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Beschreibung des Standes der Technik
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Jede aufladbare Batterie höherer Spannung besteht aus einer Reihenschaltung identischer Einzelelemente. Schon ein normaler 12 V-Bleiakkumulator im Auto besteht eigentlich aus 6 in Reihe geschalteten Einzelzellen mit jeweils ca. 2 V. In modernen Elektroantrieben werden sehr viel höhere Spannungen benötigt, um bei den umzusetzenden Motorleistungen die Ströme in vertretbaren Grenzen zu halten. Bordspannungen von 400 bis 600 V sind üblich, wobei aktuell vorrangig Lithiumakkus mit ca. 3,5 V Zellenspannung im Einsatz sind. Es werden hier also weit über 100 solcher Zellen in Reihe geschaltet. Lade- und Entladeströme fließen so jeweils durch alle Zellen. Ohne Überwachung und elektronische Einflussnahme würden geringste Unterschiede in den Zellencharakteristiken zur Tiefentladung oder zur Überladung einzelner Zellen und damit zum Totalausfall der Stromversorgung führen können [3].
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Während des Fahrbetriebs, also bei Belastung der Batterie, bestimmt die am schwächsten geladene Zelle den Ende-Zeitpunkt der Fahrt, wenn nämlich die zulässige Minimalspannung dieser einzelnen Zelle unterschritten wird. Beim Aufladen bestimmt jedoch die am stärksten geladene Zelle das Ladeende, bevor diese überladen wird. Es ist also zumindestens eine Überwachung jeder einzelnen dieser Zellenspannungen notwendig, um so den gesamten Akku vor einem endgültigen Ausfall zu schützen. Die volle Akkukapazität ist auf diese Weise nicht nutzbar.
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Daher wurden sogenannte Balancer-Systeme entwickelt, deren Aufgabe es ist, zumindest während der Ladephase die einzelnen Zellenspannungen nicht nur zu überwachen, sondern aktiv den Ladestrom durch jede Zelle einzeln so einzuregeln, dass jederzeit die aktuelle Ladespannung und damit der Ladezustand bei allen Zellen der Batterie möglichst identisch ist.
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Beim Dissipativen Balancing wird über von einem Controller geregelte Lastströme parallel zu einzelnen Zellen dafür gesorgt, dass alle Zellen in der Reihenschaltung jederzeit den gleichen Ladezustand, also die gleiche Zellenspannung, aufweisen [7]. Oder die Zellenspannungen werden einzeln von Komparatoren mit einer jeweiligen Referenz verglichen, die durch Spannungsteilung aus der Gesamtspannung erzeugt wird. Diese Komparatoren steuern so den dazugehörigen Ableitstrom an jeder Zelle [11]. Die dabei anfallenden Verlustleistungen in den vielen regelnden Lastkreisen werden über entsprechende Kühlung abgeführt [1]. Das dissipative Balancing wird also ausschließlich über gesteuerte Ladungsabsenkung und Verlust-Wärmeentwicklung erreicht.
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Beim Regenerativen Balancing dagegen wird gezielt Energie von stärker geladenen Zellen auf schwächere übertragen und damit eine Angleichung der Ladezustände mit wesentlich höheren Wirkungsgraden erreicht [2][3]. Die dabei eingesetzten Energiespeicher zum Übertragen der Energien sind entweder kapazitiv, induktiv oder weitere Zellen.
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Bei induktiver Energiespeicherung wird ein Stromimpuls magnetisch zwischengespeichert. Dies geschieht entweder mit einzelnen Induktivitäten [6] oder mit gekoppelten Spulensystemen (Transformatorprinzip) [9]. Grundsätzlich werden einzelne Zellen ausgewählt, die beeinflusst werden. Meist wird gezielt aus der stärksten Zelle Energie an die schwächste übertragen und beide damit allmählich angeglichen [5]. Oder es wird Energie aus dem Gesamtmodul an die schwächste Zelle geleitet oder von der stärksten Zelle an das Gesamtmodul [2][10]. Grundlage all dieser Verfahren ist eine individuelle Messung und Bewertung aller Zellenzustände durch einen Controller mit einer nachfolgenden gezielten separaten Steuerung der Stromimpulse über eine Vielzahl von unabhängigen Schaltelementen.
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Bei Balancern mit kapazitiver Energiespeicherung wird ein Kondensator (sog. flying capacitor) zyklisch von einer Zelle aufgeladen und danach an einer anderen entladen [1][3]. Er überträgt elektrische Ladungen, meist von der stärksten Zelle zur schwächsten [4], wobei wieder aus einer Vielzahl von Schaltelementen einzelne von einem Controller entsprechend separat angesteuert werden.
