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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ändern des Ladungszustands eines Batteriesystems.
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Batteriesysteme mögen unterschiedlich aufgebaut sein und betrieben werden. Insbesondere mögen Batteriesysteme aus einer Vielzahl von Zellen bestehen, welche gänzlich oder zum Teil in Serie geschaltet sind. Je nach Art der Anwendung mag ein Teil der seriell geschalteten Zellen in Blöcken parallel geschaltet sein. Es ist bekannt, dass Zellen unterschiedliche interne Parameter aufweisen, weshalb verschiedene Zellen ein unterschiedliches Ladeverhalten und ein unterschiedliches Entladeverhalten zeigen mögen. Deshalb mag es ein Bedürfnis nach einem Batteriesystem geben, das so eingerichtet ist, dass dem unterschiedlichen Lade- und Entladeverhalten der verschiedenen Zellen Rechnung getragen werden mag. Ferner mag es ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Ändern des Ladungszustands eines Batteriesystems geben, wobei mit dem Verfahren dem unterschiedlichen Lade- und Entladeverhalten der verschiedenen Zellen im Batteriesystem Rechnung getragen werden mag.
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Der Erfindung mag als Aufgabe zugrunde liegen, ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Ändern des Ladungszustands eines Batteriesystems zu schaffen, mit welchem die enthaltenen Zellen auf günstige Weise geladen und entladen werden mögen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Batteriesystem geschaffen, welches aufweist:
- zwei Zellen,
- einen ersten Ladungstransportpfad,
- einen zweiten Ladungstransportpfad,
- einen elektrischen Leistungspfad,
- einen elektrischen Ladungsausgleichspfad,
- wobei der erste Ladungstransportpfad als elektrischer Leistungspfad eingerichtet ist,
- wobei der zweite Ladungstransportpfad als elektrischer Ladungsausgleichspfad eingerichtet ist,
- wobei die zwei Zellen über den elektrischen Leistungspfad in Serie geschaltet sind und der elektrische Leistungspfad zum Laden und Entladen der Zellen eingerichtet ist,
- wobei der elektrische Ladungsausgleichspfad zum Spannungsausgleich zwischen den zwei Zellen eingerichtet ist und
- wobei das Batteriesystem derart eingerichtet ist, dass ein Steuersignal zum Steuern des Spannungsausgleichs auf einem der beiden Ladungstransportpfade übertragbar ist.
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Der Begriff „Batteriesystem“ mag eine Anordnung von Zellen bezeichnen, welche unterschiedlich verschaltet sein mögen. Eine unterschiedliche serielle und/oder parallele Verschaltung der Zellen mag also in dem Batteriesystem realisiert sein. Insbesondere mag der Begriff „Batteriesystem“ so aufzufassen sein, dass Akkumulatoren damit bezeichnet werden mögen. Damit mag das Batteriesystem einen Energiespeicher darstellen, welcher elektrische Energie in Form von chemisch gespeicherter Energie speichern mag. Gleichzeitig mag das Batteriesystem im Wesentlichen eine Gleichstromquelle darstellen. Insbesondere mag das Batteriesystem aus Zellen aufgebaut sein, welche als so genannte Sekundärzellen bezeichnet werden mögen und welche folglich eine physikalische Grundlage für ein Entladen als auch für ein Laden des Batteriesystems darstellen mögen. Für den Begriff „Sekundärzelle“ mag auch der Begriff „Sekundärelement“ ein Synonym sein. Das Batteriesystem mag so eingerichtet sein, dass es elektronische Komponenten aufweist, mittels welcher der Ladungszustand des Batteriesystems, insbesondere der Ladungszustand der einzelnen Zellen untereinander, regelbar oder steuerbar sein mag.
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Der Begriff „Zelle“ mag einen chemischen Speicher für elektrische Energie bezeichnen. Demzufolge mag der Begriff „Zelle“ abgekürzt ausgedrückt einen elektro-chemischen Speicher bezeichnen. In einem weiten Sinn mag der Begriff „Zelle“ konkret eine gebräuchliche oder handelsübliche Batterie bezeichnen, welche insbesondere eine wiederaufladbare Batterie sein mag. In einem engeren Sinn mag der Begriff „Zelle“ konkret eine Voltasche Säule bezeichnen. In einem noch engeren Sinn mag der Begriff „Zelle“ auch eine elektrochemische Elementarzelle bezeichnen. Danach mag die elektrochemische Elementarzelle zwei Elektroden aufweisen, welche in einen Elektrolyten eintauchen. Damit sich die Elektroden nicht berühren, mag sich zwischen den Elektroden ein Separator befinden, welcher einen Ionenstrom im Elektrolyten erlauben mag. Batteriesysteme mögen entsprechend den grundlegenden Typen elektrochemischer Zellen, nach denen die Batteriesysteme benannt sein mögen, beispielsweise Bleibatterien, NiCd-Batterien, NiMH-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien sein.
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Der Begriff „Ladungstransportpfad“ mag eine elektrische Verbindung bezeichnen. Diese elektrische Verbindung mag insbesondere ein metallischer Leiter sein, wie z.B. ein Leiter aus Kupfer, usw. Auch mag ein Ladungstransportpfad durch direkten Kontakt oder einer direkten Verbindung zwischen einer Kathode und einer Anode zweier elektrochemischer Elementarzellen entstehen.
