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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren
für die Steuerung
einer Energiespeichereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
13. Traditionell werden in Kraftfahrzeugen für die Speicherung elektrischer
Energie Akkumulatoren, die auf chemischen Prozessen basieren, eingesetzt.
Zunehmend werden als Alternative oder Ergänzung zu herkömmlichen Akkumulatoren
auch Kondensatoren mit sehr großer Kapazität eingesetzt,
insbesondere dann, wenn große
Anforderungen an Leistungsfähigkeit,
Zyklusfestigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Prinzip bedingt
liegt die Maximalspannung dieser Kondensatoren so niedrig (zum Beispiel
bis ca. 2,7 V), dass diese in der Regel in Form von Modulen zu mehreren
zu kaskadieren sind, um sie bei einer höheren Betriebsspannung, beispielsweise
bei der üblichen
Bordnetzspannung von 12 V, einsetzen zu können. Um die maximal mögliche Energie
in einem derartigen Modul speichern zu können, gilt es, möglichst
jede einzelne Zelle des Moduls auf eine möglichst hohe Spannung aufzuladen,
ohne dabei jedoch die zulässige
Maximalspannung zu überschreiten.
Die Lebensdauer der Zellen hängt
insbesondere von der Betriebstemperatur und der Betriebsspannung
ab. Mit zunehmendem Alter nehmen die Kapazität der Zelle ab und/oder der Innenwiderstand
zu. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlichen Alterungseigenschaften
der Zellen eines derartigen Moduls ist eine Ausgleichsschaltung
notwendig, die beispielsweise über zu
den Zellen parallel geschaltete Widerstände Strom an den Zellen vorbei
leitet oder aber, zum Beispiel durch Zenerdioden oder dergleichen,
die Zellenspannung einzelner Zellen begrenzt. Alternativ könnten auch
mehrere Zellen als eigentlich notwendig in einem Modul zusammengefasst
werden, um auf diese Weise eine Ausgleich- oder Symmetrierungsschaltung
einzusparen. Durch die größere Zahl von
Zellen ergibt sich an den einzelnen Zellen eine niedrigere Spannung
und eine geringere Gesamtkapazität
des Moduls. Toleranzen und Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen
eines Moduls führen somit
nicht so schnell zum Überschreiten
der Maximalspannung einer Zelle.
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeichereinrichtung
mit aus mehreren Zellen bestehenden Modulen mit verbesserten Eigenschaften,
insbesondere mit einem verbesserten Schutz für diese Module, zu schaffen.
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Technische Lösung
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Ausgehend
von einer Energiespeichereinrichtung der eingangs genannten Art,
wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein
verbessertes Verfahren für
die Steuerung einer Energiespeichereinrichtung ergibt sich aus Anspruch
12. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass durch
eine weitgehende Angleichung von Betriebskenngrößen der einzelnen Zellen eines aus
mehreren Zellen zusammengesetzten Speichermoduls die Zuverlässigkeit
der Energiespeichereinrichtung erhöht werden kann. Als Betriebskenngrößen kommen
hier insbesondere Zellparameter, wie Innenwiderstand und Kapazität der Zellen
in Betracht.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Mit
Hilfe der Erfindung gelingt es, eine aufwändige Ausgleichsschaltung zu
vermeiden oder ihre Dimensionierung zu vereinfachen. Durch die Reduzierung
von Ableitströmen über Komponenten
der Ausgleichsschaltung wird weniger Verlustwärme produziert. Die elektrischen
Eigenschaften der einzelnen Zellen eines Moduls werden aktiv angeglichen.
Dadurch ergeben sich erhebliche Vorteile bei dem Aufladen eines
Moduls. So ist ein längeres
Aufladen mit einer höheren
Stromstärke
möglich.
Die schwächste Zelle
eines Moduls wird gut geschützt.
Dadurch wird ein Totalausfall des Moduls verhindert und damit die Betriebssicherheit
der Energiespeichereinrichtung erhöht. Die Restkapazität des Moduls
steht dem Bordnetz länger
zur Verfügung.
Besonders vorteilhaft lässt
sich eine Anglei chung von Betriebskenngrößen der Zellen dadurch erzielen,
dass jeder Zelle zugeordnete Schalteinrichtungen vorgesehen sind,
die durch Steuerelemente eines Steuermoduls selektiv steuerbar sind.
Die Steuerelemente umfassen auch Sensoren bzw. Messeinrichtungen,
um Parameter der Zellen, wie insbesondere ihre Spannung, zu erfassen.
