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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer elektronischen Schaltung, über welche mindestens ein Schaltmittel angesteuert werden kann, welches innerhalb eines Strompfades zwischen einem Batteriezellterminal und einer Elektrode der Batteriezelle angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batterien beziehungsweise Batteriezellen zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie beziehungsweise der Batteriezellen zu einem Ausfall des Gesamtsystems (z. B. einem Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann.
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Aus diesem Grund müssen die Batteriezellen, beispielsweise die Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie, mit Halbleiterbauelementen sowie Sensoren beschaltet werden, um die Sicherheit sowie die elektrische Funktionstüchtigkeit der Batteriezelle beispielsweise innerhalb eines Batteriesystems, aufrecht erhalten zu können.
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Im Stand der Technik erfolgt eine solche Beschaltung extern, wird also mit anderen Worten ausgedrückt, nicht innerhalb der Batteriezelle sondern beispielsweise innerhalb oder außerhalb eines Batteriesystems beziehungsweise einer Batterie realisiert. Dies allerdings bedeutet, dass die Batteriezellen des Standes der Technik für sich allein betrachtet keine eigensicheren Elemente darstellen, sondern stets auf die Zuverlässigkeit externer Einheiten beziehungsweise Komponenten angewiesen sind, welche innerhalb der externen Beschaltung verwendet werden.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2009 036 608 A1 eine wiederaufladbare Batterie mit mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle zur Bereitstellung einer Batteriespannung, wobei die Batterie mindestens ein Indikatorelement aufweist, welches einen physikalischen Parameter bereitstellt sowie mindestens einen von außen zugänglichen Kommunikationsanschluss umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein Batteriezellengehäuse, einen Batteriezellengehäusedeckel und zwei Batteriezellenterminals umfasst, über welche die Batteriezelle mit einem Batteriesystem verbindbar ist. Ferner umfasst die Batteriezelle eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, welche innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses mit jeweils einem Batteriezellenterminal verbunden sind. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle eine elektronische Schaltung. Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Strompfade zwischen der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode und jeweils einem Batteriezellenterminal mindestens ein Schaltmittel auf, welches durch die elektronische Schaltung ansteuerbar ist.
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Vorteilig an einer solchen Batteriezelle ist, dass durch die batteriezelleninterne Ansteuerung des mindestens einen Schaltmittels im Strompfad eine gezielte Stellung der Spannung sowie des Stroms der Batteriezelle möglich wird. Dadurch ist die Batteriezelle als eigenständige Spannungs- beziehungsweise Stromquelle betreibbar.
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Bevorzugt weist die elektronische Schaltung eine Kommunikationsschnittstelle auf, über welche die Batteriezelle mit einem Bussystem verbindbar ist. Durch eine solche Ausführungsform kann die Batteriezelle beispielsweise Daten über ein Bussystem mit anderen Komponenten beziehungsweise Einheiten, beispielsweise mit einem Batteriesystem, austauschen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektronische Schaltung mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Messgröße der Batteriezelle auf. Damit ist der Sensor zur Erfassung von beispielsweise den Batteriezellzuständen direkt in die Batteriezelle integriert und muss nicht extern bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor dazu ausgebildet, die Batteriezellspannung und/oder den Batteriezellstrom und/oder den Batteriezelldruck und/oder die Batteriezelletemperatur zu erfassen.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform weist die elektronische Schaltung mindestens eine Recheneinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, den Ladezustand und/oder den Alterungszustand und/oder den Energieinhalt der Batteriezelle zu ermitteln.
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Dadurch kann sowohl die Erfassung der wichtigsten Messgrößen der Batteriezelle als auch deren Auswertung, wie beispielsweise die Berechnung des Ladezustandes (State of Charge, SoC) der Batteriezelle beziehungsweise des Alterungszustandes (State of Health, SoH) der Batteriezelle direkt innerhalb der Batteriezelle erfolgen. Sowohl die Erfassung der Messgrößen der Batteriezelle als auch deren Auswertung muss dann nicht mehr durch externe Komponenten realisiert werden.