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Der Begriff „elektrischer Leistungspfad“ mag einen Ladungstransportpfad darstellen. Über den elektrischen Leistungspfad mögen die Zellen des Batteriesystems miteinander in Serie gekoppelt sein. Über den elektrischen Leistungspfad mögen insbesondere das Laden und/oder das Entladen des Batteriesystems erfolgen. Die in Reihe geschalteten Zellen mögen so miteinander seriell gekoppelt sein, dass die Anode einer Zelle mit der Kathode einer weiteren Zelle über den elektrischen Leistungspfad verbunden sein mag. Über den elektrischen Leistungspfad mag das Batteriesystem insgesamt geladen und/oder entladen werden, so dass sich die gespeicherte Gesamtenergiemenge des Batteriesystems ändern mag.
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Der Begriff „Laden“ mag sich auf die Aufnahme von elektrischer Energie durch eine Zelle beziehen. Dabei mag die elektrische Energie in Form von chemischer Energie in der Zelle gespeichert werden. Das Laden einer Zelle mag mit einem Stromfluss einhergehen, wobei der Strom in Form von Gleichstrom oder in gepulster Form appliziert werden mag. In einem weiten Sinn mag mit dem Laden ein Vorgang bezeichnet werden, bei dem eine chemisch gespeicherte Gesamtenergiemenge des Batteriesystems steigt.
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Der Begriff „Entladen“ mag sich auf die Abgabe von elektrischer Energie durch die Zelle beziehen. Dabei mag die chemisch gespeicherte Energie in Form von elektrischer Energie oder Strom umgewandelt und abgegeben werden. In der Regel mag ein elektrischer Verbraucher die abgegebene elektrische Energie aufnehmen, so dass die Art der Energieabgabe, d.h. die Stromabgabe, durch die Zelle vom Verbraucher abhängig sein mag.
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Der Begriff „elektrischer Ladungsausgleichspfad“ mag eine elektrische Verbindung bezeichnen, welche den Spannungsausgleich zwischen zwei oder mehreren Zellen ermöglichen mag. Insbesondere mag sich der elektrische Ladungsausgleichspfad in Form von zwei elektrischen Leitern zwischen zwei oder mehreren Zellen erstrecken und die elektrische Verbindung dieser Zellen ermöglichen. Dabei mag ein erster elektrischer Leiter alle Kathoden der zwei oder mehreren Zellen verbinden. Der zweite elektrische Leiter mag alle Anoden der zwei oder mehreren Zellen verbinden. Somit mag mittels des elektrischen Ladungsausgleichspfads ein Ladungsausgleich zwischen zwei oder mehreren Zellen realisierbar sein. Der elektrische Ladungsausgleichspfad mag sich also parallel zu dem elektrischen Leistungspfad erstrecken. Wenn sich infolge unterschiedlicher interner Parameter zweier Zellen eine Potentialdifferenz gebildet hat, d.h. ein Spannungsunterschied besteht, so mag über die beiden elektrischen Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads ein Spannungsausgleich mittels Verschiebens von Ladungen durchführbar sein. Damit mag sich der chemisch gespeicherte Energieinhalt in den jeweiligen Zellen verändern. Insgesamt mag beim Spannungsausgleich zwischen zwei Zellen die chemisch gespeicherte Gesamtenergiemenge im Batteriesystem im Wesentlichen gleich bleiben.
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Der Begriff „Spannungsausgleich“ mag dem Vorgang einer Ladungsverschiebung entsprechen, welcher durch eine Potentialdifferenz hervorgerufen werden mag. Der Hintergrund, weshalb ein Spannungsausgleich in einem Batteriesystem sinnvoll sein mag, mag darin bestehen, dass die Zellen in dem Batteriesystem unterschiedlich stark sein mögen. So mag beispielsweise eine stärkere Zelle beim Laden eine niedrigere Spannung aufweisen als eine schwächere Zelle, da bei der schwächeren Zelle die Menge an chemisch speicherbarer Energie früher erreicht sein mag und damit die Gefahr eines Überladens der schwächeren Zelle bestehen mag. Umgekehrt mag die Spannung einer schwächeren Zelle beim Entladen des Batteriesystems schneller abfallen, was ohne Ladungsausgleich von der stärkeren Zelle zu der schwächeren Zelle zu einer Verkürzung der Entladezeit des Batteriesystems führen mag, welche nicht erwünscht ist.
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Der Begriff „Steuersignal“ mag ein elektrisches Signal bezeichnen, welches geeignet ist, um direkt oder indirekt den Ladungszustand einer Zelle zu beeinflussen. Hierbei mag das Steuersignal auf geeignete Weise auf eine Steuereinheit einwirken, wobei die Steuereinheit die elektrische Anbindung der Zelle an den elektrischen Ladungsausgleichspfad steuert. Insbesondere mag das Steuersignal die elektrische Anbindung der Zelle an die beiden Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfades steuern. Damit mag ein Spannungsausgleich zwischen zwei Zellen verwirklicht werden. In dieser Anmeldung mag das Steuersignal ein analoges oder ein digitales elektrisches Signal sein. Da das Steuersignal also insbesondere ein elektrisches Signal sein mag, mag es in beispielhaften Ausführungsbeispielen über einen Ladungstransportpfad übertragbar sein. Insbesondere mag das Steuersignal über den elektrischen Leistungspfad oder über einen der beiden Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads übertragbar sein.
