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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Überwachung des Betriebszustands eines Batterie-Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine elektronische Schaltung zum Überwachen der Spannung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers sowie eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der Spannungen von einer Mehrzahl von Zellen eines Batterie-Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Batterie-Energiespeicher mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Überwachen der Spannung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers unter Verwendung einer o. g. Schaltung oder einer o. g. Schaltungsanordnung.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Kraftfahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, auch Hybridfahrzeuge genannt, weisen beispielsweise eine Verbrennungsmaschine, eine elektrische Maschine und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen bestehen allgemein aus einer Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einem Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einem elektrochemischen Energiespeicher und einer elektrischen Maschine für den Antrieb.
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Die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges ist in der Regel als Starter/Generator und/oder elektrischer Antrieb ausgeführt. Als Starter/Generator ersetzt sie den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als elektrischer Antrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d.h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine beigetragen werden. Als Generator ermöglicht sie eine Rekuperation von Bremsenergie und Bordnetzversorgung.
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Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch eine elektrische Maschine bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug ist gemeinsam, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen.
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Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine elektronische Schaltung, welche allgemein als HybridController bezeichnet wird. Der HybridController regelt unter anderem, ob und in welcher Menge dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt werden soll.
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Die Energieentnahme aus einer Brennstoffzelle oder aus einem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Energiespeichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie d.h. dem regenerativen Bremsen.
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Der Energiespeicher für Hybridanwendungen kann während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit.
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Als Energielieferanten und Energiespeicher für Elektrofahrzeuganwendungen lassen sich beispielsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickelmetallhydrid- oder Lithium-Ionen Zellen nutzen.
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Alle elektrochemischen oder elektrostatischen Energiespeicher müssen in einem bestimmten Spannungsfenster betrieben werden. Dies gilt sowohl für Lade- als auch für Entladevorgänge. Bei zu hoher Betriebsspannung, auch Überladung genannt, reagieren viele elektrochemische/elektrostatische Energiespeicher durch erhöhte Bildung von Knallgas (einem Wasserstoff/Sauerstoffgemisch, welches ab einem Wasserstoffanteil von 4% eine nur noch sehr geringe Zündenergie aufweist) bei Zellen mit wässrigen Elektrolyten oder durch Zersetzung des Elektrolyten bei Zellen mit nichtwässrigen Elektrolyten. In beiden Fällen kann es durch Überladung zu Explosionen mit anschließendem Brand kommen.
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Anderseits wird auch die minimale Entladespannung begrenzt. Eine tiefere Spannung bei der Entladung als die vorgegebene untere Grenzspannung ist nicht erwünscht, denn durch Tiefentladung werden die Zellen in der Regel durch eine sog. Dendritenzersetzung von Deckschichten und ein damit verbundener Rückgang der Kapazität der betreffenden Zelle irreversibel geschädigt. Eine wiederholte oder periodische Unterschreitung einer minimalen Entladespannung bzw. eine wiederholte Tiefentladung von Batteriezellen kann zum Ausfall eines gesamten Energiespeichers führen. Ein beispielsweise in der Fahrzeugtechnik verwendeter Energiespeicher kann eine serielle und/oder parallele Verschaltung von einzelnen Zellen aufweisen. Ein derartiger Energiespeicher wird häufig auch als Batteriepack bezeichnet.
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Um einen Ausfall eines Energiespeichers zu vermeiden, müssen die Einzelzellspannungen der Zellen des Energiespeichers überwacht werden, damit die einzelne Zellen im Zellverbund nicht durch ein unerwünschtes „Auseinanderdriften“ überladen oder zu tief entladen werden. Für diese Überwachung werden die Einzelzellenspannungen in der Regel mit einem Anlog/Digital-Wandler gemessen. Das gemessene Signal wird mittels einer Auswerteelektronik ausgewertet. Wenn die zugelassenen Spannungsgrenzen der Zelle überschritten oder unterschritten werden, erfolgen Maßnahmen, mit denen der erlaubte Spannungsbereich wieder erreicht wird. Derartige Maßnahmen sind beispielsweise eine Abschaltung des Energiespeichers oder eines Teils davon, eine Entladung zumindest eines Teils des Energiespeichers oder eine bewusste Stromreduktion.
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Um die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen benötigten Leistungen und Energien zur Verfügung zu haben, werden in der Regel Zellen in Reihe geschaltet. Dabei werden Systemspannungen bis 1000 Volt erreicht. Um die eingesetzten Bauteile nicht zu beschädigen und um eine Gefährdung von Personen durch einen elektrischen Schlag auszuschließen, muss die Einzelzellspannungsüberwachung galvanisch isoliert ausgeführt werden.