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In einem anderen Ansatz werden alle direkt benachbarten Zellen als Paar jeweils über ein selbstschwingendes Balancermodul (eine Ladungspumpe) mit einander verkoppelt. Hier überträgt jeder einzelne Kondensator genau die Zellenspannung von einer Zelle zur nächsten, könnte also auch jeweils selbst eine weitere Zelle sein. So entsteht jedenfalls eine Kette von identisch aufgebauten Modulen, die sich ebenfalls allmählich von einem Modul zum nächsten automatisch ausgleicht, ohne dass ein Controller benötigt wird. Problematisch ist hier der geringe Ausgleicheffekt, wenn z. B. die stärkste und die schwächste Zelle mehrere Stufen voneinander entfernt in der Kette sitzen [2]. Außerdem ist der Aufwand an Schaltelementen insgesamt enorm hoch, da jede Zelle hier von zwei benachbarten Modulen jeweils beidseitig mit ihren Schaltelementen angekoppelt ist.
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Beschreibung des Erfindungsgedankens
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Es wird erfindungsgemäß ein kapazitives Balancing-Prinzip gemäß Anspruch 1 beschrieben, das die genannten Nachteile nicht aufweist. Es kommt im einfachsten Fall ohne Controller-Steuerung aus und gleicht jede Zelle in der Kette gleichberechtigt und kontinuierlich mit jeder anderen Zelle aus. Es wirken automatisch alle stärker geladenen Zellen gleichzeitig auf einzelne schwächere Zellen ein; ihre einzelnen Ausgleichströme summieren sich hierbei zu einem entsprechenden Ladestrom.
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Bei entsprechender Dimensionierung der Bauelemente und Wahl der Schaltfrequenz können u. U. sogar die Arbeitsströme einzelner Zellen über den Balancer praktisch komplett von allen anderen Zellen mit übernommen werden, wenn diese, z. B. zum Ersetzen alter Zellen, kurzerhand unter Last abgeklemmt werden. Die entstehenden Ausgleichsströme an den Balancerklemmen verteilen sich dann gleichmäßig auf alle noch angeschlossenen Zellen und halten so das Spannungspotential der „virtuellen Zelle” an ihren Anschlüssen konstant, als wenn diese noch angeschlossen wäre.
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Im denkbaren absoluten Extremfall wäre von allen Zellen der Batterie nur noch eine einzige tatsächlich praktisch angeschlossen, die dann alle Spannungen der anderen „virtuellen Zellen” der Kette aus ihrer Energie speisen muss. Auch das funktioniert, egal an welcher Position diese letzte Zelle in der Kette sitzt. Selbstverständlich, aufgrund der Regeln der Energieerhaltung, bei gleichbleibender Ausgangsspannung der „Gesamtbatterie” mit entsprechend verringerter Gesamtkapazität und verringertem maximalem Ausgangsstrom. In der Kette fließt nun durch alle „virtuellen Zellen” der Arbeitsstrom weiter, in der einzigen wirklich vorhandenen Zelle jedoch das entsprechende Vielfache davon, je nachdem, wie viele Zellen stromseitig von ihr zusätzlich übernommen werden. Würde man nun z. B. wieder eine zweite geladene Zelle an beliebiger Position in der Kette anschließen, würde sich der beschriebene höhere Strom dann sofort wieder auf beide aufteilen. Außerdem würden die beiden Zellenspannungen durch individuelle Belastungsverschiebung automatisch allmählich zueinander ausgeglichen, also balanciert, werden.
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Wird der Stromfluss von außen umgekehrt und die Gesamtbatterie mit einem Ladestrom belegt, so werden auch die Ströme an jeder Zelle umgekehrt. Sie werden nun geladen, jedoch nach wie vor über den Balancer aktiv so ausgeglichen, dass die Zellenspannungen zu einander identisch bleiben. Die Zellen werden also auch beim Laden ausbalanciert. Es reicht daher, die Gesamtspannung am Ladegerät entsprechend zu überwachen, um z. B. eine Überladung von Lithium-Ionen-Akkus oder einer Batterie aus Doppelschichtkondensatoren an allen einzelnen Zellen sicher zu verhindern.