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Gemäß einem Aspekt mag ein Steuersignal auf einem der beiden Ladungstransportpfade übertragbar sein. Damit mag einer der Ladungstransportpfade sowohl zum Ladungstransport verwendet werden und damit den Ladungszustand innerhalb des Batteriesystems beeinflussen, als auch dem Übertragen eines Steuersignals dienen. Hierzu mag der entsprechende Ladungstransportpfad so eingerichtet sein, dass ein im Wesentlichen in Form eines Gleichstroms realisierter Ladungstransport, welcher der Änderung des Ladungszustands von zwei oder mehreren Zellen innerhalb des Batteriesystems dient, von einem hochfrequenten Steuersignal überlagert werden mag. Für das Übertragen des Steuersignals und den gleichzeitig stattfindenden Ladungstransport zum Laden und/oder Entladen mag also der elektrische Leistungspfad oder einer der beiden Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads benutzbar sein. Ferner mag auch eine beliebige Auswahl aus mehreren Leitern bestehend aus dem elektrischen Leistungspfad, dem ersten Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads und des zweiten elektrischen Ladungsausgleichspfads der Übertragung des Steuersignals und dem Laden und/oder Entladen dienen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ändern des Ladungszustands eines Batteriesystems geschaffen, wobei das Verfahren aufweist:
- Laden und/oder Entladen von zwei Zellen,
- Verschieben von Ladungen auf einem ersten Ladungstransportpfad, welcher als elektrischer Leistungspfad eingerichtet ist, wobei der elektrische Leistungspfad dem Laden und/oder Entladen der über den elektrischen Leistungspfad in Serie geschalteten zwei Zellen dient,
- Verschieben von Ladungen auf einem zweiten Ladungstransportpfad, welcher als Ladungsausgleichspfad eingerichtet ist, wobei der Ladungsausgleichspfad dem Spannungsausgleich zwischen den zwei Zellen dient und
- Übertragen eines Steuersignals zum Steuern des Spannungsausgleichs auf einem der beiden Ladungstransportpfade.
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Gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung mögen zwei Zellen des Batteriesystems geladen und/oder entladen werden. Auf einem ersten Ladungstransportpfad, welcher als elektrischer Leistungspfad die Zellen seriell verbinden mag, mag durch das Batteriesystem eine Änderung der gesamten gespeicherten Energiemenge realisierbar sein. Auf einem zweiten Ladungstransportpfad mag zwischen den Zellen ein Spannungsausgleich realisierbar sein. Der Spannungsausgleich mag einer Verschiebung von Ladungen zwischen den Zellen entsprechen, wobei die gesamte gespeicherte Energiemenge des Batteriesystems im Wesentlichen unverändert bleiben mag. Das Steuersignal, welches dem Steuern des Spannungsausgleichs dienen mag, mag über einen der beiden Ladungstransportpfade übertragen werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei das Batteriesystem ferner einen Sensor aufweist, der derart eingerichtet ist, dass mittels des Sensors ein Wert eines Zustandsparameters einer Zelle erfassbar ist.
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Der Begriff „Sensor“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, welche auf einen physikalischen Stimulus mit der Ausgabe eines resultierenden Pulses reagiert. Insbesondere mag der Sensor auf eine Spannung, eine Spannungsänderung, eine Temperatur, eine Temperaturänderung, einen Strom oder eine Stromänderung reagieren. Insbesondere mag der ausgegebene Puls ein vom sensierten Stimulus abhängiger elektrischer Impuls sein. Je nachdem, welcher physikalische Stimulus sensiert werden soll, mag der Sensor an unterschiedlichen Stellen an der zu überwachenden Zelle angeordnet oder angekoppelt sein.
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Der Begriff „Zustandsparameter“ mag den vom Sensor zu sensierenden physikalischen Stimulus bezeichnen. Entsprechend mag der physikalische Stimulus eine Spannung, eine Spannungsänderung, eine Temperatur, eine Temperaturänderung, einen Strom oder eine Stromänderung sein.
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Mit dem Erfassen des Wertes eines geeigneten Zustandsparameters mag der Zustand einer Zelle erfasst werden. Damit mag beispielsweise der Ladungszustand oder der Alterungszustand der Zelle erfassbar sein. Ein geeigneter Zustandsparameter mag eine Grundlage für einen gemäß dem Zustandsparameter angepassten Lade- und oder Entladevorgang für die entsprechende Zelle bilden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei das Batteriesystem ferner einen A/D-Wandler aufweist, wobei der A/D-Wandler derart eingerichtet ist, dass der Wert, der der Zelle zugeordnet ist, in ein digitales Messsignal wandelbar ist.
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Der Begriff „A/D-Wandler“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, welche einen analogen elektrischen Impuls in ein digitales elektrisches Signal umwandelt. Insbesondere mag der vom Sensor stammende elektrische Impuls in ein geeignetes digitales Messsignal umgewandelt werden. Das digitale elektrische Messsignal mag beispielsweise auf dem ausgewählten Ladungstransportpfad übertragbar sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei das Batteriesystem ferner eine Kommunikationseinheit und eine zentrale Auswerteeinheit aufweist, wobei die Kommunikationseinheit derart eingerichtet ist, dass das digitale Messsignal mittels der Kommunikationseinheit zu der zentralen Auswerteeinheit übertragbar ist.
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Der Begriff „Kommunikationseinheit“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, welche dazu eingerichtet ist, das digitale Messsignal zu empfangen und so weiterzuleiten, dass das digitale Messsignal der sensierten Zelle zuordenbar ist. Eine Energieversorgung der Kommunikationseinheit mag durch die gegebene Ankopplung an einen Ladungstransportpfad erfolgen.
