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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Entladen einer Hochvoltbatterie auf einem Fahrzeug und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Entladen einer Hochvoltbatterie nach einem Fahrzeugbeschädigungsereignis durch automatisches Entladen jeder Batteriezelle unter Verwendung einer Zellenausgleichsschaltung und der gespeicherten Energie in der Batterie.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). Diese Batterien können verschiedene Batteriearten sein, wie zum Beispiel eine Lithiumionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Ein typisches Hochvoltbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug kann mehrere Batteriezellen oder Module beinhalten, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Energie zu erfüllen, wobei jedes Batteriemodul eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel 12 Zellen. Verschiedene Fahrzeugausführungsformen beinhalten verschiedene Batterieausführungsformen, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung mit sich bringen.
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Während eines Fahrzeugcrash oder eines anderen Fahrzeugbeschädigungsereignis kann die Verschiebung und/oder die Beschädigung verschiedener Fahrzeugteile und dergleichen unerwünschte elektrische Verbindungen und das Austreten verschiedener Flüssigkeiten aus dem Fahrzeug bewirken. Aufgrund der signifikanten elektrischen Leistung, die in der Fahrzeugbatterie gespeichert sein kann, können diese Ereignisse möglicherweise zu gefährlichen Situationen führen, beispielsweise zum Elektrifizieren von Fahrzeugteilen, chemischen Giften, Verbrennungsdämpfen etc. Die Ausführungsformen der Fahrzeugbatteriesysteme müssen diese möglichen Schadensereignisse in Betracht ziehen.
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Fehlerisolationsdetektionssysteme werden manchmal in elektrischen Schaltkreisen vorgesehen, um eine elektrische Fehlerdetektion bereitzustellen. Elektrofahrzeuge stellen ein elektrisches System dar, das typischerweise Fehlerisolationsdetektionssysteme verwendet, um zu verhindern, dass eine Person durch die Hochspannung auf dem Fahrzeug verletzt wird.
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Um eine elektrische Fehlerisolation bereitzustellen, sind manche Fahrzeuge mit einer Batterietrenneinheit (BDU) ausgerüstet, die den Batteriestrom automatisch von dem Fahrzeug nach einem Crash oder einem anderen Ereignis durch Öffnen der Batterieschütze trennt oder entfernt. Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen manuellen Service-Trennschalter (MSD) zu verwenden, welcher eine Vorrichtung ist, die eine Batterie in zwei Teile separiert, wodurch eine geschulte Einsatzkraft nach einem Fahrzeugcrash den MSD entfernen kann, um die Batterie zu isolieren. Diese bekannten Isolationstechniken entfernen jedoch nicht die Ladung aus der Batterie sondern stellen sie nur sicher.
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Wie oben erwähnt, wird die Integrität der Fahrzeugbatterie oder anderer wiederaufladbarer Energiespeichersysteme (RESS) immer ein Thema, wenn ein Hybridelektrofahrzeug einen Crash oder ein anderes ähnliches Ereignis erfährt, losgelöst von der Schwere des Fahrzeugunfalls. Es ist wünschenswert, die Batterie während eines solchen Ereignisses zu entladen. Bekannte Batterieentladesysteme können teuer sein, beispielsweise Tausende Dollar kosten, und sie sind typischerweise schwer und haben einen signifikanten Platzbedarf. Ein bekanntes Batterieentladesystem ist ein autonomes, eingebettetes, modernes Überwachungssystem mit DC/DC-Buck/Boost-Konvertern, welche flüssigkeitsgekühlte Lastbänke und halbmoderne Kontrollsysteme beinhaltet. Darüber hinaus macht die Kompatibilität zwischen den verschiedenen Formen von Energiespeichervorrichtungen auf dem Markt die Batterieentladung aufgrund der verschiedenen Spannungen, chemischen Zusammensetzungen und Strombereiche zu einer komplizierten Aufgabe.
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In einem bestimmten Crash-Ereignisszenario bei einem Elektrofahrzeug kann das Fahrzeug schwer beschädigt oder vollkommen zerstört werden, wobei es nicht gefahren werden kann und auch nicht mehr wert ist, repariert zu werden, wobei das Fahrzeug auf einen Schrottplatz oder einen anderen Abstellplatz gebracht wird. Wenn die Fahrzeugbatterie immer noch einen signifikanten Betrag an Ladung aufweist, wie oben erwähnt, bildet diese Ladung ein potentielles Risiko für Feuer oder andere Giftentwicklungen. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass während einem solchen katastrophalen Fahrzeug-Crash-Ereignis Kurzschlüsse in der Batterieschaltung ein potentielles Feuerrisiko darstellen, wenn das zerstörte Fahrzeug einige Tage und auch Wochen nach diesem tatsächlichen Ereignis abgestellt wird.