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Vorzugsweise weist die elektronische Schaltung einen Mikrocontroller sowie mindestens ein mit dem Mikrocontroller verbundenes Datenspeicherelement auf. Mikrocontroller sind sehr gut in Leistung und Ausstattung auf die jeweilige, für sie vorgesehene Anwendung anpassbar. Des Weiteren sind sie gegenüber anderen Rechensystemen sehr kostengünstig.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung ist der Mikrocontroller mit der Kommunikationsschnittstelle verbunden und dazu ausgelegt, einen in dem mindestens einen mit dem Mikrocontroller verbundenen Datenspeicherelement abgelegten Datensatz einem externen Steuergerät über die Kommunikationsschnittstelle zu übermitteln. Somit kann die Batteriezelle als eigenständiger Energiespeicher als auch in einem Energiespeicherverband zum Einsatz kommen.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist der Mikrocontroller mit dem mindestens einen Sensor verbunden und umfasst der Datensatz Informationen über mindestens eine durch den mindestens einen Sensor erfasste Messgröße der Batteriezelle und/oder Informationen über Batteriezellmerkmale zu einer Batteriezellcharakterisierung. Dadurch wird unter anderem ermöglicht, dass die Batteriezelle sich eigenständig, beispielsweise in einem übergeordneten Batteriemanagementsystem, mit ihren Batteriezellmerkmalen identifiziert.
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Bevorzugt weist die Batteriezelle mindestens ein Druckausgleichselement auf, welches durch die elektronische Schaltung ansteuerbar ist. Bildet sich innerhalb der Batteriezelle ein Über- oder Unterdruck, kann dieser von der Batteriezelle eigenständig erfasst und ebenfalls eigenständig ausgeglichen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Schaltung als Modul ausgeführt, welches den Batteriezellengehäusedeckel bildet. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Bauraum innerhalb der Batteriezelle erweitert werden, da die elektronische Schaltung innerhalb der Batteriezelle nur sehr wenig Raum beansprucht.
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Bevorzugt ist die elektronische Schaltung als Moldmodul oder als Schaltung auf einem Substrat oder als Schaltung auf einer Leiterplatte ausgeführt. Bei einem Moldmodul handelt es sich um einen Umhüllungskörper, der die elektronische Schaltung sicher und robust einschließt.
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Vorzugsweise befindet sich der mindestens eine Sensor an der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels und ist der mindestens eine Sensor elektrisch über eine gasdichte Durchkontaktierung mit einer Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung verbunden. Dadurch ist der Sensor räumlich in vorteilhafter Weise von der Auswerteelektronik getrennt. Bevorzugt ist die Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung ebenfalls in dem Mikrocontroller realisiert.
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Bevorzugt ist die elektronische Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt. Dadurch kann ebenfalls der innerhalb der Batteriezelle zur Verfügung stehende Bauraum erweitert werden.
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Bevorzugt ist die Batteriezelle als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem möglichen Integrationskonzept einer elektronischen Schaltung innerhalb der erfindungsgemäßen Batteriezelle, und
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2 ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 mit einem möglichen Integrationskonzept einer elektronischen Schaltung 10 innerhalb der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 dargestellt. Die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 umfasst ein Batteriezellengehäuse 30, einen Batteriezellengehäusedeckel 28 sowie zwei Batteriezellenterminals 11 und 12, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch den Batteriezellengehäusedeckel 28 geführt sind. Über die Batteriezellenterminals 11 und 12 ist die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 mit einem Batteriesystem, jedoch auch mit beispielsweise einem Verbraucher verbindbar. Ferner weist die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 eine positive Elektrode 13 und eine negative Elektrode 14 auf, zwischen denen in diesem Ausführungsbeispiel ein nicht dargestellter Separator angeordnet ist. Sowohl die positive Elektrode 13 als auch die negative Elektrode 14 sind innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 angeordnet. Über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 sind sowohl die positive Elektrode 13 als auch die negative Elektrode 14 mit jeweils einem Batteriezellenterminal 11, 12 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die positive Elektrode 13 über einen Strompfad mit dem Batteriezellenterminal 11 der Batteriezelle 40 verbunden, während die negative Elektrode 14 über einen anderen Strompfad mit dem verbleibenden der Batteriezellenterminals 12 der Batteriezelle 40 verbunden ist. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 eine elektronische Schaltung 10 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft auf der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels 28, innerhalb der Batteriezelle 40, angeordnet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist der Strompfad zwischen der positiven Elektrode 13 und dem Batteriezellenterminal 11 ein Schaltmittel auf (nicht dargestellt), welches durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann in diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Verbindung zwischen der positiven Elektrode 13 und dem Batteriezellenterminal 11 durch das Öffnen eines innerhalb dieser elektrischen Verbindung angeordneten Schaltmittels unterbrochen werden, wobei das Schaltmittel durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Dabei ist sowohl die Position als auch die Realisierung lediglich eines Schaltmittels in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Ein Schaltmittel kann in einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 auch alternativ oder ergänzend in dem Strompfad zwischen der negativen Elektrode 14 und dem Batteriezellenterminal 12 angeordnet sein. Auch können mehrere Schaltmittel innerhalb eines Strompfades angeordnet und durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar sein. Auch die Position der elektronischen Schaltung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft gewählt.