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Der Begriff „zentrale Auswerteeinheit“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, welche dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von digitalen Messsignalen, welche zu unterschiedlichen Zeiten erfasst wurden und/oder von unterschiedlichen Zellen stammen, zu empfangen und zu bearbeiten. Die Verarbeitung mag hardwarebasiert oder softwarebasiert erfolgen. Insbesondere mag die zentrale Auswerteeinheit einen Microcontroller oder eine CPU und entsprechende Speicherbausteine aufweisen. Die zentrale Auswerteeinheit mag derart eingerichtet sein, dass von ihr Steuersignale erzeugt und versendet werden mögen. Insbesondere mag die zentrale Auswerteeinheit so eingerichtet sein, dass mittels ihr eine Zuordnung der digitalen Messsignale und der Steuersignale zu den Zellen durchführbar sein mag.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei die zentrale Auswerteeinheit an den elektrischen Ladungsausgleichspfad gekoppelt ist.
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Die zentrale Auswerteeinheit mag so an den elektrischen Ladungsausgleichspfad gekoppelt sein, dass einerseits das Verschieben von Ladungen zwischen Zellen ungestört erfolgen mag und andererseits das Steuersignal und/oder die digitalen Messsignale auf den elektrischen Ladungsausgleichspfad aufmodulierbar und übertragbar sein mögen. Es mag ein Datenaustausch zwischen der zentralen Auswerteeinheit und der Kommunikationseinheit erfolgen. Eine Energieversorgung der zentralen Auswerteeinheit mag durch die gegebene Ankopplung an einen Ladungstransportpfad erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei die zentrale Auswerteeinheit an den elektrischen Leistungspfad gekoppelt ist.
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Die zentrale Auswerteeinheit mag so an den elektrischen Leistungspfad gekoppelt sein, dass einerseits das Laden und/oder das Entladen über den elektrischen Ladungsausgleichspfad ungestört erfolgen mögen und andererseits das Steuersignal und/oder die digitalen Messsignale auf den elektrischen Leistungspfad aufmodulierbar und übertragbar sein mögen. Es mag ein Datenaustausch zwischen der zentralen Auswerteeinheit und der Kommunikationseinheit erfolgen. Eine Energieversorgung der zentralen Auswerteeinheit mag durch die gegebene Ankopplung an einen Ladungstransportpfad erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei das Batteriesystem ferner eine Steuereinheit aufweist, wobei die zentrale Auswerteeinheit derart eingerichtet ist, dass das digitale Messsignal mittels der zentralen Auswerteeinheit auswertbar ist, das Steuersignal zum Steuern des Spannungsausgleichs mittels der zentralen Auswerteeinheit erzeugbar ist und das Steuersignal über den einen der beiden Ladungstransportpfade zu der Steuereinheit übertragbar ist. Ferner mag die Steuereinheit derart eingerichtet sein, dass der Spannungsausgleich an zumindest einer Zelle mittels der Steuereinheit steuerbar ist.
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Der Begriff „Steuereinheit“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, welche dazu eingerichtet ist, das Steuersignal zu empfangen und in Abhängigkeit von dem empfangenen Steuersignal den Spannungsausgleich über den elektrischen Ladungsausgleichspfad zu steuern. Hierzu mag die Steuereinheit der Zelle zugeordnet sein. Das Batteriesystem mag mehrere Steuereinheiten aufweisen, welche an mehreren Zellen angeordnet sind. Insbesondere mag eine Zelle zwei zugeordnete Steueruntereinheiten aufweisen, wobei eine erste der zwei zugeordneten Steueruntereinheiten mit einer Kathode der Zelle gekoppelt sein mag und eine zweite der zwei zugeordneten Steuereinheiten mit einer Anode der Zelle gekoppelt sein mag. Damit mag einerseits die entsprechende Zelle von dem ersten Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads entkoppelt werden oder elektrisch leitend gekoppelt werden. Außerdem mag damit andererseits die entsprechende Zelle auch von dem zweiten Leiter des elektrischen Ladungsausgleichspfads entkoppelt werden oder elektrisch leitend gekoppelt werden. Es mag ein Spannungsausgleich zwischen zwei beliebigen Zellen realisiert werden, abhängig davon, ob die zwei jeweiligen Zellen mit dem elektrischen Ladungsausgleichspfad elektrisch gekoppelt sind und jeweilige weitere Zellen vom elektrischen Ladungsausgleichspfad entkoppelt sind. Die Steuereinheit mag einen elektrischen Schalter darstellen. Insbesondere mag die Steuereinheit auf einem Transistor basieren. Die Steuereinheit mag so eingerichtet sein, dass eine elektrische Leitung unterbrechbar oder koppelbar sein mag. Ferner mag die Steuereinheit so eingerichtet sein, dass zwei separate Leitungen, welche beispielsweise parallel verlaufen mögen, unterbrechbar oder koppelbar sein mögen. Im zweiten Fall mag die Steuereinheit zwei Steueruntereinheiten aufweisen, welche auf jeweils auf einem Transistor basieren mögen oder allgemeiner ausgedrückt, zwei elektrische Schalter darstellen mögen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei das Batteriesystem ferner einen Übertrager aufweist, wobei der Übertrager parallel zu zumindest einer der beiden Zellen geschaltet ist und wobei der Übertrager so eingerichtet ist, dass über den Übertrager das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sind.
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Der Begriff „Übertrager“ mag eine Vorrichtung bezeichnen, über welche das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sind. Der Übertrager mag als ein Transformator, z.B. als so genannter Pulstransformator oder Impulstransformator, realisiert sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, wobei der Übertrager auf einem Transformator basiert, über welchem auf induktive Weise das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sind und der Spannungsausgleich stattfindet. Alternativ oder zusätzlich mag der Übertrager auf einer kapazitiven Kopplung basieren, über welches kapazitiv das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sind.