Durch eine selektive Steuerung der Schalteinrichtungen können einzelne
Zellen selektiv geladen oder entladen werden. Um den Stromfluss
zu begrenzen, sind in Serie zu den Schalteinrichtungen Widerstände geschaltet.
Um eine noch gezieltere Spannungsanpassung zu ermöglichen,
ist jeder Zelle des Speichermoduls eine zusätzliche Spannungsquelle zugeordnet,
die über
eine zusätzliche,
steuerbare Schalteinrichtung mit der jeweils zugeordneten Zelle
verbindbar oder von dieser trennbar ist. In einer vorteilhaften
Ausführungsvariante
der Erfindung können
Betriebskenngrößen der
Zellen alternativ oder zusätzlich
durch eine Temperatursteuerung der Zellen beeinflusst werden. Dazu
ist mindestens ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur
der Zellen vorgesehen. Zusätzlich
sind Elemente zum Verändern
der Temperatur der Zellen vorgesehen. Besonders vorteilhaft werden
Peltierelemente als derartige Elemente eingesetzt, da sie sowohl
für eine
Erhöhung
der Temperatur einer Zelle als auch für eine Senkung der Temperatur
einer Zelle geeignet sind. Weitere Vorteile ergeben sich aus der
Beschreibung und den Unteransprüchen
und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Energiespeichereinrichtung;
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2 ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Energiespeichereinrichtung;
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3 ein
Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Energiespeichereinrichtung;
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4 ein
Blockschaltbild einer bekannten Energiespeichereinrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Anhand
von 4, die ein vereinfachtes Blockschaltbild einer
bekannten Energiespeichereinrichtung 1 zeigt, werden zunächst die
Nachteile dieser Energiespeichereinrichtung erläutert. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst
mehrere Zellen, hier zwei Zellen C1, C2, die in Serie geschaltet
und so zu einem Speichermodul kaskadiert sind. Mit dem Begriff „Zellen” werden
im Rahmen dieser Erfindung Kondensatoren mit einem hohen Kapazitätswert bezeichnet,
die, bauartbedingt, für
eine vergleichsweise niedrige Betriebsspannung von einigen Volt
ausgelegt sind. Mit diesem Begriff sind, im Rahmen der vorliegenden
Erfindung, auch logische Zellen gemeint, die aus mehreren parallel
und/oder seriell verschalteten physikalischen Einzelzellen mit oder
ohne zusätzliche
Beschaltung bestehen können.
Für die
Ausgangsspannung UModul gilt die Beziehung UModul = UC1 + UC2 (1)
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Darin
ist UC1 die Spannung an der ersten Zelle C1 und UC2 die Spannung
an der zweiten Zelle C2. Wenn die Kapazitätswerte der beiden Zellen C1 und
C2 gleich sind, C1 = C2, (2)dann gilt: UC1 = UC2 (3)bei
balancierten Zellen C1, C2.
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Bei
nicht balancierten Zellen wäre
dagegen UC1 > UC2,
falls
C1 < C2.
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Hierbei
besteht bei nicht balancierten Zellen C1, C2 die Gefahr, dass bei
einer Aufladung auf die maximale Spannung UModulmax der Wert UC1
der Spannung an der ersten Zelle C1 größer ist als die maximal zulässige Spannung
für die
Zelle C1. C1 würde
dadurch degradiert, mit der Folge, dass die Kapazität der Zelle
C1 weiter sinkt. Dies hätte
einen weiteren Anstieg der Spannung UC1 zur Folge. Die Zelle C1
würde noch
stärker
degradiert und schließlich
zerstört.
Damit wäre
aber das ganze Modul nicht mehr funktionsfähig.
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Dieser
Nachteil wird bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Energiespeichereinrichtung
vermieden. Eine erste Ausführungsvariante
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Energiespeichereinrichtung 1 wird im Folgenden unter Bezug
auf das in 1 dargestellte Blockschaltbild
erläutert.
Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst mehrere Zellen C1,
C2, C3, Cn, die zu einem Speichermodul kaskadiert sind. Für die Aufladung
der Zellen ist eine über einen
Schalter SL schaltbare Energiequelle B vorgesehen. Parallel zu jeder
Zelle ist die Serienschaltung einer Schalteinrichtung und eines
Widerstands geschaltet. So ist die Serienschaltung aus einer Schalteinrichtung
S1 und einem Widerstand R1 parallel zu der Zelle C1 geschaltet.