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Zum Zweck der Ansteuerung des Schaltmittels kann die elektronische Schaltung 10 rein beispielhaft eine Ansteuerschaltung beziehungsweise Treiberschaltungen, aber auch andere Einheiten, wie beispielsweise Recheneinheiten aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektronische Schaltung 10 rein beispielhaft als integrierte Schaltung ausgeführt. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch anders, beispielsweise als Modul, insbesondere als Moldmodul ausgeführt sein, welches den Batteriezellengehäusedeckel 28 der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 bildet.
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Bei einer solchen Ausführung ist das Batteriezellengehäuse 30 der Batteriezelle 40 also durch die den Batteriezellengehäusedeckel 28 bildende elektronische Schaltung 10 verschließbar. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch den Batteriezellengehäusedeckel 28 ausbilden und dennoch anders ausgeführt beispielsweise auf einem Substrat realisiert sein. Beispielweise können die Komponenten und Einheiten der elektronischen Schaltung 10 bis zu einer Siliziumfläche hochintegriert werden. Auch kann die elektronische Schaltung 10 auf einem Keramiksubstrat oder auf einer Leiterplatte realisiert werden. In diesem Fall bieten sich beispielsweise Leiterplatten auf Aluminium-, Edelstahl- oder Kunststoff-Basis an, da diese zur Ausbildung eines robusten Batteriezellengehäusedeckel 28 beitragen. Ferner kann die elektronische Schaltung auch in einem Metallsubstrat integriert oder auf einem sonstigen Basisträger für elektronische Komponenten realisiert werden. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch auf diese Art und Weise, das heißt, unter Wahl desselben Trägermediums beziehungsweise derselben Materialien und Integrationsart ausgeführt sein, ohne den Batteriezellengehäusedeckel 28 der Batteriezelle 40 auszubilden. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch unter Verwendung ganz anderer Materialien an einer ganz anderen Position innerhalb einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 angeordnet und ausgeführt sein.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Schaltung 10 eine Kommunikationsschnittstelle 21 auf, über welche die Batteriezelle 40 mit einem Bussystem verbindbar ist. Ein solches Bussystem kann dabei rein beispielhaft als CAN-Bus, als LIN-Bus, als FlexRay-Bus, als Ethernet oder aber auch als anderes Bussystem ausgeführt sein. Dabei sind die Komponenten der Kommunikationsschnittstelle 21 von dem Rest der elektronischen Schaltung 10 isoliert. Rein beispielhaft umfasst die Kommunikationsschnittstelle 21 in diesem Ausführungsbeispiel eine Transceiver-Schaltung 22, welche zwei Anschlüsse aufweist, über die die Kommunikationsschnittstelle 21 und damit die elektronische Schaltung 10 mit den Busleitungen eines Bussystems, in diesem Ausführungsbeispiel mit den Busleitungen eines CAN-Bussystems, verbindbar ist. Ferner weist die Kommunikationsschnittstelle 21 in diesem Ausführungsbeispiel eine Fehler-Auswerteeinheit 23 auf, über welche ein empfangenes Fehlersignal ausgewertet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Kommunikationsschnittstelle 21 der elektronischen Schaltung 10 des Weiteren eine als Hochsetzsteller ausgeführte Wandlereinheit 24, über welche die elektronische Schaltung 10 mit der positiven und der negativen Elektrode (nicht dargestellt) der Batteriezelle 40 verbindbar und speisbar ist. Die Ausführung der elektronischen Schaltung 10 mit einer Kommunikationsschnittstelle 21 ist für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 40 optional. Es können auch erfindungsgemäße Batteriezellen 40 ohne oder mit einer anders ausgeführten Kommunikationsschnittstelle 21, beispielsweise mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 21 ausgeführt sein.