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Einerseits mag der Übertrager auf einem Transformator basieren, welcher den zwischen dem elektrischen Ladungsausgleichspfad und elektrischen Leistungspfad geschaltet sein mag. Eine erste Transformatorspule mag eine Kathode und eine Anode der Zelle miteinander verbinden und die zweite Transformatorspule mag den ersten Leiter und den zweiten Leiter des elektrischen Ladungstransportpfades miteinander verbinden. Damit mag ein Spannungsausgleich zwischen zwei Zellen realisierbar sein. In der Ausführung als Transformator mag der Übertrager dazu eingerichtet sein, dass nicht nur das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sein mögen, sondern auch dass mittels des Übertragers ein Spannungsausgleich zwischen der Zelle und dem elektrischen Ladungsausgleichspfad stattfinden mag.
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Andererseits mag der Übertrager auf einer kapazitiven Kopplung basieren, welche eine Kathode und eine Anode einer Zelle so miteinander verbinden mag, dass ein Kurzschluss der Zelle vermieden werden mag, jedoch elektrisch modulierte Signale, wie das Steuersignal und/oder das digitale Messsignal übertragbar sein mögen. Die kapazitive Kopplung mag auf einem Kondensator basieren. Insbesondere mag die kapazitive Kopplung auf einem RC-Glied basieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Batteriesystem geschaffen, welches ferner zwei Gruppen von Zellen aufweist, wobei die zwei Gruppen mittels des elektrischen Ladungsausgleichspfads gekoppelt sind.
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Der Begriff „Gruppe“ oder „Gruppe von Zellen“ mag eine Anordnung von Zellen bezeichnen, welche unterschiedlich verschaltet sein mögen. Eine unterschiedliche serielle und/oder parallele Verschaltung der Zellen mag also in der Gruppe realisiert sein. Insbesondere mag jede Gruppe einen eigenen elektrischen Leistungspfad aufweisen. Es mögen mittels des elektrischen Ladungsausgleichspfads also der Ladungsausgleich zwischen den Gruppen und die Übertragung des Steuersignals stattfinden. Insbesondere mag die Kommunikation zwischen den Kommunikationseinheiten, welche jeweils einer Gruppe zugeordnet sein mögen, und der Auswerteeinheit, welche beiden Gruppen zugeordnet sein mag, auf dem elektrischen Ladungsausgleichspfad basieren. Insbesondere verschiedene Möglichkeiten zur Kommunikation und zum Ladungsausgleich auch in Gruppen zu mehreren Zellen zusammengefasst werden. Beispielsweise mag zum Zweck des Ladungsausgleichs und der Signalübertragung nur ein Pfad von einer Zellgruppe zu einer anderen Zellgruppe zum Zweck des Ladungsausgleichs und der Signalübertragung benötigt werden.
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Zusammenfassend mag festgestellt werden, dass eine Kommunikation von Zellen mit der zentralen Auswerteinheit, welche auch als Zentralsteuergerät bezeichnet werden mag, ohne teure Koppelelemente realisierbar sein mag. Für die Kommunikation mag auf jeder Zelle, welche auch als Modul bezeichnet werden mag, ein preiswerter Übertrager verwendet werden, mit dem entsprechende Signale, wie ein digitales Messsignal und/oder Steuersignale, welche auch als Kommunikationspulse bezeichnet werden mögen, auf einen seriellen Bus gekoppelt werden mögen. Bei dem seriellen Bus mag es sich beispielsweise um einen RS485 oder um einen CAN-Bus handeln. Die Art der Pulse mag dabei unerheblich sein; die Pulse mögen beispielsweise als DTMF, PCM, AM, FM-Pulse bezeichnet werden. Eine Kollisionsüberwachung entsprechender Eindrahtbusse mag als bekannt vorausgesetzt werden. Zusätzlich mag eine Ladeausgleichsschaltung möglich sein, bei der jedem der Zellen oder Zellblöcken, welche auch als Schaltungsblöcke bezeichnet werden mögen, von außen Energie zugeführt werden mag. Die Signale mögen dabei überlagert werden, im Nulldurchgang verschachtelt oder durch Energie die dem System entzogen wird aufmoduliert werden.
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Die Schaltungen auf der Zellenseite mögen damit weitestgehend autark arbeiten können und mögen in einem Bussystem zusammengefasst werden. Dieses Bussystem mag somit die Kommunikation, die Leistungsübertragung und die galvanische Trennung für alle Zellen übernehmen. Es mag also eine Energiezufuhr von außen ohne zusätzliche Kosten zur isolierten Ankopplung möglich sein.
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Insbesondere mag ein Batteriesystem geschaffen werden, welches einen Ladungsausgleich zwischen verschiedenen Zellen ermöglicht und welches keinen speziellen Kommunikationsbus aufweist, über welchen Signale, welche sich auf eine Steuerung des Ladungsausgleichs beziehen, übertragen werden. D.h. es mag ein Batteriesystem geschaffen werden, welches kommunikationsbusfrei oder zumindest frei von einem spezifischen Kommunikationsbus ist. Als Ersatz für einen solchen spezifischen Kommunikationsbus mag ein bereits vorhandener Ladungspfad verwendet werden, beispielsweise ein üblicher Leistungspfad, über den die einzelnen Zellen geladen werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Kategorien oder Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung von zwei derzeit bevorzugten Ausführungsformen. Die Figuren dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch. Auch mögen die den Figuren zugrunde liegenden Schaltungen abwandelbar sein.
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1 zeigt die schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einem elektrischen Ladungsausgleichspfad, welcher als Kommunikationsbus verwendet wird.