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Aus Gründen der Sicherheit ist es im Bereich der Fahrzeugtechnik in der Regel notwendig, die Überspannungsüberwachung redundant auszuführen. Daher müssen sämtliche Komponenten der entsprechenden Messeinrichtung doppelt vorhanden sein, um dabei eine Redundanz auch tatsächlich zu erreichen. Dadurch entstehen zusätzlich erhebliche Mehrkosten, da z.B. die doppelte Menge an Analog/Digital-Wandlern verbaut werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachung von einzelnen Zellen eines Batterie-Energiespeichers in Hinblick auf einen reduzierten apparativen Aufwand zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Schaltung zum Überwachen der Spannung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers beschrieben. Die beschriebene elektronische Schaltung weist auf (a) ein galvanisches Trennelement, welches eine Eingangsstufe und eine Ausgangsstufe aufweist, wobei ein erster Eingangsanschluss der Schaltung, welcher der Eingangsstufe zugeordnet ist, mit einem ersten Anschlusskontakt der Zelle verbindbar ist, (b) ein elektrisches Anpassungselement, welches in Serie mit der Eingangsstufe geschalten ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss der Schaltung, welcher dem elektrischen Anpassungselement zugeordnet ist, mit einem zweiten Anschlusskontakt der Zelle verbindbar ist, und (c) eine Auswerteeinheit, welche der Ausgangsstufe nachgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist das elektrische Anpassungselement derart eingerichtet, dass der Betriebszustand der Eingangsstufe geändert und damit ein von der Auswerteeinheit detektierbares Ausgangssignal der Ausgangsstufe generiert wird, wenn ein Pegel einer Spannung, welche zwischen den beiden Eingangsanschlüssen anliegt, einen vorgegebenen Referenzwert unterschreitet oder überschreitet.
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Der beschriebenen elektronischen Schaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine reine Sicherheitsüberwachung der Zelle eine exakte Kenntnis des Zellspannungswertes nicht unbedingt erforderlich ist, solange die Zellspannung innerhalb eines erlaubten Bereiches liegt. Daher wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Überwachungsfunktion auf eine einfache Schwellwertüberwachung reduziert. Auf diese Weise kann im Vergleich zu bekannten Lösungen der apparative Aufwand zur Realisierung der Spannungsüberwachung erheblich reduziert werden.
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Insbesondere ist es nicht erforderlich, einen Analog-zu-Digital Konverter und eine entsprechend nachgeschaltete digitale Auswerteeinheit oder eine vollständige analoge Spannungsmesseinrichtung zu verbauen. Diese in Bezug auf notwendige elektronische Schaltungskomponenten erreichte apparative Vereinfachung macht sich insbesondere dann vorteilhaft bemerkbar, wenn eine Mehrzahl von Zellen gleichzeitig überwacht werden, weil dann die beschriebene apparative Vereinfachung für jede Zelle realisiert werden kann und sich die Einspareffekte entsprechend der Anzahl der Zellen zu einer großen Gesamteinsparung kumulieren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Schaltung auch als redundanter Zweig zusätzlich zu einer bekannten Spannungsüberwachung der Zelle verwendet werden kann, bei der der Spannungswert der Zelle nicht nur mittels einer Schwellwertüberwachung sondern auch mittels einer genaueren Spannungspegelmessung überwacht wird. In diesem Fall kann der apparative Aufwand und damit die Kosten für die redundante Spannungsüberwachung erheblich reduziert werden.
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Das von der Auswerteeinheit detektierbare Ausgangssignal der Ausgangsstufe kann in diesem Zusammenhang jedes beliebige Signal oder jede beliebige Zustandsänderung sein, welches bzw. welche von der Auswerteeinheit erkennbar ist. Das detektierbare Ausgangssignal kann demzufolge ein neu generiertes Signal, ein verändertes Signal oder auch ein ausbleibendes Signal sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das galvanische Trennelement ein Optokoppler. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine hohe galvanische Isolation bis hin zu beispielsweise 10 kV erreicht werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn viele Zellen in Serie geschaltet sind. Ferner ist bei der Verwendung von mehreren Optokopplern beispielsweise für die gleichzeitige Überwachung von mehreren Zellen die Wahrscheinlichkeit für ein unerwünschtes Übersprechen zwischen benachbarten Optokopplern gering.
