wieder in den Strompfad eingegliedert werden. So könnte beispielsweise eine ungünstige Wärmeverteilung dazu führen, dass die Zelltemperatur der Zelle 1 über den vorgegebenen Grenzwert der Zelltemperatur liegt. Wie zuvor bereits beschrieben, würde in diesem Fall die Bypassschaltung 13 aktiviert werden und der Strom würde anstelle durch das Schaltelement 6 durch das Schaltelement 5 fließen.
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Kühlt sich die Zelle 1 wieder ab, beispielsweise wenn ein Fahrzeug im Sommer aus der prallen Sonne in eine kühle Tiefgarage gebracht wird, so würde die Zelltemperatur der Zelle 1 wieder unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts sinken. In diesem Fall werden die Funktionen der Schaltelemente 5 und 6 durch die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 vertauscht. Das heißt das Schaltelement 5 würde von der Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 stromsperrend geschaltet, während das Schaltelement 6 von der Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 stromleitend geschaltet werden würde. Somit kann Zelle 1 je nach Zelltemperatur in den Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 eingegliedert sein oder eben nicht. Die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 kann in dieser Variante somit die Zelle 1 bei einer zu hohen Zelltemperatur aus der Batteriezelleneinheit 12 heraus schalten beziehungsweise die Zelle 1 wieder bei einem vom Komparator 7 registrierten vorgegebenen Temperaturintervall in den Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 eingliedern.
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Dieselbe Argumentation des vorgenannten Beispiels gilt für die Überwachungseinrichtung 4 für die Zellspannung. Bei Zellspannungen außerhalb des vorgegebenen Bereichs wird die Zelle 1 aus dem Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 herausgeschaltet. Auch in diesem Fall ist das Schaltelement 5 auf stromleitend geschaltet, während das Schaltelement 6 auf stromsperrend geschaltet ist. Die Schaltelemente 5 und 6 sind in diesem Beispiel entsprechend umgekehrt geschaltet, wenn die Zellspannung der Zelle 1 im vorgegebenen Bereich liegt.
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Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn zu dem Schaltelement 5 beziehungsweise zu dem Schaltelement 6 weitere redundante Schaltelemente verbaut sind. Sollte sich ein Schaltelement nicht mehr schalten lassen, weil es zum Beispiel defekt ist, so bestünde die Gefahr eines Kurzschlusses. Wäre zum Beispiel das Schaltelement 5 ständig auf stromleitend geschaltet, so entstünde ein Kurzschluss wenn auch das Schalelement 6 stromleitend wäre. Zu den Schaltelementen 5 und 6 redundant ausgeführte Schaltelemente können die Gefahr eines Kurzschlusses reduzieren.
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Die Überwachungseinrichtung 4 für die Zellspannung und die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 sind beispielhafte Schaltungen zur Überwachung der Zelltemperatur und der Zellspannung. Es sind jedoch auch andere Überwachungsschaltungen denkbar, zum Beispiel eine Überwachungsschaltung, welche Vibrationen detektieren kann. Wichtig ist allerdings, dass die verschiedenen Signale der Überwachungseinrichtungen gemeinsam ausgewertet werden und die beiden Schaltelemente 5 und 6 entsprechend dem Zustand der Zelle geschaltet werden. Dies kann mit weiteren Komparatoren realisiert werden. So ist in dem Beispiel der einzigen Figur die Zelle 1 nur dann in den Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 eingegliedert, wenn die Zelltemperatur einen vordefinierten Grenzwert nicht überschreitet und zugleich die Zellspannung der Zelle 1 in einem vorgegebenen Intervall liegt.