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2 zeigt die schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einem elektrischen Leistungspfad, welcher als Kommunikationsbus verwendet wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten darstellen. Insbesondere ist es möglich, die beschriebene Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt ein Batteriesystem 100, welches eine Vielzahl von Zellen 110, 111, 112 aufweisen mag. Die Zellen 110, 111, 112 mögen über einen elektrischen Leistungspfad 120 seriell miteinander gekoppelt sein, wobei alle Zellen 110, 111, 112 in gängiger Weise angeordnet sein mögen. Das heißt, dass eine Anode 122 einer ersten Zelle 110 mit der Kathode 123 einer weiteren Zelle 111 via den elektrischen Leistungspfad 120 gekoppelt sein mag. Das Batteriesystem 100 mag an den jeweiligen Enden des elektrischen Leistungspfades 120 einen Pluspol 131 und einen Minuspol 130 aufweisen. Über das Anschließen eines Verbrauchers bzw. eines Ladegeräts an den Pluspol 131 und den Minuspol 131 des Batteriesystems 100 mag das Batteriesystem entladen bzw. geladen werden. Jede Zelle 110, 111, 112 mag eine elektrochemische Zelle 140, 141, 142 aufweisen, welche dazu geeignet ist, elektrische Energie in chemischer Form zu speichern. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur drei Zellen dargestellt, auch wenn ein reales Batteriesystem mehr als drei Zellen aufweisen mag. Die Anzahl der Zellen mag insbesondere von der gewünschten Spannung abhängen, welche mittels des Batteriesystems bereitgestellt werden soll.
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Da die Verschaltung für jede Zelle 110, 111, 112 gleich sein mag, wird die Verschaltung nur an der Zelle 112 näher erläutert bzw. ist nur für diese Zelle 112 in der 1 dargestellt. Die Verschaltung und/oder der Aufbau mögen für die weiteren Zellen 110 und 111 gleich oder ähnlich sein. Deshalb wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die genaue Darstellung und Beschreibung der weiteren Zellen 110 und 111 verzichtet.
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Es ist zu beachten, dass die noch einzuführenden elektrischen Komponenten zwar der Zelle 112 zugeordnet sein mögen, jedoch müssen diese elektrischen Komponenten nicht direkt an dieser Zelle 112 angebracht sein. Es mag ausreichen, dass die entsprechenden elektrischen Komponenten auf eine geeignete Weise angeordnet und gekoppelt sind, so dass deren elektrische und/oder elektronische Funktionalität gewährleistet ist.
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Die Zelle 112 mag einen Sensor 151 aufweisen, welcher einen geeigneten Zustandsparameter der Zelle 112 sensieren oder abtasten mag. Für den Fall, dass der Sensor 151 ein Spannungssensor ist, mag der Sensor 151 über eine erste elektrische Leitung 153 mit der Kathode 155 der Zelle 112 gekoppelt sein und über eine zweite elektrische Leitung 152 mit der Anode 154 der Zelle 112. Alternativ mag mittels eines Sensors der Strom bzw. der Stromverlauf sensiert werden. Für den Fall, dass der Sensor 151 ein Temperatursensor ist, mag der Sensor 151 an oder in unmittelbarer Nähe der elektrochemischen Zelle 142 angeordnet sein. Der Sensor 151 mag mit einem A/D-Wandler 157 gekoppelt sein, welcher den elektrischen Impuls des Sensors 151 in ein digitales Messsignal umwandeln mag. Der A/D-Wandler 157 mag mit einer Kommunikationseinheit 158 gekoppelt sein, welche das digitale Messsignal empfangen mag und in ein geeignetes weiteres digitales Messsignal umwandeln mag, welches von der Kommunikationseinheit 158 mittels eines Kommunikationsbusses übertragen werden mag. Die Kommunikationseinheit 158 mag an eine erste Transformatorspule 172 eines Transformators 170 gekoppelt sein.
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Der Transformator 170 mag mit der Zelle 112 gekoppelt sein, wobei eine erste Transformatorspule 172 des Transformators 170 mit der Kathode 155 und der Anode 154 der Zelle 112 gekoppelt sein mag. Ein Spannungspuls, welcher durch die Zelle 112 hervorgerufen werden mag, mag sich von der ersten Transformatorspule 172 des Transformators 170 auf die zweite Transformatorspule 173 des Transformators 170 übertragen. Die zweite Transformatorspule 173 mag mit einem ersten Leiter 162 eines elektrischen Ladungsausgleichspfads 160 und mit dem zweiten Leiter 164 des Ladungsausgleichspfads 160 gekoppelt sein. Wenn weitere Zellen 110 und 111 in gleicher oder ähnlicher Weise über ihre Kathoden und Anoden und ihren zweiten Transformatorspulen mit dem ersten Leiter 162 des elektrischen Ladungsausgleichespfads 160 und dem zweiten Leiter 164 des elektrischen Ausgleichspfads 160 gekoppelt sind, mag der Spannungspuls auf diese Zellen übertragbar sein. Der Transformator 170 mag als Teil eines Übertragers angesehen werden.
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Eine zentrale Auswerteeinheit 180 mag via einen Kondensator 181 an den zweiten Leiter 164 des elektrischen Ladungsausgleichspfads 160 gekoppelt sein. Damit mag ein digitaler Datenaustausch von der zentralen Auswerteeinheit 180, via den Kondensator 181, den zweiten Leiter 164 des elektrischen Ladungsausgleichspfads 160, der zweiten Transformatorspule 173 des Transformators170, der ersten Transformatorspule 172 des Transformators 170 zu der Kommunikationseinheit 158 gewährleistet sein. Über den Transformator 170 mag also sowohl ein Spannungsausgleich als auch ein digitaler Datenaustausch stattfinden. Insbesondere mag über diese Koppelung mittels eines Eindrahtbusses eine Kommunikation zwischen der Kommunikationseinheit 158 und der zentralen Auswerteeinheit 180 stattfinden.