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Wenn eine Fahrzeugbatterie relativ neu ist, arbeitet jede Zelle in der Batterie typischerweise auf dem gleichen Leistungslevel, d. h. bei maximaler Ladung oder Kapazität. Wenn die Batterie jedoch mit der Zeit altert, degradiert jede Zelle typischerweise in ihrer Leistungsfähigkeit unterschiedlich zu den anderen Zellen, wobei die Leistungsfähigkeit der Batterie durch die Leistungsfähigkeit der am schlechtesten leistenden Zelle beschränkt wird. Darüber hinaus kann eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul in der Batterie ausfallen oder auf andere Art und Weise aus anderen Gründen in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt sein, beispielsweise durch einen internen Kurzschluss, durch den Verlust an Kapazität, einen hohen Widerstand, hohe Temperatur etc. Demzufolge beinhalten Elektrofahrzeuge typischerweise Schaltungen zum Zellenausgleich und Steueralgorithmen, die das Laden der Batterie regeln, so dass der Ladezustand (SOC) der Batteriezellen auf ungefähr dem gleichen Niveau gehalten wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum individuellen Entladen von Batteriezellen in einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs offenbart. Das System beinhaltet einen Batterieregler, der den Ladezustand jeder der Batteriezellen überwacht und regelt und eine Zellausgleichsschaltung zum Aufrechterhalten der Ladung der Zellen auf im Wesentlichen gleichem Niveau. Der Regler empfängt ein Signal von einem Fahrzeugcrash-Detektor oder irgendeinem anderen Batterieschadensdetektionssystem, das anzeigt, dass das Fahrzeug einen Crash erfahren hat, und instruiert in Antwort darauf die Zellausgleichsschaltung, alle Batteriezellen zu entladen.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine einfache Veranschaulichung eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie;
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Batterieregelschaltung;
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3 ist ein schematisches Diagramm einer Batterieausgleichschaltung, die Teil der Batterieregelschaltung aus der 2 ist; und
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Entladen einer Fahrzeugbatterie zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion von Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum automatischen Entladen der Batteriezellen in einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs unter Verwendung von Batteriezellausgleichsschaltungen nach einem Fahrzeugcrash gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise findet die Batterieentladetechnik der vorliegenden Erfindung eine besondere Anwendung beim Entladen einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs. Fachleute können jedoch leicht erkennen, dass die Entladetechnik der vorliegenden Erfindung eine Anwendung bei anderen Batteriesystemen als Fahrzeugbatteriesystemen haben kann.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Schaltung für eine Batterieentladung und Batterieregelung und ein dazu korrespondierendes Verfahren vor, das eine besondere Anwendung für automatisches, langsames und separates Entladen jeder Batteriezelle in einer Hochvoltbatterie auf einem Fahrzeug, nachdem ein Fahrzeugcrash oder ein anderes Fahrzeugschadensereignis detektiert wurde, hat. Die Batterieentladetechnik nach der vorliegenden Erfindung hat eine besondere Anwendung bei denjenigen Situationen, bei denen das Fahrzeug-Crash-Ereignis heftig genug ist, so dass das Fahrzeug nicht länger gefahren werden kann und auf einen Schrottplatz oder eine andere Lagerstätte geschleppt werden muss. Die Batterieregelschaltung wird automatisch damit beginnen, den Entladeprozess durchzuführen, wenn das Fahrzeug-Crash-Ereignis detektiert wird, und wird die vorhandenen Batteriezellausgleichsschaltungen verwenden, um die Spannungsentladung oder Dissipation für jede Batteriezelle bereitzustellen. Da diese Arten von Zellausgleichsschaltungen typischerweise kleine Widerstände verwenden, wird der Zellspannungsentladeprozess langsam über die Zeit ausgeführt, möglicherweise bis zu einigen Wochen. Die Batteriezellentladungstechnik kann auf eine bestimmte Batteriespannung kalibriert werden oder kann geregelt werden, um ausgehend von der Zeit, bei der der Strom der Batterie selber ausreicht, um die Entladung fortzufahren, geregelt werden. Da die Zellspannungsentladung mit der Zeit langsam ausgeführt wird, ist es möglich, für Wartungspersonal oder für eine andere trainierte Kraft, die Entladesequenz, nachdem diese begonnen wurde, abzubrechen, wenn bestimmt wird, dass die Batterie nicht beschädigt und gerettet werden kann, zu stoppen, oder separate Batteriemodule können gerettet werden. Da die Entladetechnik und die dafür notwendigen Komponenten bereits auf dem Fahrzeug existieren, sind somit keine weiteren zusätzlichen Elemente erforderlich, die die Abmessungen, das Gewicht, die Kosten etc. bei dem Fahrzeug erhöhen.