Die Serienschaltung aus der Schalteinrichtung S2 und dem Widerstand
R2 ist parallel zu der Zelle C2 geschaltet. Die Serienschaltung aus
der Schalteinrichtung S3 und dem Widerstand R3 ist parallel zu der
Zelle C3 geschaltet. Die Serienschaltung aus der Schalteinrichtung
Sn und dem Widerstand Rn ist parallel zu der Zelle Cn geschaltet. Die
Energiespeichereinrichtung 1 umfasst weiter ein Steuermodul 2.
Das Steuermodul 2 umfasst Steuerelemente V1, V2, V3, Vn,
die jeweils einer Zelle C1, C2, C3, Cn zugeordnet sind und die einerseits
Messwerte der Zelle, wie insbesondere deren Spannung, erfassen und
weiterhin die Steuerung der jeder Zelle zugeordneten Schalteinrichtung
ermöglichen.
Das Steuerelement V1 ist der Zelle C1 zugeordnet. Das Steuerelement
V2 ist der Zelle C2 zugeordnet. Das Steuerelement V3 ist der Zelle
C3 zugeordnet. Das Steuerelement Vn ist der Zelle Cn zugeordnet.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der in 1 dargestellten
Energiespeichereinrichtung 1 beschrieben. Dabei lassen
sich im Wesentlichen zwei Betriebszustände, Ladevorgang und Entladevorgang,
unterscheiden. Bei dem Ladevorgang ist der Schalter SL geschlossen
und die Ladespannung liegt an dem Modul an. Das Steuermodul 2 erfasst den
Spannungsverlauf und die Endspannung an den einzelnen Zellen C1,
C2, C3, Cn und/oder vergleicht die Spannung an den einzelnen Zellen
C1, C2, C3, Cn miteinander. Dadurch wird erkannt, welche der Zellen
die höchste
Qualität
bzw. welche der Zellen die geringste Qualität aufweist. Als Qualitätskriterium kann
vorzugsweise die noch verbleibende Kapazität angesetzt werden. Durch selektive
Steuerung der Schalteinrichtungen S1, S2, S3, Sn mittels der den Zellen
C1, C2, C3, Cn zugeordneten Steuerelemente V1, V2, V3, Vn, ist die
Spannungsaufteilung der Ladespannung auf die Zellen wählbar. Beispielsweise können dadurch
einzelne Zellen gezielt aufgeladen werden. Weiterhin kann, durch
gezielte Zufuhr einer hohen Spannung, insbesondere durch Überschreiten der
Maximalspannung, eine ausgewählte
Zelle schneller gealtert (degradiert) werden, um eine Anpassung
an die anderen Zellen des Moduls und damit eine möglichst
homogene Zellenstruktur zu erreichen. Der Entladevorgang findet
bei geöffnetem Schalter
SL statt. Das Steuermodul 2 erfasst die Qualität der Zellen
und sorgt dann durch selektive Steuerung der Zellen mittels der
Steuerelemente V1, V2, V3, Vn dafür, dass die hochwertigsten
Zellen möglichst
lange geladen bleiben und zunächst
nur die weniger hochwertigen Zellen entladen werden. Dadurch wird über einen
längeren
Zeitraum erreicht, dass, zum Beispiel, die Kapazität der Zellen
mit der höchsten
Qualität
tendenziell schneller reduziert wird.
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Voraussetzung
für eine
optimale Steuerung durch das Steuermodul 2 ist, dass das
Steuermodul 2, bzw. dessen Steuerelemente V1, V2, V3, Vn,
den jeweiligen Zustand der einzelnen Zellen C1, CV2, C3, Cn möglichst
genau erfassen. Dabei ist die Erkennung eines relativen Wertes völlig ausreichend.
Beispielsweise eine Messung mit dem Ergebnis: ”Zelle C1 ist die Zelle mit
der höchsten
Restkapazität”. Oder eine
Messung mit dem Ergebnis: ”Die
Zellen C1, C2, und C4 sind die Zellen mit der höchsten Kapazität”. Dies
kann beispielsweise durch eine Spannungsmessung an den einzelnen
Zellen erfolgen. Beispielsweise kann der Spannungsverlauf an den
einzelnen Zellen während
des Ladevorgangs erfasst werden. Weiterhin können auch die Spannungen der einzelnen
Zellen miteinander verglichen werden. Die Zellen werden dann durch
die oben beschriebenen Steuervorgänge aneinander angeglichen.
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Eine
zweite Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung
ist in 2 dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die in 2 dargestellte Ausführungsvariante
zusätzliche
Schalteinrichtungen und Spannungsquellen, wobei jeweils eine zusätzliche
Schalteinrichtung und eine Spannungsquelle jeweils einer Zelle zugeordnet
sind. So sind eine zusätzliche
Schalteinrichtung Sa1 und eine Spannungsquelle Q1 der Zelle C1 zugeordnet.