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Im oben diskutierten Extremfall nur einer angeschlossenen Zelle in der Kette würde sich der übernommene Ladestrom aller „virtuellen Zellen” in der einzigen angeschlossenen Zelle der Kette aufsummieren, sie würde also mit dem entsprechenden Vielfachen des eingespeisten Ladestroms durchströmt und entsprechend schnell geladen. Bei Begrenzung der Ladespannung am Ladegerät entsprechend der Anzahl „aller Zellen” der Gesamtbatterie wird jedoch auch diese einzelne Zelle hierbei spannungsseitig nicht überladen, da sie genau nur ihren Bruchteil der begrenzten Gesamtspannung erhält.
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Grundlage des neuen Balancerprinzips ist ein synchron koppelnder „flying capacitor basset”, bildlich gesehen ein „Kamm” mit Zinken aus identischen Kondensatoren, über den prinzipiell alle Zellen symmetrisch miteinander verkoppelt und gleichberechtigt erreicht werden. Pro anzuschließender Batteriezelle ragt je ein Kondensatoranschluss aus diesem Kamm heraus, alle anderen Anschlüsse sind auf einen gemeinsamen Summierungspunkt zusammengeführt. Die ersteren Kondensatoranschlüsse sind über zwei komplementäre elektronische Schalter mit den beiden Anschlüssen „ihrer” Zelle kontaktiert.
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Alle so gebildeten Halbbrücken werden nun gemeinsam so angesteuert, dass die „Zinken” des Kamms zeitgleich periodisch zwischen ihren beiden Zellenanschlüssen synchron wechseln, alle gemeinsam zum jeweiligen Pluspol, dann alle gemeinsam zum jeweiligen Minuspol, in gleichen Intervallen gleichmäßig hin und her. Dadurch bildet sich der Mittelwert aller dieser Einzelamplituden (individuellen Zellenspannungen) als Spannungsamplitude einer kapazitiv gemittelten Rechteckschwingung am Summierungspunkt aller Kondensatoren.
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Jeder der Kondensatoren überträgt hierbei abwechselnd elektrische Ladungspakete vom und zum Summierungspunkt. Und zwar je nachdem, ob dessen Zellenspannung, also die Eingangsamplitude an der konkreten Halbbrücke, größer oder kleiner ist, fließen diese Ladungspakete entweder im Takt der Umschaltung phasensynchron durch den Kondensator oder aber exakt im Gegentakt. Das eine bewirkt ein Entladen der entsprechenden Zelle, das andere ein Aufladen. War z. B. zu Anfang des Balancing-Prozesses konkret eine einzige Zelle wesentlich leerer als alle anderen, so wird genau sie durch dieses Prinzip von allen anderen aktiv geladen, alle übertragenen Ladungen summieren sich gleichsinnig im periodischen Wechsel und fließen zu diesem einzigen Gegenpart. Erst bei absoluter Gleichheit der aktuellen Zellenspannungen mit der Amplitude des Summenpunkts im Kamm fließt keine Ladung mehr in den Kondensatoren hin und her, dies ist der ideale Endzustand für alle Zellen. Alle Zellenspannungen sind dann identisch, ausbalanciert und beim Ladungsende gleichzeitig auf ihrer vollen Kapazität angelangt.
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Durch Variation der Schaltfrequenz kann der Ausgleichs-Stromfluss einfach gesteuert werden. Zu Beginn des Balancingprozesses, wenn die Spannungsdifferenzen der Zellen noch größer sind, kann der mittlere Stromfluss durch eine Reduzierung der Schaltfrequenz begrenzt werden. Die Ladungsportionen bei jeder Umschaltung hängen von der Kondensatorkapazität, den Innenwiderständen und den Spannungsdifferenzen ab, der mittlere Ausgleichsstrom jedoch außerdem von der Anzahl dieser Ladungsportionen pro Zeit, also der Schaltfrequenz.
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Je geringer die Spannungsdifferenzen der Zellen werden, desto höher kann dann diese Frequenz werden. Die Kondensatoren und Schalter sind speziell auf hohe Strombelastbarkeit und geringe elektrische Widerstände hin auszuwählen, um Verluste beim Balancieren zu minimieren.
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Während der Fahrt, also bei Belastung der Batterie, kann der Balancer so u. U. alle Energiedifferenzen der einzelnen Zellen umverteilen. Dadurch erreicht jede Zelle gleichzeitig ihre Minimalspannung, der Akku ist nun tatsächlich „leer” und muss aufgeladen werden, er hat hier seine volle Kapazität abgegeben.