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Ein Optokoppler kann beispielsweise eine Leuchtdiode und einen Fototransistor, Fotodiode oder Fotowiderstand aufweisen. Typischerweise sind beide Bauteile gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht und bilden eine Art von miniaturisierter Lichtschranke. Durch eine örtliche und elektrische Trennung der Leuchtdiode und des Fototransistors wird eine hohe galvanische Isolation erreicht, welche je nach spezieller Ausführung des Optokopplers bis zu mehreren 10 kV standhalten kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das galvanische Trennelement ein induktiver und/oder kapazitiver Koppler. Durch eine geeignete Wahl und Dimensionierung des elektrischen Anpassungselements ist auch bei derartigen elektronischen Komponenten bzw. Kopplern eine Schaltschwellenfunktionalität auf einfache Weise erreichbar.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das elektrische Anpassungselement einen Vorwiderstand und/oder eine Komparatorschaltung auf. Durch die richtige Beschaltung der Eingangsstufe des galvanischen Trennelements mit einem Vorwiderstand, einer Diode und/oder mit einer anderen Schaltung wie zum Beispiel einer Komparatorschaltung mit einem voreingestellten Schwellwert ist es auf einfache Weise möglich, dass der Betriebszustand der Eingangsstufe beispielsweise ab einer bestimmten Schwellenspannung geändert wird.
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Im Falle der Verwendung eines Optokopplers kann die Leuchtdiode des Optokopplers in Serie mit dem Vorwiderstand bzw. in Serie mit der Komparatorschaltung geschaltet werden, so dass die Leuchtdiode ab einer bestimmten Schwellenspannung anfängt bzw. aufhört zu leuchten. Die Änderung des Zustandes des Optokopplers führt dann dazu, dass der Fototransistor durchschaltet (die Fotodiode, der Fototransistor oder der Fotowiderstand werden leitend) oder dass der Fototransistor sperrt (die Fotodiode, der Fototransistor oder der Fotowiderstand werden nicht-leitend).
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Durch eine geeignete Wahl und Dimensionierung des elektrischen Anpassungselements ist es somit auf einfache Weise möglich, mit einem Minimum an Verschaltungsaufwand eine Spannungsüberwachung in Form einer Grenzwertüberwachung zu realisieren. Dabei wird der Verschaltungsaufwand und der apparative Aufwand zur Realisierung der Spannungsüberwachung insbesondere dann besonders klein, wenn das elektrische Anpassungselement ein Vorwiderstand oder ein Komparator ist und somit abgesehen von Vorwiderstand oder ein Komparator keine weiteren elektronischen Bauteile bzw. Komponenten aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die elektronische Schaltung ferner auf (a) ein weiteres galvanisches Trennelement, welches eine weitere Eingangsstufe und eine weitere Ausgangsstufe aufweist, wobei ein weiterer erster Eingangsanschluss der Schaltung, welcher der weiteren Eingangsstufe zugeordnet ist, mit dem ersten Anschlusskontakt der Zelle verbindbar ist, (b) ein weiteres elektrisches Anpassungselement, welches in Serie mit der weiteren Eingangsstufe geschalten ist, wobei ein weiterer zweiter Eingangsanschluss der Schaltung, welcher dem weiteren elektrischen Anpassungselement zugeordnet ist, mit dem zweiten Anschlusskontakt der Zelle verbindbar ist, und (c) eine weitere Auswerteeinheit, welche der weiteren Ausgangsstufe nachgeschaltet ist. Das weitere elektrische Anpassungselement ist derart eingerichtet, dass der Betriebszustand der weiteren Eingangsstufe geändert und damit ein von der weiteren Auswerteeinheit detektierbares Ausgangssignal der weiteren Ausgangsstufe generiert wird, wenn der Pegel der Spannung, welche zwischen den beiden weiteren Eingangsanschlüssen anliegt, einen weiteren vorgegebenen Referenzwert überschreitet oder unterschreitet.
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Die Schaltung mit den beschriebenen weiteren Komponenten kann auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden, das Über- oder Unterschreiten des Weiteren vorgegebenen Referenzwertes zu detektieren.
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Bevorzugt wird der Teil der Schaltung, welcher den weiteren Komponenten zugeordnet ist, dazu verwendet, um ein Überschreiten des Spannungspegels der Zelle über den weiteren Referenzwertes zu erkennen, wohingegen der andere Teil der Schaltung dazu verwendet wird, ein Unterschreiten des Spannungspegels des Zelle unter den oben beschriebenen Referenzwert zu detektieren. Selbstverständlich kann auch umgekehrt derjenige Teil der Schaltung, welcher den weiteren Komponenten zugeordnet ist, dazu verwendet um ein Unterschreiten des Spannungspegels der Zelle unter den weiteren Referenzwert zu erkennen, wohingegen der andere Teil der Schaltung dazu verwendet wird, ein Überschreiten des Spannungspegels des Zelle über den oben beschriebenen Referenzwert zu detektieren.