Eine zusätzliche
Schalteinrichtung Sa2 und eine Spannungsquelle Q2 sind der Zelle
C2 zugeordnet. Eine zusätzliche
Schalteinrichtung Sa3 und eine Spannungsquelle Q3 sind der Zelle
C3 zugeordnet. Schließlich
sind eine zusätzliche
Schalteinrichtung San und eine Spannungsquelle Qn der Zelle Cn zugeordnet.
In 2 sind die zusätzlichen
Schalteinrichtungen Sa1, Sa2, Sa3, San und die Spannungsquellen
Q1, Q2, Q3, Qn als Bestandteile des Steuermoduls 2 dargestellt.
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Sie
können,
alternativ, auch getrennt von diesem angeordnet sein. Die zusätzlichen
Schalteinrichtungen Sa1, Sa2, Sa3, San sind ebenfalls von den Steuerelementen
V1, V2, V3, Vn des Steuermoduls 2 steuerbar. Je nach Schaltlage
verbinden sie die jeweilige Spannungsquelle Q1, Q2, Q3, Qn mit der
jeweils zugeordneten Zelle C1, C2, C3, Cn oder trennen sie von dieser.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der in 2 dargestellten
Energiespeichereinrichtung 1 beschrieben. Dabei lassen
sich im Wesentlichen zwei Betriebszustände, Ladevorgang und Entladevorgang
unterscheiden. Bei dem Ladevorgang ist der Schalter SL geschlossen
und die Ladespannung liegt an dem Modul an. Das Steuermodul 2 erfasst
die Ladespannung. Durch selektive Steuerung der Schalteinrichtungen
S1, S2, S3, Sn mittels der den Zellen C1, C2, C3, Cn zugeordneten
Steuerelemente V1, V2, V3, Vn, ist die Spannungsaufteilung der Ladespannung
auf die Zellen wählbar.
Beispielsweise können
dadurch einzelne Zellen gezielt aufgeladen werden. Weiterhin kann,
durch gezielte Zufuhr einer hohen Spannung, insbesondere durch Überschreiten der
Maximalspannung, eine ausgewählte
Zelle schneller gealtert werden, um eine Anpassung an die anderen
Zellen des Moduls und damit eine möglichst homogene Zellenstruktur
zu erreichen. Durch Steuerung der zusätzlichen Schalteinrichtungen
Sa1, Sa2, Sa3, San können, über die
Spannungsquellen Q1, Q2, Q3, Qn, die Zellen C1, C2, C3, Cn individuell
aufgeladen werden. Die selektive Aufladung einzelner Zellen ist
auch bei geöffnetem
Schalter SL möglich, insbesondere
bei einem zum Teil oder auch vollständig entladenen Modul. Der
Entladevorgang findet bei geöffnetem
Schalter SL statt. Das Steuermodul 2 erfasst die Qualität der Zellen
C1, C2, C3, Cn und sorgt dann durch selektive Steuerung der Zellen
mittels der Steuerelemente V1, V2, V3, Vn dafür, dass die hochwertigsten
Zellen möglichst
lange geladen bleiben und zunächst
nur die weniger hochwertigen Zellen entladen werden. Voraussetzung
für eine
optimale Steuerung durch das Steuermodul 2 ist, dass das Steuermodul 2,
bzw. dessen Steuerelemente V1, V2, V3, Vn, den jeweiligen Zustand
der einzelnen Zellen C1, C2, C3, Cn möglichst genau erfassen. Dabei
ist die Erkennung eines relativen Wertes völlig ausreichend. Beispielsweise
eine Messung mit dem Ergebnis: ”Zelle
C1 ist die Zelle mit der höchsten
Restkapazität”. Oder
eine Messung mit dem Ergebnis: ”Die Zellen
C1, C2 sind die Zellen mit der höchsten
Kapazität”. Dies
kann beispielsweise durch eine Spannungsmessung an den einzelnen
Zellen erfolgen. Beispielsweise kann der Spannungsverlauf an den einzelnen
Zellen während
des Ladevorgangs erfasst werden. Die Zellen werden dann durch die
oben beschriebenen Steuervorgänge
aneinander ange glichen. Zusätzlich
können,
durch entsprechende Steuerung der zusätzlichen Schalteinrichtungen
Sa1, Sa2, Sa3, San, die Spannungsquellen Q1, Q2, Q3, Qn parallel
zu der jeweils zugeordneten Zelle C1, C2, C3, Cn geschaltet werden.
