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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Überwachung von wenigstens einer Batteriezelle eines Batteriemodules gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11 und eine Hybridantriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
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Stand der Technik
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Batterien oder Batteriezellen, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, versorgen verschiedene Einrichtungen, z. B. Hybridkraftfahrzeuge, elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Rollstühle, Fahrräder mit elektrischem Hilfsantrieb, Hochstapler oder Elektrowerkzeuge mit elektrischem Strom. Im Allgemeinen werden mehrere Batterien oder Batteriezellen in einem Gehäuse eingebaut und bilden dadurch ein Batteriemodul. Die in einem Gehäuse angeordneten, normalerweise zylinderförmigen Batteriezellen bestehen im Allgemeinen aus mehreren in Reihe oder parallel geschalteten einzelnen Batteriezellen, die jeweils eine Spannung von wenigen Volt, z. B. 3,6 Volt, erzeugen. Die Anzahl der Batteriezellen bestimmt damit die Nennspannung des Batteriemoduls.
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Das Batteriemodul umfasst ferner eine Vorrichtung zur Erfassung eines Zustandes der Batteriezellen. Beispielsweise wird damit ein Ladezustand der Batteriezellen in dem Batteriemodul erfasst. Der von der Vorrichtung erfasste Ladezustand einer Batteriezelle bzw. der Batteriezellen wird dabei mittels eines Signals zu einer Steuerungseinheit übermittelt. Die Steuerungseinheit ist außerhalb des Batteriemoduls angeordnet. Die Signale bezüglich des Ladezustandes der Batteriezellen werden dabei einzeln von zwei Leitungen jeweils für eine Batteriezelle zu der Steuerungseinheit übertragen. Die Anzahl der Leitungen ist damit doppelt so groß wie die Anzahl der Batteriezellen des Batteriemoduls, weil einzeln für jede Batteriezelle mit je zwei Leitungen eine entsprechendes Signal zu der Steuerungseinheit übermittel werden muss. Umgekehrt müssen auch Steuerungssignale von der Steuerungseinheit zu den einzelnen Batteriezellen übertragen werden können, weil einzeln für jede Batteriezelle das Laden und Entladen gesteuert werden muss. Ein Über- oder ein Unterladen einzelner Batteriezellen ist zu vermeiden, weil ansonsten die Gefahr der Zerstörung einzelner Batteriezellen besteht. Im Allgemeinen ist deshalb das Batteriemodul mit einem Stecker und einem dazugehörigen Gegenstecker sowie den entsprechenden Leitungen mit der Steuerungseinheit verbunden. Der Stecker umfasst damit die doppelte Anzahl an Leitungen, wie Batteriezellen in dem Batteriemodul vorhanden sind und außerdem zwei zusätzliche Stromleitungen zum Laden und Entladen der Batteriezellen des Batteriemoduls. Damit ist eine hohe Anzahl an Kontakten in dem Stecker und Gegenstecker erforderlich. Der Stecker und Gegenstecker sind damit in nachteiliger Weise aufwendig in der Herstellung und damit teuer.
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Die
DE 10 2006 033 171 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Laden eines Batteriesystems mit einer Anzahl von in Serienschaltung angeordneten Einzelspannungsquellen, wobei den Einzelspannungsquellen jeweils ein Bypass zugeordnet ist, über welchen ein Ladestrom aus der Spannungsquelle abhängig vom Ladezustand der Einzelspannungsquellen diesen zugeführt wird.
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Die
DE 10 2006 033 629 A1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen des Zustandes einer Batterie mit mehreren Zellen oder Zellengruppen, bei dem die Batterie kurzfristig belastet und die Spannungsantwort einzelner Zellen oder Zellengruppen ausgewertet wird, um somit den Zustand der Zellen oder Zellengruppen zu bestimmen, wobei eine Klassifizierungsprozedur durchgeführt wird, bei der die Zellen bzw. die -gruppen abhängig von einem Zustand klassifiziert werden, und danach eine sequentielle Diagnoseprozedur durchgeführt wird, bei der sich die Reihenfolge der Auswertung der Zellen bzw. -gruppen nach deren Klassifizierung richtet.