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Mit der beschriebenen Schaltung kann auf vorteilhafte Weise überwacht werden, ob sich der Spannungspegel der Zelle innerhalb eines vorgegebenen Spannungsfensters befindet. Sollte das nicht der Fall sein, dann wird dies sofort von der Auswerteeinheit bzw. von der weiteren Auswerteeinheit erkannt und eine Batteriesteuerung kann geeignete Maßnahmen einleiten, um diesen Betriebszustand zu beenden, so dass sich der Spannungspegel bald wieder innerhalb eines vorgesehenen Spannungsfensters bzw. Spannungsbereichs befindet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Auswerteeinheit und die weitere Auswerteeinheit auch mittels einer gemeinsamen Auswerteeinheit realisiert werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der Spannungen einer Mehrzahl von Zellen eines Batterie-Energiespeichers beschrieben. Die beschriebene Schaltungsanordnung weist ein Mehrzahl von elektronischen Schaltungen nach einem der vorangehenden Ansprüche auf, wobei jeweils eine elektronische Schaltung einer Zelle des Batterie-Energiespeichers zugeordnet ist.
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Der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine umfangreiche Überwachung eines Batterie-Energiespeichers mehrere Einzelzellspannungen von verschiedenen Zellen unabhängig voneinander auf das Über- und/oder Unterschreiten von vorgegebenen Schwellenspannungen überwacht werden können. Auf diese Weise können schädliche oder fehlerhafte Betriebszustände des Batterie-Energiespeichers zügig erkannt und durch entsprechende Maßnahmen wie zum Beispiel eine Abschaltung des Batterie-Energiespeichers oder eines Teils davon, eine Entladung zumindest eines Teils des Batterie-Energiespeichers und/oder eine bewusste Stromreduktion abgestellt werden.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung kann beispielsweise auf einem Schaltungsträger eines Batterie-Managementsystems, auf einem Schaltungsträger einer Zellüberwachung oder auf einem separaten Schaltungsträger aufgebaut sein. Der Schaltungsträger kann jede beliebige Platine oder Leiterplatte sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger eine sog. flexible Leiterplatte (Flexboard) sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Auswerteeinheiten der verschiedenen elektronischen Schaltungen mittels einer zentralen Auswerteeinheit realisiert. Ferner sind die Ausgangsstufen der verschiedenen galvanischen Trennelemente über eine gemeinsame Auswerteverbindung mit der zentralen Auswerteeinheit verbunden. Dabei ist jeweils ein erster Ausgangsanschluss einer Ausgangsstufe mit einer ersten Auswerteleitung der Auswerteverbindung verbunden und jeweils ein zweiter Ausgangsanschluss einer Ausgangsstufe ist mit einer zweiten Auswerteleitung der Auswerteverbindung verbunden. Dies hat den Vorteil, dass ohne großen Verdrahtungsaufwand alle Ausgangsstufen in paralleler Weise mit der zentralen Auswerteeinheit verbunden werden können.
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Auch wenn im Falle eines Spannungsfehlers nicht sofort festgestellt werden kann, welche Zelle des Batterie-Energiespeichers einen außerhalb eines vorgegebenen Spannungsfensters liegenden Spannungspegel aufweist, so kann ein Fehlerzustand des Batterie-Energiespeichers trotzdem auch dann zuverlässig erkannt werden, wenn auch nur eine einzige einer Mehrzahl von Zellen einen Spannungspegel aufweist, welcher außerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die elektronischen Schaltungen diejenigen elektronischen Schaltungen, welche wie oben beschrieben jeweils weiteres galvanisches Trennelement und ein weiteres elektrisches Anpassungselement aufweisen. Ferner sind die weiteren Auswerteeinheiten der verschiedenen elektronischen Schaltungen mittels einer weiteren zentralen Auswerteeinheit realisiert und die weiteren Ausgangsstufen der verschiedenen weiteren galvanischen Trennelemente sind über eine weitere gemeinsame Auswerteverbindung mit der weiteren zentralen Auswerteeinheit verbunden. Jeweils ein weiterer erster Ausgangsanschluss einer weiteren Ausgangsstufe ist mit einer weiteren ersten Auswerteleitung der weiteren Auswerteverbindung verbunden und jeweils ein weiterer zweiter Ausgangsanschluss einer weiteren Ausgangsstufe ist mit einer weiteren zweiten Auswerteleitung der weiteren Auswerteverbindung verbunden. Dies hat den Vorteil, dass auch die weiteren Ausgangsstufen der weiteren galvanischen Trennelemente ohne großen Verdrahtungsaufwand in paralleler Weise miteinander verbunden werden können und so gemeinsam an die weitere zentrale Auswerteeinheit angeschlossen werden können.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch die zentrale Auswerteeinheit und die weitere zentrale Auswerteeinheit mittels einer übergeordneten Auswerteeinheit realisiert werden können. Im Unterschied zu der Zusammenfassung der verschiedenen Auswerteeinheiten zu der zentralen Auswerteeinheit bzw. zu der Zusammenfassung der verschiedenen weiteren Auswerteeinheiten zu der weiteren zentralen Auswerteeinheit kann hier jedoch die übergeordnete Auswerteeinheit durchaus in der Lage sein, im Falle einer Fehlermeldung zu erkennen, ob dieser Fehler über die gemeinsame Auswerteverbindung oder über die weitere gemeinsame Auswerteverbindung übermittelt wurde. In diesem Fall kann nämlich eindeutig erkannt werden, ob der Fehlerzustand durch eine Überspannung oder durch eine Unterspannung von zumindest einer der Zellen des Batterie-Energiespeichers verursacht wurde.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batterie-Energiespeicher beschrieben, welcher (a) eine Mehrzahl von Zellen, welche parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind, und (b) eine Schaltungsanordnung des oben beschriebenen Typs aufweist.