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Wie bereits ausgeführt, mag die erste Transformatorspule 172 des Transformators 170 mit der Kathode 155 und der Anode 154 der Zelle 112 gekoppelt sein. Diese Koppelung mag via der Kommunikationseinheit 158 und einer Steuereinheit 159 realisiert sein. Die Steuereinheit 159 mag so eingerichtet sein, dass die Koppelung der Kathode 155 und der Anode 154 gesteuert werden mag. Hierzu mag die Steuereinheit 159 ein Steuersignal von der zentralen Auswerteeinheit 180 empfangen. Mittels eines Eindrahtbusses mag also die elektrische Koppelung der Zelle 112 mit dem elektrischen Ladungsausgleichspfad 160 veränderbar sein.
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Damit mögen von der Zelle 112, wie auch von jeder anderer in gleicher Weise gekoppelten Zelle 110 und 111 des Batteriesystems 100, digitale Messsignale mittels der Kommunikationseinheit 158 zu der zentralen Auswerteeinheit 180 übertragbar sein. Nach einer Auswertung der digitalen Messsignale durch die zentrale Auswerteeinheit 180 mag ein Steuersignal zur Steuereinheit 159 übertragbar sein. Durch das paarweise Ankoppeln von zwei Zellen des Batteriesystems 100 mittels ihrer jeweiligen Steuereinheiten 159 mag ein Spannungsausgleich zwischen den Zellen realisierbar sein.
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2 zeigt ein Batteriesystem 200, welches eine Vielzahl von Zellen 210, 211, 212 aufweisen mag. Die Zellen 210, 211, 212 mögen über einen elektrischen Leistungspfad 220 seriell miteinander gekoppelt sein, wobei alle Zellen 210, 211, 212 wieder in gängiger Weise angeordnet sein mögen. Das heißt, dass eine Anode 222 einer ersten Zelle 210 mit der Kathode 223 einer weiteren Zelle 211 via den elektrischen Leistungspfad 220 gekoppelt sein mag. Das Batteriesystem 200 mag an den jeweiligen Enden des elektrischen Leistungspfades 220 einen Pluspol 231 und einen Minuspol 230 aufweisen. Über das Anschließen eines Verbrauchers bzw. eines Ladegeräts an den Pluspol 231 und den Minuspol 230 des Batteriesystems 200 mag das Batteriesystem entladen bzw. geladen werden. Jede Zelle 210, 211, 212 mag eine elektrochemische Zelle 240, 241, 242 aufweisen, welche dazu geeignet ist, elektrische Energie in chemischer Form zu speichern.
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Da die Verschaltung für jede Zelle 210, 211, 212 gleich sein mag, wird die Verschaltung nur an der Zelle 212 näher erläutert bzw. ist nur für diese Zelle 212 in der 2 dargestellt. Die Verschaltung und/oder der Aufbau mögen für die weiteren Zählen 210 und 211 gleich oder ähnlich sein. Deshalb wird wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die genaue Darstellung und Beschreibung der weiteren Zellen 210 und 211 verzichtet.
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Es ist zu beachten, dass die noch einzuführenden elektrischen Komponenten zwar der Zelle 212 zugeordnet sein mögen, jedoch müssen diese elektrischen Komponenten nicht direkt an dieser Zelle 212 angebracht sein. Es mag ausreichen, dass die entsprechenden elektrischen Komponenten auf eine geeignete Weise angeordnet und gekoppelt sind, so dass deren elektrische und/oder elektronische Funktionalität gewährleistet ist.
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Die Zelle 221 mag einen Sensor 251 aufweisen, welcher einen geeigneten Zustandsparameter der Zelle 212 sensieren mag. Für den Sensor 251 und den an den Sensor gekoppelten A/D-Wandler mag das Gleiche gelten, wie dies in der Beschreibung der 1 ausgeführt ist.
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Die Kommunikationseinheit 258 mag via eine erste Steueruntereinheit 291 an einen ersten Leiter 262 eines elektrischen Ladungsausgleichspfads 260 gekoppelt sein. Weiterhin mag die Kommunikationseinheit 258 an die Anode 254 der Zelle 212 gekoppelt sein. Zwischen dem ersten Leiter 262 des elektrischen Ladungsaugleichspfads 260 und der Anode 254 der Zelle 212 mag eine erste Steueruntereinheit 291 gekoppelt sein. Insbesondere mag die erste Steueruntereinheit 291 zwischen der Kommunikationseinheit 258 und dem ersten Leiter 262 des elektrischen Ladungsausgleichspfads 260 gekoppelt sein. Eine zweite Steueruntereinheit 292 mag zwischen der Kathode 255 der Zelle 212 und einem zweiten Leiter 264 des elektrischen Ladungsausgleichspfads 260 gekoppelt sein. Mittels der ersten Steueruntereinheit 291 und der zweiten Steueruntereinheit 292 mag eine elektrische Koppelung der Zelle 212 mit den beiden Leitern 262 und 264 des elektrischen Ladungsausgleichspfads veränderbar sein. Da die erste Steueruntereinheit 291 und die zweite Steueruntereinheit 292 simultan betrieben werden mögen, mögen die erste Steueruntereinheit 291 und die zweite Steueruntereinheit 292 als Steuereinheit 299 zusammengefasst werden.