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Die elektronische Schaltung 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Mikrocontroller 3 sowie ein mit dem Mikrocontroller 3 verbundenes, nicht dargestelltes Datenspeicherelement auf. Über einen digitalen Isolator 4 ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel mit der Transceiver-Schaltung 22 sowie mit der Fehler-Auswerteeinheit 23 der Kommunikationsschnittstelle 21 verbunden. Ferner ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt, einen in dem mit dem Mikrocontroller 3 verbundenen Datenspeicherelement abgelegten Datensatz einem externen Steuergerät über die Kommunikationsschnittstelle 21 zu übermitteln.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 weist die elektronische Schaltung 10 ferner vier Sensoren 2 zur Erfassung von 4 Messgrößen der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 auf. Bei den Messgrößen handelt es sich um die Batteriezellspannung, den Batteriezellestrom, den Batteriezelldruck und die Batteriezelltemperatur. Die vier Sensoren 2 sind mit einer Recheneinheit verbunden, welche dazu ausgelegt ist, aus ausgewählten der vier Messgrößen den Ladezustand, den Alterungszustand sowie den Energieinhalt der Batteriezelle 40 zu berechnen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Recheneinheit innerhalb des Mikrocontrollers 3 realisiert beziehungsweise durch diesen gebildet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel mit den vier Sensoren 2 verbunden und dazu ausgebildet, aus den durch die Sensoren 2 erfassten Messgrößen der Batteriezelle 40 den Ladezustand (State of Charge, SoC), den Alterungszustand (State of Health, SoH) sowie den Energieinhalt der Batteriezelle 40 zu berechnen. Die erfassten Messgrößen sowie die durch den Mikrocontroller 3 berechneten Größen (SoC, SoH, Energieinhalt) können als Datensatz in dem Datenspeicherelement abgelegt werden. Des Weiteren sind im Datenspeicherelement Datensätze hinterlegt, welche Informationen über die Batteriezellmerkmale für eine Batteriezellcharakterisierung umfassen. Wird die Batteriezelle 40 also beispielsweise mit einem übergeordneten Steuergerät verbunden, kann sich die Batteriezelle 40 eigenständig bei diesem identifizieren beziehungsweise die Batteriezelle 40 charakterisiert werden. Dies ist möglich, da der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt ist, in dem Datenspeicherelement abgelegte Datensätze über die Kommunikationsschnittstelle 21 an externe Steuergeräte, beispielsweise an eine zentrale Batteriemanagementeinheit, zu übermitteln. Ein Datensatz kann also einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise für Steuer- und Regelfunktionen, über die Kommunikationsschnittstelle 21 zur Verfügung gestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 weist in diesem Ausführungsbeispiel des Weiteren ein Druckausgleichselement (nicht dargestellt) auf, welches durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Liegt in der Batteriezelle 40 ein Über- beziehungsweise ein Unterdruck vor, kann selbiger über das Druckausgleichselement per Ansteuerung durch die elektronische Schaltung 10 ausgeglichen werden. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich zwei der vier Sensoren 2 an der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels 28. Diese zwei Sensoren 2 sind elektrisch über eine gasdichte Durchkontaktierung mit einer Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung 10 verbunden, welche in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in dem Mikrocontroller 3 der elektronischen Schaltung 10 realisiert ist.
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Ferner weist die elektronische Schaltung 10 eine Vielzahl von Schaltmitteln auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Leistungsschalter ausgeführt und durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar sind. Auch das Schaltmittel 1 im Strompfad zwischen, in diesem Ausführungsbeispiel, der positiven Elektrode 13 und dem Batteriezellenterminal 11 ist über eine als Brückentreiber-Schaltung ausgeführte Ansteuerelektronik 6 der elektronischen Schaltung 10 ansteuerbar. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Schaltung 10 ferner einen Funktionsblock auf, welcher die Funktion der Ein- und Ausschaltung der Batteriezelle sowie die Taktung der elektronischen Schaltung 10 bereitstellt. Des Weiteren weist die elektronische Schaltung 10 in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft eine Vielzahl an weiteren logischen Einheiten sowie elektronischer Komponenten auf, wie beispielsweise Logikgatter 19, einen Energieversorgungs-Block 33 zur Speisung der anderen Einheiten und Schaltungsteile der elektronischen Schaltung 10, Gatetreiber sowie Komponenten zur Signalaufbereitung. Diese Vielzahl an weiteren logischen Einheiten sowie elektronischer Komponenten ist rein beispielhaft gewählt, für die elektronische Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 nur optional, und wird hier nicht weiter beschrieben.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung 10 sind alle Einheiten und Komponenten, wie beispielsweise der Mikrocontroller 3, die Sensoren 2, die Kommunikationsschnittstelle 21 oder der Energieversorgungsblock 33 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 40 optional. Es können also auch elektronische Schaltungen 10 innerhalb erfindungsgemäßer Batteriezellen 40 ohne diese Einheiten und Komponenten realisiert werden. Sind solche Einheiten beziehungsweise Komponenten in der elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 realisiert, können diese auch anders als in dem Ausführungsbeispiel der 2 ausgeführt und angeordnet sein. Es können beispielsweise auch nur ein Sensor 2 oder mehr als vier Sensoren 2 in der elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 realisiert sein. Auch können von diesen Sensoren 2 andere als die hier erwähnten Messgrößen erfasst werden. Auch können beispielsweise der Ladezustand oder der Alterungszustand von einer separaten Recheneinheit und nicht von dem Mikrocontroller 3 ermittelt werden. Ferner muss bei Realisierung eines Druckausgleichselementes selbiges ebenfalls nicht durch einen Mikrocontroller 3 angesteuert werden. Ein solches Druckausgleichselement kann beispielsweise auch durch eine separate Einheit angesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009036608 A1 [0005]