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Dem genannten Batterie-Energiespeicher liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben beschriebene Schaltungsanordnung auch direkt in den Batterie-Energiespeicher integriert werden kann. Dabei können die verschiedenen (weiteren) Auswerteeinheiten, die (weitere) zentrale Auswerteeinheit und ggf. auch die übergeordnete Auswerteeinheit optional auch außerhalb eines entsprechenden Batteriemoduls (beispielsweise einem Batteriemanagement-System zugeordnet) angeordnet sein.
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Der Batterie-Energiespeicher kann ein beliebiger Akku sein, welche beispielsweise eine Mehrzahl von Nickel-Metallhydrid-Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen aufweist.
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Da jede der einzelnen elektronischen Schaltungen sehr kompakt und klein aufgebaut werden kann, ist es auch möglich, die einzelnen elektronischen Schaltungen jeweils direkt auf bzw. an der zu überwachenden Zelle zu realisieren. Ferner ist es möglich, die einzelnen elektronischen Schaltungen oder auch die gesamte Schaltungsanordnung auf einer flexiblen Leiterplatte (Flexboard) aufzubauen, welche direkt auf die zu überwachende Zelle bzw. auf die zu überwachenden Zellen geklebt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen der Spannung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers unter Verwendung einer elektronischen Schaltung des oben genannten Typs oder unter Verwendung einer Schaltungsanordnung des oben genannten Typs beschrieben.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Schwellwertüberwachung des Spannungspegels von zumindest einer Zelle des Batterie-Energiespeichers auf einfache und zuverlässige Weise Fehlerzustände erkannt werden können. Auch wenn dabei im Falle eines Spannungsfehlers nicht sofort festgestellt werden kann, welche Zelle des Batterie-Energiespeichers einen außerhalb eines vorgegebenen Spannungsfensters liegenden Spannungspegel aufweist, so kann ein Fehlerzustand des Batterie-Energiespeichers trotzdem auch dann zuverlässig erkannt werden, wenn auch nur eine einzige einer Mehrzahl von Zellen einen Spannungspegel aufweist, der außerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegt.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere als redundante Fehlerüberwachung des Batterie-Energiespeichers, bei dem die Spannungen der einzelnen Zellen in herkömmlicher Weise durch jeweils eine Spannungswertmessung und nicht lediglich durch eine Schwellenwertüberwachung überwacht werden.
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Im Falle der Verwendung eines Optokopplers als galvanisches Trennelement können die Grundprinzipien der Schwellwertbasierten Spannungsüberwachung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers wie folgt zusammengefasst werden:
- (a) Die Zellspannung wird mittels einer Leuchtdiode überwacht, welche in dem Optokoppler untergebracht ist.
- (b) Die Schaltspannung der Leuchtdiode wird so eingestellt, dass diese bei einem Überschreiten der Spannungsgrenze anfängt zu leuchten bzw. erlischt.
- (c) Der Optokopplers wird mittels einer Auswerteverbindung, welche auch als Bussystem angesehen werden kann, mit einer Auswerteeinheit gekoppelt.
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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 Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen 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 Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
- 1 zeigt eine elektronische Schaltung zur Überwachung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers auf eine Überspannung, wobei ein Optokoppler verwendet wird.
- 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Überwachung einer Mehrzahl von Zellen eines Batterie-Energiespeichers auf eine Überspannung, wobei eine Mehrzahl von Optokopplern verwendet wird.
- 3 zeigt eine elektronische Schaltung zur Überwachung einer Zelle eines Batterie-Energiespeichers auf eine Überspannung und auf eine Unterspannung, wobei ein Optokoppler für die Überwachung auf eine Überspannung und ein anderer Optokoppler für die Überwachung auf eine Unterspannung verwendet wird.