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Bei Akkus mit geringer Zellenzahl kann der beschriebene „Kondensatorkamm” vorteilhaft durch eine Matrix von einzelnen direkt koppelnden Kondensatoren ersetzt werden, die dann jeweils jede Halbbrücke mit jeder anderen verbinden. So ist die kapazitive Verkopplung jedes Knotens noch stärker als beim Kamm und man kommt so für eine identische Kopplung mit kleineren Bauelementen aus. Bei nur 3 Zellen entspricht die direkte Verkopplung bildlich einer Dreieckschaltung, der Kamm jedoch der Sternschaltung. Die kapazitive Verkopplung der drei Brückenanschlüsse zueinander ist bei der direkten kapazitiven Kopplung dreimal so hoch. Bei größeren Zellzahlen braucht man jedoch zunehmend eine wesentlich größere Anzahl von Kondensatoren (k), als Akkuzellen (n) in der Kette sind, um alle möglichen Knotenpunkte miteinander zu koppeln (k = (n2 – n)/2). Bei 8 Zellen werden daher in der entstehenden Kondensatormatrix schon 28 Kondensatoren benötigt. Diese können jedoch gegenüber den 8 Kondensatoren, die man bei der Kamm-Lösung nur braucht, bei identischer wirksamer Gesamt-Koppelkapazität zwischen den Anschlüssen, entsprechend kleiner dimensioniert werden.
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Bei direkter Kopplung entsteht der bei der Kammlösung so deutliche Summenpunkt aller Zellen jedoch nur virtuell innerhalb der Kondensatormatrix, ist also nicht mehr direkt messbar, die Lade- und Entladevorgänge an den Zellenanschlüssen entsprechen jedoch trotzdem exakt den beschriebenen.
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Ausführungsbeispiel
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Das beschriebene Verfahren soll anhand einer einfachen Balancer-Schaltung im Kammbetrieb für eine 8-Zellen-LiFePo4-Batterie erläutert werden (1).
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Die acht in Reihe geschalteten Zellen der Batterie ergeben 7 Verbindungspunkte und zwei Enden der Kette. Diese neun Punkte werden mit den entsprechenden Balanceranschlüssen kontaktiert (GND, Batt1, Batt2 ... Batt8). Jede einzelne Zellenspannung liegt links und rechts an einer Gegentaktschaltung an (Komplementärer Sourcefolger), dessen n-Kanal-MOSFET in positive Richtung ziehen kann (Drain liegt am positiven Pol dieser Zelle) und der p-Kanal-MOSFET in negative Richtung (Drain liegt am Minuspol dieser Zelle). Beide Sourceanschlüsse der FETs (z. B. Q1 und Q2) sind miteinander verbunden, ebenso wie die beiden Gates. Mit einer Reihenschaltung zweier 8,2 V-Zenerdioden (D1, D2) zwischen Gate und Source wird sichergestellt, dass die Gatespannung niemals den für diese Leistungsschalter zulässigen Bereich von ±20 V GateSource-Spannung übersteigt. Wird nun kapazitiv (hier über C17) ein ausreichend großes Rechtecksignal auf diese verbundenen Gates gegeben, so werden durch Übersteuerung (jeweils ±8,2 V gegenüber Source) beide FETs wechselweise als Schalter betrieben. Die Zenerdioden symmetrieren das Rechtecksignal dabei exakt für dieses MOSFET-Paar und begrenzen es auf eine Wechselamplitude von 2 × Zenerdiodenspannung + Zellenspannung, also etwa 20 VSS. Beide MOSFETs der Halbbrücke ziehen so periodisch im Wechsel synchron zur Ansteuerung den gemeinsamen Sourceanschluss niederohmig auf das jeweilige der beiden Anschlusspotenziale dieser konkreten Zelle. Durch die Beschaltung als Gegentakt-Sourcefolger wird sichergestellt, dass immer nur einer der beiden MOSFETs jeder Halbbrücke durchgesteuert ist und der Übergang zwischen beiden Zuständen unproblematisch ist, da im Bereich der Gate-Source-Spannung um Null herum beide Transistoren sicher gesperrt sind. Alle acht Zellen sind mit je einer solchen einfachen Schalteinheit ausgestattet, sie werden gemeinsam über die Ansteuerkondensatoren (C17 bis C24) angesteuert.
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Die Rechteck-Ansteuerung erfolgt hier beispielhaft über eine astabile Operationsverstärkerschaltung. Die gezeigte Schaltung erzeugt hier ein symmetrisches Rechtecksignal (1:1) von etwa 2,5 kHz.