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Die Druckschrift
US 5 955 865 A beschreibt ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen sowie zwei Stromleitungen zum Laden und Entladen der Batteriezellen. In einer Ausführungsform besitzt jede Batteriezelle einen Batteriesensor, welcher jeweils die Spannung einer entsprechenden Batteriezelle misst. Zudem ist jeder Batteriezelle ein Funksender zugeordnet, mittels welchem ein entsprechendes Funksignal der gemessenen Zellspannung an einen Funkempfänger außerhalb des Batteriemoduls übermittelt wird. Dabei umfasst jedes Funksignal einen Identifikationscode, welcher eine Zuordnung eines entsprechenden Funksignals zu einer bestimmten Batteriezelle ermöglicht.
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Die Druckschrift
US 6 133 709 A beschreibt ein Batterieüberwachungssystem zur Überwachung einer Vielzahl von Batteriezellen mit einer Kommunikationseinheit.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 029 847 A1 beschreibt eine Energiespeichereinrichtung mit zumindest zwei Energiespeichermodulen, die über eine Funkverbindung mit einer zentralen Energiespeichersteuereinrichtung verbunden sind und die über die Funkverbindung von der zentralen Energiespeichersteuereinrichtung ansteuerbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst eine Anzahl von wenigstens einer Batteriezelle, wenigstens zwei Stromleitungen zum Laden und/oder Entladen der wenigstens einen Batteriezelle, einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor zur Erfassung einer Temperatur und/oder eines Drucks der wenigstens einen Batteriezelle und wenigstens ein Mittel zur Übertragung von wenigsten einem Signal von dem Batteriemodul nach außerhalb des Batteriemoduls und/oder von außerhalb des Batteriemoduls zu dem Batteriemodul, wobei das wenigstens eine Signal wenigstens einer bestimmten Batteriezelle zugeordnet ist, wobei mittels wenigstens eines Identifikationscodes das wenigsten eine Signal der wenigstens einen bestimmten Batteriezelle zugeordnet werden kann und/oder das wenigstens eine Mittel weniger als die doppelte Anzahl von Batteriezellen an Leitungen zur Übertragung des wenigstens einen Signals von dem Batteriemodul nach außerhalb des Batteriemoduls und/oder von außerhalb des Batteriemoduls zu dem Batteriemodul umfasst.
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Jeder der wenigstens einen Batteriezelle ist jeweils ein Identifikationscode zugeordnet, so dass Signale für verschiedene Batteriezellen jeweils der entsprechenden, wenigstens einen bestimmten Batteriezelle zugeordnet werden können, zu der das Signal gehört bzw. für die das Signal bestimmt ist. Die Identifikationscode für die Batteriezellen sind unterschiedlich, so dass die unterschiedlichen Identifikationscode nur einer bestimmte Batteriezelle zugeordnet werden können.
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Weiterhin umfasst das wenigstens eine Mittel zwei Leitungen zur Übertragung des wenigstens eines Signals und/oder das wenigstens eine Signal enthält Information zu einem Zustand, z. B. Ladezustand, der wenigstens einen Batteriezelle und/oder das wenigstens eine Signal ist ein Steuersignal. Mit Hilfe von zwei Leitungen können die Signale unter Verwendung des Identifikationscodes für zwei oder mehr Batteriezellen übertragen werden. Aufgrund der Verwendung eines Identifikationscodes für jede einzelne Batteriezelle können nach der Übertragung durch eine Leitung die Signale für verschiedene Batteriezellen den entsprechenden bestimmten Batteriezellen zugeordnet werden. Das wenigstens eine Signal kann ferner vorzugsweise auch die Leistungsfähigkeit bzw. den Innenwiderstand der wenigstens einen Batteriezelle betreffen oder enthalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Signal schnurlos mittels einer Funkverbindung übertragbar und/oder das wenigstens eine Signal ist mittels RFID-Technik übertragbar und/oder das wenigstens eine Signal ist mittels der wenigstens zwei Stromleitungen übertragbar. Bei der Verwendung einer schnurlosen Verbindung müssen nur die beiden Stromleitungen nach außerhalb des Batteriemoduls geführt werden. Zusätzliche Leitungen für das Übertragen des wenigstens einen Signals sind somit nicht erforderlich. Bei der Übertragung des wenigstens eines Signals mittels der wenigstens zwei Stromleitungen wird das wenigstens eine Signal auf die wenigstens zwei Stromleitungen aufmodulliert, insbesondere mit einer entsprechend anderen angepassten Frequenz.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle ein Identifikationscode zugeordnet. Da jeder der wenigstens einen Batteriezelle ein Identifikationscode zugeordnete ist, kann sämtlichen Batterien einzeln das Signal zugeordnet werden.