- 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Überwachung einer Mehrzahl von Zellen eines Batterie-Energiespeichers sowohl auf eine Überspannung als auch auf eine Unterspannung, wobei eine erste Mehrzahl von Optokopplern für die Überwachungen auf eine Überspannung und eine zweite Mehrzahl von Optokopplern für die Überwachungen auf eine Unterspannung verwendet wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben von dem Bezugszeichen einer entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die 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 eine elektronische Schaltung 100 zur Überwachung einer Zelle 191 eines Batterie-Energiespeichers auf eine Überspannung. Die Schaltung 100 weist einen ersten Eingangsanschluss 102, einen zweiten Eingangsanschluss 104, einen ersten Ausgangsanschluss 106 und einen zweiten Ausgangsanschluss 108 auf. Der erste Eingangsanschluss 102 ist mit einen ersten Anschlusskontakt (+) einer zu überwachenden Zelle 190 verbunden. Der zweite Eingangsanschluss 104 ist mit einen zweiten Anschlusskontakt (-) der Zelle 190 verbunden.
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Die elektronische Schaltung 100 weist ferner ein als Optokoppler ausgebildetes galvanisches Trennelement 110 auf, welches eine Eingangsstufe 112 und eine Ausgangsstufe 116 aufweist. Die Eingangsstufe 112 ist in Serie mit einem als Vorwiderstand ausgebildeten elektrischen Anpassungselement 140 zwischen den beiden Eingangsanschlüssen 102 und 104 geschaltet.
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Die Eingangsstufe 112 des Optokopplers 110 weist eine Leuchtdiode 114 auf. Die Ausgangsstufe 116 des Optokopplers 110 weist einen Fototransistor 118 auf. Über die beiden Ausgangsanschlüsse 106 und 108 ist der Optokoppler mit einer Auswerteeinheit 160 verbunden.
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In Folgenden wird die Funktionsweise der elektronischen Schaltung 100 beschrieben: Mit dem Optokoppler 110 wird die Überspannung der Zelle 190 überwacht. Ist die Zellspannung hinreichend niedrig, so leuchtet die Leuchtdiode 114 nicht und der Fototransistor 118 sperrt. Wir bei einer Erhöhung der Zellspannung eine vorgegebene Schwellspannung bzw. Referenzspannung erreicht, so schaltet der Fototransistor 118 durch und wird leitend. Durch eine geeignete Dimensionierung des Vorwiderstands 140 kann die Spannungsschwelle zum Schalten eingestellt werden. Die Leitfähigkeit des Fototransistors 118 wird von der Auswerteeinheit 160 erfasst, welche somit erkennen kann, ob die Zellspannung kleiner oder größer ist als die durch den Vorwiderstand 140 vorgegebene Schwellenspannung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle des (Vor)Widerstandes 140 auch eine weitere Diode, vorzugsweise ein Zehner-Diode, eingesetzt werden kann. Ferner können andere einfache Schaltungen verwendet werden, mit denen eine gewünschte Schwellenspannung definiert werden kann, ab der die Photodiode 114 anfängt zu leuchten. Damit wird ggf. eine präzisere Einstellung der Schaltspannung erreicht.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung 200 zur gleichzeitigen Überwachung einer Mehrzahl von Zellen 290a, 290b, 290c und 290d eines Batterie-Energiespeichers 280 auf eine Überspannung. Der Batterie-Energiespeicher 280 weist zwei Batteriepole, einen Plus-Pol 284 und einen Minus-Pol 282 auf.
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Die Schaltungsanordnung 200 weist eine Mehrzahl von Optokopplern 210a, 210b, 210c und 210d auf, wobei jeweils ein Optokoppler einer Zelle zugeordnet ist. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel von 1 weist die Schaltungsanordnung 200 noch eine Mehrzahl von Vorwiderständen auf, wobei jeweils ein Vorwiderstand in Serie mit der Eingangsstufe eines jeden Optokopplers 210a-d geschaltet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Vorwiderstände in 2 nicht dargestellt.
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Die Schaltungsanordnung 200 weist ferner eine gemeinsame Auswerteverbindung 270 auf, welche die Ausgangsstufen aller Optokoppler 210a-d mit einer zentralen Auswerteeinheit 260 verbindet. Die gemeinsame Auswerteverbindung 270, welche auch als ein Bussystem bezeichnet werden kann, weist eine erste Auswerteleitung 272 und eine zweite Auswerteleitung 274 auf. Jeweils ein erster Ausgangsanschluss eines jeden Optokopplers 210a-d ist mit der ersten Auswerteleitung 272 verbunden. Jeweils ein zweiter Ausgangsanschluss eines jeden Optokopplers 210a-d ist mit der zweiten Auswerteleitung 274 verbunden. Wie aus 2 ersichtlich, ist die erste Auswerteleitung 272 eingangsseitig über einen Widerstand 275 mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden. Die zweite Auswerteleitung 274 befindet sich auf einem Massepotential GND.