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Jeder der acht leistungsstarken MOSFET-Umschalter ist über einen low-ESR-Elektrolytkondensator (C9 bis C16) mit der Summenleitung verbunden. Diese wird über R6 auf eine mittlere Gleichspannung eingestellt, damit die Kondensatoren entsprechend kleinere Spannungswerte haben können. Die Kondensatoren sind daher jeweils entsprechend gepolt zu dieser beweglichen Mitte hin angeschlossen.
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Durch den Rechteckgenerator angesteuert schalten nun die acht Halbbrücken völlig synchron hin und her. Jeder Elektrolytkondensator erfährt so einseitig den vollen Spannungshub der dort angeschlossenen Zelle. Im Summenpunkt bildet sich kapazitiv der Mittelwert aller Wechselamplituden. Jeder Kondensator überträgt nun synchron und wechselseitig Ladungen auf „seine” beiden Zellenanschlüsse, die sich aus den aktuellen Amplitudendifferenzen ergeben und diese nach und nach abbauen. Erst wenn alle Amplituden gleich geworden sind fließen keine Ladungen mehr und alle Zellen sind ideal ausbalanciert.
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Anhand der Schaltfrequenz ist prinzipiell eine Anpassung der Ausgleichströme (Ausgleichsladungen pro Zeit) an die aktuelle Zellensituation anpassbar (Frequenzvariation ist in 1 nicht dargestellt), um die technischen Limits der beteiligten Schaltelemente, Kondensatoren und Zellen zu keiner Zeit zu überschreiten.
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In 2 ist zum Vergleich die entsprechende Schaltung mit direkter kapazitiver Verkopplung aller Zellen dargestellt (kapazitive Matrix). Die Anzahl der Koppelkondensatoren ist entsprechend höher, anstelle der 8 in 1 sind es nun 28, die kapazitive Kopplung ist dadurch jedoch entsprechend höher.
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Bei 100 Zellen wären bei direkter Kopplung in der Matrix nach 2 schon fast 5000 Kondensatoren nötig, dem gegenüber sind es dann bei der Kammlösung nach 1 nur 100 Kondensatoren, um diese 100 Zellen miteinander gleichberechtigt zu koppeln und damit zu balancieren.
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Da die Koppelkondensatoren von benachbarten Zellen eine mittlere Zellenspannung beider Zellen übertragen, können diese Kondensatoren jeweils auch durch weitere Zellen ersetzt werden. Diese übertragen dann die Ausgleichsladungen über ihre Akkukapazität und werden dabei selbst mit balanciert. Dies gilt auch während des Aufladevorgangs und bei Belastung. Die Zuverlässigkeit der Gesamtbatterie steigt dadurch, da jede ausfallende Zelle im Wechsel durch ihre beiden Counterparts parallel gestützt wird.
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Zitierte Literatur
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- [1] A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems, S. W. Moore & P. J. Schneider, ©2001 Society of Automotive Engineers Inc.
- [2] Large Li-ion battery packs: "Active balancing improves many parameters – part 2" EETimes, November-30-2010 |Jack Marcinkowski| National Semiconductors
- [3] Electropedia, Cell Balancing, http://www.mpoweruk.com/balancing.htm, July 2012
- [4] DE 10 2007 007 268 A1 (2008), TEMIC Automotive Electric Motors GmbH (Berlin, DE) ”Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellstapel eines Energiespeichers”
- [5] DE 10 2009 003 180 A1 (2010), Robert Bosch GmbH (Stuttgart, DE) ”Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erwärmen eines elektrischen Energiespeichers”
- [6] DE 10 2010 029 427 A1 (2011), Siemens AG (München, DE) „Energiespeicheranordnung”
- [7] US000005504415A (1996), Electronic Power Technologies Inc. (Norcross, US) ”Method and Apparatus for Automatic Equalization of Series-Connected Batteries”
- [8] US000006841971B1 (2005), Alpha Technologies Inc. (Bellingham, US) ”Charge Balancing Systems and Methods”
- [9] DE 10 2008 021 090 A1 (2008), Infineon Technologies AG (Neubiberg, DE) „Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung”
- [10] EP000000652620A1 (1994), Fiat Auto S. P. A. (Torino, IT) ”Method of equalizing the voltage across drive batteries for electric vehicles, connected in series during recharging, and device for implementing the method”
- [11] US020120139547A1 (2012), Texas Instruments Inc. (Dallas, US) „Systems and Methods of Cell Imbalance Detection”