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Vorzugsweise kann das wenigstens eine Signal, insbesondere zu dem Zustand der wenigstens einen Batteriezelle oder ein Steuersignal, mittels des wenigstens einen Identifikationscodes wenigstens einer bestimmten Batteriezelle zugeordnet werden, indem das wenigstens eine Signal den Identifikationscode enthält oder mit dem Identifikationscode kombiniert ist.
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In einer Variante umfasst das wenigstens eine Mittel einen Encoder und einen Decoder und/oder die Vorrichtung und/oder das wenigstens eine Mittel einen Mikrocontroller, z. B. einen Halbleiterchip. Der Mikrocontroller erfasst beispielsweise einen Zustand, z. B. einen Ladezustand, der wenigstens einen Batteriezelle, indem die an der Batteriezelle vorhandene Spannung gemessen wird.
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Zweckmäßig umfasst das Batteriemodul an der wenigstens einen Batteriezelle eine Bypassleitung mit einem Schalter, z. B. ein Transistor, und einen Widerstand, so dass beim Laden oder Entladen der wenigstens einen Batteriezelle bei einem geschlossenen Schalter die wenigstens eine Batteriezelle mit der stromleitenden Bypassleitung aufgrund des geschlossenen Schalters geringer be- oder entladbar ist als bei einem geöffneten Schalter. Das Laden und Entladen der wenigstens einen Batteriezelle kann somit separat und unabhängig für jeweils eine Batteriezelle gesteuert und/oder geregelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Signal von dem Batteriemodul nach außerhalb des Batteriemoduls zu einer Steuerungseinheit übertragbar und/oder umgekehrt. Die Steuerungseinheit ist somit außerhalb des Batteriemoduls angeordnet und kann beispielsweise eine übergeordnete Steuerungseinheit eines Kraftfahrzeuges sein.
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Insbesondere ist der Schalter von der Steuerungseinheit und/oder dem Mikrocontroller steuerbar. Der Schalter wird mittels eines Steuerungssignals von der Steuerungseinheit und/oder dem Mikrocontroller gesteuert. Dem Steuerungssignal ist der Identifikationscode zugeordnet, für den das Steuerungssignal bestimmt ist, so dass dieses nur für die Batteriezelle Wirkung entfaltet, für die das Steuerungssignal bestimmt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist von wenigstens einer Batteriezelle zu wenigstens einer anderen Batteriezelle und/oder von wenigstens einem wenigstens einer Batteriezelle zugeordneten Mikrocontroller zu wenigstens einem anderen wenigstens einer anderen Batteriezelle zugeordneten Mikrocontroller wenigstens ein Signal übertragbar. Die jeweils einer Batteriezelle zugeordneten Mikrocontroller können somit untereinander kommunizieren und damit insgesamt das Laden oder Entladen der einzelnen Batteriezellen optimieren.
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In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine Signal schnurlos, z. B. mittels RFID-Technik, oder leitungsgebunden übertragbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Signal leitungsgebunden, z. B. mittels eines Bussystems, insbesondere mittels CAN-Technik, übertragbar.
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Erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Überwachung von wenigstens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls mit den Schritten: Erfassen einer Temperatur und/oder eines Drucks der wenigstens einen Batteriezelle, Transformieren der erfassten Temperatur und/oder des erfassten Drucks in wenigstens ein Signal, Übermitteln des wenigstens einen Signals zu einer Steuerungseinheit außerhalb des Batteriemoduls, Übermitteln wenigstens einen Signals als Steuerungssignal von der Steuerungseinheit außerhalb des Batteriemoduls zu der wenigstens einen Batteriezelle durch ein Mittel umfassend mindestens zwei Leitungen zum Steuern und/oder Regeln eines Ladens oder Entladens der wenigstens einen Batteriezelle, wobei der wenigstens einen Batteriezelle je ein Identifikationscode zugeordnet wird und das wenigstens einen Signal mit dem Identifikationscodes verknüpft wird, so dass das wenigstens eine Signal mittels des Identifikationscodes wenigstens einer bestimmten Batteriezelle zugeordnet wird.
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In einer weiteren Variante wird das wenigstens eine Signal ausschließlich mittels des Identifikationscodes wenigstens einer bestimmten Batteriezelle zugeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der wenigsten eine Identifikationscode als wenigstens ein Signal zusammen mit dem wenigstens einen Signal zu dem erfassten Zustand der wenigstens einen Batteriezelle oder dem Steuerungssignal übermittelt.