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Um einen Zellverbund bestehend aus mehreren Zellen 290a-d zu überwachen, wird somit jeweils ein Optokoppler 210a, 210b, 210c oder 210d an jede Zelle 290a, 290b, 290c bzw. 290d angebunden. Liegen alle Zellspannungen unter einer vorgegebenen Schwellenspannung, so dass keiner der Optokoppler 210a-d durchgeschaltet ist, so liegt am Ausgang der entsprechenden Überwachungskette auf der Seite der Auswerteeinheit 260 die Versorgungsspannung Vcc an. Schaltet nun zumindest ein Optokoppler durch, so zieht dieser das Potenzial der ersten Auswerteleitung 272 auf Masse GND. Die Spannung Vcc fällt nun komplett an dem Widerstand 275 ab.
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Ist der Widerstand 275 so dimensioniert, dass sein Widerstandswert viel größer ist als der Durchgangswiderstand des durchgeschalteten Fototransistors des jeweiligen Optokopplers, so fällt nahezu die gesamte Spannung über dem Widerstand 275 ab und am Ausgang der durch die gemeinsame Auswerteverbindung 270 definierten Signalkette liegen nun 0 Volt an. Schalten mehr als ein Fototransistor durch, so ändert sich der Wert der Ausgangspannung nicht, da dieser schon mit dem Ausgangstransistor des ersten Optokopplers auf das Massepotential GND gezogen wird.
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3 zeigt eine elektronische Schaltung 300 zur Überwachung einer Zelle 390 eines Batterie-Energiespeichers auf eine Überspannung und auf eine Unterspannung. Hier wird ein Optokoppler 310 für die Überwachung auf eine Überspannung und ein weiterer Optokoppler 320 für die Überwachung auf eine Unterspannung verwendet. Die beiden Schwellspannungen werden durch unterschiedliche Dimensionierung der Vorwiderstände 340 bzw. 350 eingestellt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch hier die Vorwiderstände 340, 350 durch Referenzdioden ersetzt werden können. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Optokoppler 310 und 320 genauso aufgebaut wie der anhand von 1 im Detail beschriebene Optokoppler 110.
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4 zeigt eine Schaltungsanordnung 400 zur gleichzeitigen Überwachung einer Mehrzahl von Zellen 490a, 490b, 490c und 490d eines Batterie-Energiespeichers 480 sowohl auf eine Überspannung als auch auf eine Unterspannung. Der Batterie-Energiespeicher 480 weist zwei Anschlusspole, ein Plus-Pol 484 und einen Minus-Pol 482 auf. Eine erste Mehrzahl von Optokopplern 410a, 410b, 410c und 410d wird für eine Überspannungsüberwachung verwendet. Eine zweite Mehrzahl von weiteren Optokopplern 420a, 420b, 420c und 420d wird für eine Unterspannungsüberwachungen verwendet.
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Wie bei der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung 200 weist auch die Schaltungsanordnung 400 eine erste gemeinsame Auswerteverbindung 470, welche eine erste Auswerteleitung 472 und eine zweite Auswerteleitung 474 umfasst. Jeweils ein erster Ausgangsanschluss eines jeden Optokopplers 410a-d ist mit der ersten Auswerteleitung 472 verbunden. Jeweils ein zweiter Ausgangsanschluss eines jeden Optokopplers 410a-d ist mit der zweiten Auswerteleitung 474 verbunden. Wie aus 4 ersichtlich, ist die erste Auswerteleitung 472 eingangsseitig über einen Widerstand 475 mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden. Die zweite Auswerteleitung 474 befindet sich auf einem Massepotential (GND).
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In entsprechender Weise weist die Schaltungsanordnung 400 ferner eine weitere gemeinsame Auswerteverbindung 476 auf, welche eine erste Auswerteleitung 477 und eine zweite Auswerteleitung 478 umfasst. Jeweils ein erster Ausgangsanschluss eines jeden (weiteren) Optokopplers 420a-d ist mit der ersten Auswerteleitung 477 verbunden. Jeweils ein zweiter Ausgangsanschluss eines jeden (weiteren) Optokopplers 420a-d ist mit der zweiten Auswerteleitung 478 verbunden. Wie aus 4 ersichtlich, ist die erste Auswerteleitung 477 eingangsseitig über einen Widerstand 479 mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden. Die zweite Auswerteleitung 478 befindet sich auf dem Massepotential (GND).