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Ein Koppelglied mag zwischen die Anode 254 und die Kathode 255 der Zelle 212 gekoppelt sein. Mit dem Koppelglied mag ein Kurzschluss zwischen der Anode 254 und der Kathode 255 vermeidbar sein und gleichzeitig ein digitaler Datenaustausch realisierbar sein. Damit mag eine Kommunikation mittels eines Eindrahtbusses entlang des elektrischen Leistungspfades 220 realisierbar sein. Das Koppelglied mag auf einer Kapazität, insbesondere einem Kondensator, basieren. Das Koppelglied mag einen Widerstand 274 und einen Koppelkondensator 275 aufweisen. Beispielsweise mag das Koppelglied als ein RC-Glied realisiert sein.
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Eine zentrale Auswerteeinheit 280 mag via einen Kondensator 281 an den elektrischen Leistungspfad 220 gekoppelt sein. Damit mag die zentrale Auswerteeinheit 280 Steuersignale senden, welche entlang des elektrischen Leistungspfads 220 übertragbar sind und von der ersten Steueruntereinheit 291 und der zweiten Steueruntereinheit 292 empfangbar sein mögen, welche die elektrische Koppelung der Zelle 212 an den elektrischen Ladungsausgleichspfad 260 simultan steuern mögen.
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Ebenso mag die Kommunikationseinheit 258 durch die Ankoppelung an den elektrischen Leistungspfad 220 digitale Messsignale an die zentrale Auswerteeinheit 280 senden.
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Wenn weitere Zellen 210 und 211 in gleicher oder ähnlicher Weise über ihre Anoden mit dem ersten Leiter 262 des elektrischen Ladungsausgleichespfads 260 und über ihre Kathoden dem zweiten Leiter 264 des elektrischen Ausgleichspfads 260 gekoppelt sind, mag ein Spannungsausgleich zwischen den Zellen steuerbar sein.
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Insgesamt mag also eine zentrale Auswerteeinheit 280 via einen Kondensator 281 an den elektrischen Leistungspfad 220 gekoppelt sein. Damit mag ein digitaler Datenaustausch von der zentralen Auswerteeinheit 280, via den Kondensator 281, den elektrischen Leistungspfad 220, der Anode 254, der Kommunikationseinheit 258, dem RC-Glied, welches den Widerstand 274 und den Koppelungskondensator 275 aufweist, und der Kathode 255 von der Zelle 212 zu weiteren Zellen 211 und 210 gewährleistet sein. Also mag damit ein digitaler Datenaustausch entlang des elektrischen Leistungspfads 220 stattfinden. Insbesondere mag über diese Koppelung mittels eines Eindrahtbusses eine Kommunikation zwischen jeder Kommunikationseinheit 258, welche einer Zelle 212 zugeordnet ist, und der zentralen Auswerteeinheit 280 stattfinden.
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Damit mag die Zelle 212, wie auch jede andere in gleicher Weise gekoppelte Zelle 210 und 211 des Batteriesystems 100, digitale Messsignale von der Kommunikationseinheit 258 zu der zentralen Auswerteeinheit 280 senden. Nach einer Auswertung der digitalen Messsignale durch die zentrale Auswerteeinheit 280 mag ein Steuersignal zur ersten Steueruntereinheit 291 und zur zweiten Steueruntereinheit 292 übertragbar sein. Durch das paarweise Ankoppeln von zwei Zellen des Batteriesystems 200 mittels der Steuereinheit 299, welche die erste Steueruntereinheit 291 und die zweite Steueruntereinheit 292 aufweist, mag ein Spannungsausgleich zwischen den Zellen realisierbar sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Batteriesystem
- 110
- Zelle
- 111
- Zelle
- 112
- Zelle
- 120
- elektrischer Leistungspfad
- 122
- Anode
- 123
- Kathode
- 130
- Minuspol
- 131
- Pluspol
- 140
- elektrochemische Zelle
- 141
- elektrochemische Zelle
- 142
- elektrochemische Zelle
- 151
- Sensor
- 152
- zweite elektrische Leitung
- 153
- erste elektrische Leitung
- 154
- Anode
- 155
- Kathode
- 157
- A/D-Wandler
- 158
- Kommunikationseinheit
- 159
- Steuereinheit
- 160
- elektrischer Ladungsausgleichspfad
- 162
- erster Leiter
- 164
- zweiter Leiter
- 170
- Transformator
- 172
- erste Transformatorspule
- 173
- zweite Transformatorspule
- 180
- zentrale Auswerteeinheit
- 181
- Kondensator
- 200
- Batteriesystem
- 210
- Zelle
- 211
- Zelle
- 212
- Zelle
- 220
- elektrischer Leistungspfad
- 222
- Anode
- 223
- Kathode
- 230
- Minuspol
- 231
- Pluspol
- 240
- elektrochemische Zelle
- 241
- elektrochemische Zelle
- 242
- elektrochemische Zelle
- 251
- Sensor
- 254
- Anode
- 255
- Kathode
- 257
- A/D-Wandler
- 258
- Kommunikationseinheit
- 260
- elektrischer Ladungsaugleichspfads
- 262
- erster Leiter
- 264
- zweiter Leiter
- 274
- Widerstand
- 275
- Koppelkondensator
- 280
- zentrale Auswerteeinheit
- 281
- Kondensator
- 291
- erste Steueruntereinheit
- 292
- zweite Steueruntereinheit
- 299
- Steuereinheit