Auf diese Weise kann die Spannung der Zelle C1, C2, C3, Cn in gewünschter Weise
beeinflusst werden. Dadurch kann über einen längeren Zeitraum erreicht werden,
Zellen selektiv über
die im Vergleich zu den anderen Zellen höhere Spannung altern zu lassen.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Energiespeichereinrichtung 1 umfasst zusätzliche
Elemente H1, H2, H3, Hn für
die Beeinflussung der Temperatur der Zellen C1, C2, C3, Cn. Da Betriebskenngrößen der
Zellen, wie insbesondere deren Lebensdauer und Kapazität, stark
von der Temperatur abhängig sind,
können
diese Betriebskenngrößen durch
Steuerung der Temperatur gezielt beeinflusst werden. Vorzugsweise
ist dabei je ein Element jeder Zelle zugeordnet. In dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Element H1 der Zelle C1, das Element H2 der Zelle C2, das
Element H3 der Zelle C3, und das Element Hn der Zelle Cn zugeordnet. Die
Elemente H1 bis Hn sind von den Steuerelementen V1 bis Vn des Steuermoduls 2 steuerbar.
Bei den Elementen H1 bis Hn für
die Beeinflussung der Temperatur der Zellen C1 bis Cn kann es sich
um Einrichtungen handeln, die in der Lage sind, die Temperatur der
jeweils beeinflussten Zelle zu erhöhen und/oder zu erniedrigen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante können als
Elemente H1 bis Hn Peltierelemente vorgesehen sein, die, in Abhängigkeit
von der Stromzufuhr, die Temperatur der Zellen C1 bis Cn sowohl
erniedrigen als auch erhöhen
können.
Wenn lediglich eine Temperaturerhöhung in Betracht kommt, können in
einer einfacheren Ausführungsvariante
der Erfindung, als Elemente H1 bis Hn auch lediglich Heizwiderstände vorgesehen
sein, die durch Stromdurchfluss heizbar sind. Wenn lediglich eine
selektive Kühlung
in Betracht kommt, können
in einer einfacheren Ausführungsvariante
der Erfindung, auch lediglich Kühlelemente,
beispielsweise in Form von Ventilatoren vorgesehen sein. Auch ist
eine Kombination von Heizwiderständen
und Ventilatoren denkbar, um die Temperatur der Zellen C1 bis Cn wahlweise
erhöhen
oder vermindern zu können.
Um die jeweilige Temperatur der Zellen zu erfassen, ist optional
ein Temperatursensor T vorgesehen, dessen Messwerte von dem Steuermodul 2 ausgewertet werden.
Besonders vorteilhaft ist jedoch jeweils jeder Zelle C1 C2, C3,
Cn ein eigener Temperatursensor T zugeordnet. Diese Ausführungsvariante
ist nicht ausdrücklich
zeichnerisch dargestellt. Voraussetzung für eine optimale Steuerung durch
das Steuermodul 2 ist, dass das Steuermodul 2,
bzw. dessen Steuerelemente V1, V2, V3, Vn, den jeweiligen Zustand
sowie optional die Temperatur der einzelnen Zellen C1, C2, C3, Cn,
möglichst
genau erfassen. Dabei ist die Erkennung eines relativen Werts völlig ausreichend. Beispielsweise
eine Messung mit dem Ergebnis:
Zelle C1 ist die Zelle mit der
höchsten
Restkapazität.”
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Oder
eine Messung mit dem Ergebnis:
„Die Zellen C1, C2 sind die
Zellen mit der höchsten Kapazität.”,
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Dies
kann beispielsweise durch eine Spannungsmessung an den einzelnen
Zellen erfolgen. Beispielsweise kann der Spannungsverlauf an den einzelnen
Zellen während
des Ladevorgangs erfasst werden. Die Zelle bzw. die Zellen mit der
höchsten Restkapazität wird/werden
nun selektiv erwärmt
bzw. die Zelle/Zellen mit der niedrigsten Restkapazität wird/werden
selektiv gekühlt.
In weiteren Ausführungsvarianten
ist auch eine Kombination der in 1, 2 und 3 Maßnahmen
denkbar. Das heißt,
zusätzlich
zu den in 1 bzw. 2 dargestellten
Schalteinrichtungen S1 bis Sn bzw. Sa1 bis San kann auch noch ein
jeder Zelle C1 bis Cn zugeordnetes Element für die Beeinflussung der Temperatur
der Zelle vorgesehen sein.