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Bei der Schaltungsanordnung 400 werden also zwei Überwachungsketten eingesetzt, um die Zellen 490a-d hinsichtlich evtl. auftretenden Über- bzw. Unterspannungen zu überwachen. Im Vergleich zu dem Schaltverhalten auf der Überspannungsseite (obere Überwachungskette) ist das Schaltverhalten auf der Unterspannungsseite (untere Überwachungskette) invertiert. Dieser Umstand kann aber leicht in der übergeordneten Auswerteeinheit 460 beispielsweise durch eine vorgeschaltete Invertierungsschaltung oder mittels Software gelöst werden. Mittels beiden Uberwachungsketten kann ein Spannungsfehler (die jeweilige Zellspannung liegt außerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches) detektiert werden, der an ein Batteriemanagementsystem (nicht dargestellt) übermittelt werden kann. Das Batteriemanagementsystem kann optional zumindest teilweise in der dargestellten übergeordneten Auswerteeinheit 460 implementiert sein. Basierend auf einer Kenntnis einer entsprechenden Fehlermeldung kann das Batteriemanagementsystem dann in bekannter Weise durch verschiedene ebenfalls bekannte Maßnahmen wieder einen sicheren Betriebszustand des Batterie-Energiespeichers 480 herstellen.
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Durch das in diesem Dokument beschriebene Konzept der Schwellenwert-basierten Uber-/Unterspannungsüberwachung wird ein zusätzlicher Pfad zur Spannungsüberwachung einzelner Zellen in einem Zellverbund eines Batterie-Energiespeichers realisiert. Dadurch kann die Messung der Einzelzellspannungen im Hinblick auf das sog. Automotive Safety Integrety Level (A-SIL) mit einem besonders geringen apparativen Aufwand durchgeführt werden, wodurch sich deutliche Kostenvorteile ergeben. Bei bekannten A-SIL kompatiblen Spannungsüberwachungskonzepten wird eine doppelte Spannungsmessung zur Spannungsüberwachung eingesetzt. Durch die in diesem Dokument beschriebene Schwellenwertüberwachung kann eine dieser Spannungsmessungen entfallen und durch eine wesentlich einfachere Schaltung zur quantitativen Bewertung ersetzt werden. Dadurch reduzieren sich die Kosten des gesamten Systems erheblich. Gleichzeitig wird eine hohe Sicherheit gewährleistet, da mit der hier beschriebenen Schwellenwertüberwachung ein komplett unabhängiger Pfad zur Spannungsüberwachung aufgebaut wird.
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Insbesondere durch einen spannungsgesteuerten Optokoppler bzw. eine spannungsgesteuerte Lichtschranke kann ein vollständig unabhängiger zweiter Pfad zur Überwachung der Einzelzellspannungen im Zellverbund des Batterie-Energiespeichers realisiert werden. Durch diesen zweiten Pfad kann die bisher eingesetzte zusätzliche Spannungsüberwachung mit direkter Messung der Einzelzellenspannung erheblich vereinfacht werden.
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Anstelle der beschriebenen Optokoppler kann auch ein anderer Typ von galvanischem Trennelement wie zum Beispiel ein induktiver Koppler oder ein kapazitives Koppelelement eingesetzt werden. Durch eine geeignete Beschaltung ist auch hier die gewünschte Schaltschwellenfunktionalität erreichbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltung
- 102
- erster Eingangsanschluss
- 104
- zweiter Eingangsanschluss
- 106
- erster Ausgangsanschluss
- 108
- zweiter Ausgangsanschluss
- 110
- galvanisches Trennelement / Optokoppler
- 112
- Eingangsstufe
- 114
- Leuchtdiode
- 116
- Ausgangsstufe
- 118
- Fototransistor / Fotodiode
- 140
- elektrisches Anpassungselement / Vorwiderstand
- 160
- Auswerteeinheit
- 190
- Zelle
- 200
- Schaltungsanordnung
- 210a-d
- Optokoppler
- 260
- zentrale Auswerteeinheit
- 270
- gemeinsame Auswerteverbindung
- 272
- erste Auswerteleitung
- 274
- zweite Auswerteleitung
- 275
- Widerstand
- 280
- Batterie-Energiespeicher
- 282
- Batteriepol
- 284
- Batteriepol
- 290a-d
- Zelle
- Vcc
- Versorgungsspannung
- GND
- Massepotential
- 300
- Schaltung
- 310
- Optokoppler
- 320
- weiterer Optokoppler
- 340
- Vorwiderstand
- 350
- Vorwiderstand
- 390
- Zelle
- 400
- Schaltungsanordnung
- 410a-d
- Optokoppler
- 420a-d
- weitere Optokoppler
- 460
- übergeordnete Auswerteeinheit
- 470
- gemeinsame Auswerteverbindung
- 472
- erste Auswerteleitung
- 474
- zweite Auswerteleitung
- 475
- Widerstand
- 476
- gemeinsame Auswerteverbindung
- 477
- erste Auswerteleitung
- 478
- zweite Auswerteleitung
- 479
- Widerstand
- 480
- Batterie-Energiespeicher
- 482
- Batteriepol
- 484
- Batteriepol
- 490a-d
- Zelle