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Eine erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, eine Elektromaschine, insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeuges und ein Batteriemodul zur Versorgung der Elektromaschine mit elektrischer Energie, wobei das Batteriemodul gemäß einem in dieser Anmeldung beschriebenen Batteriemodul ausgebildet ist und/oder ein in dieser Anmeldung beschriebenes Verfahren von der Hybridantriebseinrichtung ausführbar ist.
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Figurenliste
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- 1 eine schematisierte Darstellung eines Batteriemodules mit zwei Leitungen zur Übertragung von Signalen für sämtliche Batteriezellen,
- 2 eine stark vereinfachte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung und
- 3 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Batteriemodul 1 mit drei Batteriezellen 3 abgebildet. Die als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildeten Batteriezellen 3 sind mittels einer Stromleitung 4 in Reihe geschaltet. Die drei Batteriezellen 3 sind in einem Batteriemodulgehäuse 2 angeordnet. Das Batteriemodulgehäuse 2 weist ferner eine nicht dargestellte Ein- und Auslassöffnung zum Durchleiten eines Temperierfluids auf. Mittels des Temperierfluids werden die Batteriezellen 3 gekühlt und/oder erwärmt (nicht dargestellt). Die Stromleitung 4 dient zum Laden und/oder Entladen der Batteriezellen 3. Jeder Batteriezelle 3 ist eine Vorrichtung 5 zur Erfassung eines Zustandes der entsprechenden Batteriezelle 3 zugeordnet. Die Vorrichtung 5 ist als ein Mikrocontroller 6 mit einem Halbleiterchip ausgebildet und elektrisch mittels einer Bypassleitung 11 mit der entsprechenden Batteriezelle 3 verbunden. In der Bypassleitung 11 jeweils für eine Batteriezelle 3 sind in Reihe ein Widerstand 14 und ein als Transistor 13 ausgebildeter Schalter 12 angeordnet. Der Mikrocontroller 6 erfasst einen Ladezustand der Batteriezelle 3, indem die an der Batteriezelle 3 vorhandene Spannung gemessen wird. Aufgrund der gemessenen Spannung an der Batteriezelle 3 kann somit der Ladezustand der Batterie erfasst werden und in ein entsprechendes Signal umgewandelt werden.
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Jeder einzelnen Batteriezelle 3 ist ein Identifikationscode zugeordnet. Nach dem Erfassen des Ladezustandes der Batteriezelle 3 übermittelt der Mikrokontroller 6 den Ladezustand zusammen mit dem Identifikationscode der von dem Mikrocontroller 6 erfassten Batteriezelle 3 durch zwei Leitungen 8 als Mittel 7 zur Übertragung des Signals den Ladezustand an eine Steuerungseinheit 15. Das Signal mit dem Ladezustand und der Identifikationscode wird dabei vor der Übermittelung zu der Steuerungseinheit 15 von einem Encoder 9 codiert. Die Steuerungseinheit 15 vergleicht den von dem Mikrocontroller 6 erfassten Ladezustand als Ist-Zustand mit einem Soll-Wert für den Ladezustand. Bei einer Abweichung zwischen dem von dem Mikrocontroller 6 erfassten Ist-Wert für den Ladezustand mit dem erforderlichen Soll-Wert für den Ladezustand der Batteriezelle 3 sendet die Steuerungseinheit 15 ein Steuersignal zusammen mit dem entsprechenden Identifikationscode der Batteriezelle 3 für den das Steuersignal bestimmt ist mittels der Leitung 8 zu dem Mikrocontroller 6. Das Steuersignal und der Identifikationscode ist dabei codiert und wird vor der Übermittelung zu dem Mikrocontroller 6 von einem Decoder 10 decodiert.