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Die in dieser Erfindung beschriebenen Überwachungseinrichtungen für die Zelltemperatur oder die Zellspannung sind insbesondere im Automobilbereich einsetzbar, da alle Bauteile in der Regel automotive-konform erhältlich sind. Diese beispielhaft beschriebenen Überwachungseinrichtungen ermöglichen eine hardwareseitige Überwachung der Zellspannung und Zelltemperatur, wobei hierzu keine Software notwendig ist. Damit kann zu einer vorhandenen Überwachung auf der Basis von einem Batterie-Management-System eine weitere redundante Überwachung bereitgestellt werden. Dies kann helfen, die Robustheit einer Hochvolt-Batterie zu erhöhen und die Lebensdauer der Zelle 1 zu verlängern. Durch die so doppelt ausgeführte Überwachung, welche durch das Batterie-Management-System und die Überwachungseinrichtungen realisierbar ist, kann der Zustand der Batteriezelleneinheit 12 zuverlässiger überwacht werden. So ist es wahrscheinlicher, dass für die Batteriezelleneinheit 12 gefährliche Zustände, wie zum Beispiel eine zu hohe Zellentemperatur oder eine zu hohe Zellspannung, sicher erkannt werden können.
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Die vorgegebenen Bereiche für die Zelltemperatur und die Zellspannung für die Zelle 1 können durch anpassbare Referenzspannungen an den Komparator 2 für die Zellspannung und den Komparator 7 für die Zelltemperatur flexibel eingestellt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtungen 4 und 9 aus einer Batterie entnommen werden und in einer anderen Batterie eingesetzt werden. Durch modifizierbare Referenzspannungen können dann die Bereiche für die Zelltemperatur und für die Zellspannung der Zelle 1 bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Befinden sich die zu überwachenden Parameter, vornehmlich die Zelltemperatur und die Zellspannung der Zelle 1, außerhalb der zuvor vorbestimmten Intervalle, so kann die Zelle 1 aus dem Strompfad herausgeschaltet werden. Eine eventuell fehlerhafte Zelle führt demnach nicht zwangsläufig zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs. Robustheit und Sicherheit von Batterien werden somit durch die erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtungen zusätzlich erhöht. Dabei ist das Herausschalten der Zelle 1 aus dem Strompfad nicht uriumkehrbar. Ändern sich die zu überwachenden Parameter derart, dass sie in den vorbestimmten Intervallen liegen, so wird in dem Beispiel der einzigen Figur durch die Überwachungseinrichtung 4 für die Zellspannung beziehungsweise durch die Zelltemperaturüberwachungseinrichtung 9 die Zelle 1 wieder in den Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 geschaltet. Somit ist die Abschaltung in dieser vorteilhalten Ausführungsform dieser Erfindung von Zellen reversibel ausgeführt.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtungen die Überwachung von Batterien verbessert wird und dabei keine Software notwendig ist. Diese Überwachungseinrichtungen können dabei helfen, die Batteriezelleneinheit 12 zuverlässiger in einem bestimmten Betriebsintervall zu betreiben. Dieses Betriebsintervall kann beispielsweise eine Kombination eines vorbestimmten Temperaturbereichs und eines vorgebbaren Bereichs für die Zellspannung der Zelle 1 sein. Befindet sich die Zelle 1 nicht in ihrem Betriebsintervall, so wird sie aus dem Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 herausgeschaltet, ansonsten wird sie in den Strompfad aufgenommen. Somit kann die Zelle 1 je nach Betriebsparameter in den Strompfad der Batteriezelleneinheit 12 aufgenommen werden oder nicht. Die Ausfallwahrscheinlichkeit von Batterien kann durch diese Erfindung reduziert werden und ungünstige Situationen, wie zum Beispiel ein Liegenbleiben des Fahrzeugs oder weitere Beschädigungen, können tendenziell vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Komparator
- 3
- DC/DC-Wandler
- 4
- Überwachungseinrichtung
- 5
- Schaltelement
- 6
- Schaltelement
- 7
- Komparator
- 8
- temperaturabhängiger Widerstand
- 9
- Zelltemperaturüberwachungseinrichtung
- 10
- vorgelagerte Zelle
- 11
- nachgelagerte Zelle
- 12
- Batteriezelleneinheit
- 13
- Bypassschaltung
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0133330 A1 [0005]
- US 2014/0009122 A1 [0006]