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Der Mikrocontroller 6 kann den Schalter 12 öffnen oder schließen. Beim Entladen der Batteriezellen 3 des Batteriemoduls 1 mittels der Stromleitung 4 werden die drei Batteriezellen 3 gleichmäßig entladen, sofern sämtliche Schalter 12 geöffnet sind. Bei einem geöffneten Schalter 12 entfaltet die Bypassleitung 11 an der entsprechenden Batteriezelle 3 keine Wirkung. Sofern bei einer Batteriezelle 3 der Ist-Ladezustand von einem Soll-Ladezustand abweicht, soll z. B. das Entladen der entsprechenden Batteriezelle 3 schneller ausgeführt werden. Hierzu wird wie bereits beschrieben von der Steuerungseinheit 15 ein entsprechendes Steuersignal zu der Batteriezelle 3, d. h. der der Batteriezelle 3 zugeordnete Mikrocontroller 6, übermittelt. Der Mikrocontroller 6 schließt dann den Schalter 12, so dass die Bypassleitung 11 Strom leiten kann. Dadurch wird die Batteriezelle 3 mit geschlossenem Schalter 12 an der Bypassleitung 11 schneller entladen. Dies gilt in analoger Weise auch beim Beladen der Batteriezellen 3. Weicht der Ist-Ladezustand einer Batteriezelle von dem Soll-Ladezustand ab, kann mittels eines Schließens des Schalters 12 das Be- bzw. Aufladen der Batteriezelle 3 langsamer oder geringer ausgeführt werden. Die Steuerungseinheit 15 kann somit den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen 3 erfassen und ein gleichmäßiges Be- und Entladen der Batteriezellen 3 ermöglichen. Dadurch wird vermieden, dass Schäden an einzelnen Batteriezellen 3 aufgrund eines zu starken Be- oder Entladens auftreten. Das Be- oder Entladen der einzelnen Batteriezellen 3 kann somit unabhängig für jede einzelne Batteriezelle gesteuert und/oder geregelt werden.
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Das Batteriemodul 1 ist elektrisch mit den beiden Stromleitungen 4 und den beiden Leitungen 8 zur Übertragung des Signals mit der Umgebung verbunden. Die beiden Stromleitungen 4 und die beiden Leitungen 8 werden mittels eines Steckers und eines entsprechenden Gegensteckers (nicht dargestellt) an die Umgebung, z. B. ein Kraftfahrzeug, des Batteriemoduls 1 angeschlossen. Der Stecker und der Gegenstecker benötigt somit nur insgesamt vier Kontakte. Der Mikrocontroller 6, welcher jeweils einer Batteriezelle 3 zugeordnet ist, wird von dem elektrischen Strom der entsprechenden Batteriezelle 3 versorgt. Eine zusätzliche Stromversorgung für den Mikrocontroller 6 ist somit in vorteilhafter Weise nicht erforderlich. Mittels nicht dargestellter weiterer Leitungen 8 zur Übertragung von Signalen sind auch die Mikrocontroller 6 innerhalb des Batteriemoduls 1 miteinander verbunden, so dass aufgrund eines Übermittelns von Signalen zwischen den einzelnen Mikrocontrollern 6 das Be- oder Entladen der einzelnen Batteriezellen 3 noch weiter optimiert werden kann.
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In 2 ist eine Hybridantriebseinrichtung 16 für ein Kraftfahrzeug 19 abgebildet. Die Hybridantriebseinrichtung 16 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 17, z. B. ein Otto- oder ein Dieselmotor, eine Elektromaschine 18 und ein Batteriemodul 1 zur Versorgung der Elektromaschine 18 mit elektrischer Energie. Die Elektromaschine 18 dient zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 19. Vorzugsweise kann die Elektromaschine 18 auch als Generator genutzt werden, indem bei einem Verzögern des Kraftfahrzeuges 19 die kinetische Energie von der Elektromaschine 18 in elektrische Energie umgewandelt und in dem Batteriemodul 1 gespeichert wird. Das Batteriemodul 1 benötigt zur Verbindung mit dem Kraftfahrzeug 19 einen Stecker und einen Gegenstecker der in vorteilhafter Weise nur vier Kontakte benötigt.
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Die Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wird.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das Batteriemodul 1 ist elektrisch mittels eines Steckers und eines Gegensteckers z. B. mit dem Kraftfahrzeug 19 an die Steuerungseinheit 15 angeschlossen. Der Stecker und der Gegenstecker genötigt nur vier Kontakte für die beiden Stromleitungen 4 und die beiden Leitungen 8 zur Übertragung des wenigstens einen Signals. Die Anzahl der Kontakte bzw. Anschlüsse in dem Stecker und dem Gegenstecker sind damit wesentlich geringer als im Stand der Technik, bei dem für jede Batteriezelle 3 eines Batteriemoduls 1 jeweils zwei Leitungen zur Übertragung des Signals erforderlich sind und somit für jede dieser Leitungen 8 ein Kontakt bzw. ein Anschluss in dem Stecker bzw. Gegenstecker (nicht dargestellt) erforderlich sind. Der Stecker und der Gegenstecker kann damit wesentlich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden.