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1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Fahrzeugs 10, das dazu gedacht ist, jede Art von Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug darzustellen. Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Hochvoltbatterie 12, die auf einem geeigneten Träger innerhalb des Fahrzeugs 10 befestigt ist, wobei die Batterie 12 eine Vielzahl von Batteriezellen 14 umfasst. In einem typischen Elektrofahrzeug oder Elektrohybridfahrzeug wäre die Fahrzeugbatterie 12 in Batteriemodule unterteilt, wobei jedes Batteriemodul eine Zahl von Batteriezellen umfasst, wobei die individuellen Batteriezellen miteinander elektrisch in Reihe oder parallel gekoppelt sein können, und die individuellen Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel gekoppelt sein. Darüber hinaus wäre die Anzahl der Batteriemodule und Batteriezellen von dem spezifischen Fahrzeug abhängig. Beispielsweise kann ein Batteriemodul zwischen 8 und 16 Batteriezellen beinhalten, wobei 20 Batteriemodule vorhanden sein können. Die Batterie 12 kann jede für ein Elektrofahrzeug geeignete Batterie sein, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie etc. Das Fahrzeug 10 kann darüber hinaus eine separate Antriebsquelle 16, beispielsweise eine interne Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc., für ein Elektrohybridfahrzeug umfassen. Das Fahrzeug 10 beinhaltet ein elektronisches Steuergerät 18 (ECU) oder einen Batterieregler, der den Betrieb der Batterie 12 inklusive dem Überwachen der Ladung und Entladung, was hier als Ladezustand (SOC) bezeichnet wird, der Batteriezellen 14 regelt. Das Fahrzeug 10 beinhaltet ferner ein Gerät 20, das jeder geeignete Crashdetektor, welcher für die hier diskutierten Zwecke geeignet ist, beispielsweise ein Airbag-Modul, sein kann, das in der Lage ist, ein Fahrzeug-Crash-Ereignis zu detektieren und ein Signal an die ECU 18 zu senden, um automatisch das Verfahren zum Entladen der Batteriezellen zu initiieren, wie hier diskutiert.
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2 ist ein schematisches Diagramm einer Batteriemodul-Schaltung 30, die eine Vielzahl von Batteriezellen 32 überwacht und regelt, welche als Batteriezellen 14 dargestellt sind, wobei jedes Batteriemodul, das zu der Batterie 12 gehört, einen separaten Batteriemodul-Schaltkreis besitzen würde. Die 2 zeigt nur fünf Batteriezellen 32, wobei ein typisches Batteriemodul dieser Art zwölf Batteriezellen umfassen kann. Die Batteriemodul-Schaltung 30 beinhaltet einen separaten Zellüberwachungsschaltkreis 34 für jede der Batteriezellen 32, der eine Batteriezellenspannungsdetektion und eine Batteriezellen-Schutzschaltung umfasst. Darüber hinaus beinhaltet die Batteriemodul-Schaltung 30 eine separate Zellausgleichsschaltung 36 mit einem Widerstand 38 und einem Schalter 40, beispielsweise einem Feldeffekttransistor (FET), der in der Lage ist, zu Zellausgleichszwecken jede der Batteriezellen 32 einzeln zu entladen. Wenn der Schalter 40 geschlossen wird, wird der Widerstand 38 über die Batteriezelle 32 gekoppelt, so dass deren Spannung über dem Widerstand 38 abfällt, um diese Spannung auf eine Höhe zu reduzieren, die konsistent ist zu den anderen Batteriezellen 32.
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Die Batteriemodul-Schaltung 30 beinhaltet einen integrierten Schaltkreis 42, wobei jede der Schaltungen 34 und 36 elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis 42 gekoppelt ist. Die ECU 18 liefert Instruktionen an den integrierten Schaltkreis 42 und der integrierte Schaltkreis 42 weist die dazu notwendigen elektrischen Schaltelemente auf, um die befohlenen Operationen auszuführen. Der integrierte Schaltkreis 42 beinhaltet verschiedene Regelkomponenten zum Überwachen der Batteriezellspannungen und zum Regeln des Zellausgleichs, beispielsweise Analog-zu-Digital-Konverter. Der integrierte Schaltkreis 42 liefert ein Regelsignal, um den GATE-Anschluss des Schalters 40 anzusteuern, so dass jede der Zellen 32 individuell entladen werden kann. Der integrierte Schaltkreis 42 ist selbstversorgt über die Anschlüsse 44 und 46, wobei die Leistung von den Batteriezellen 32 geliefert wird. Wie hier diskutiert, wird der integrierte Schaltkreis 42 damit fortfahren, den Schalter 40 anzusteuern unter Verwendung der Leistung aus den Batteriezellen 32, sobald der integrierte Schaltkreis 42 einen Befehl von dem Steuergerät 18 empfängt, die Batteriezellen 32 zu entladen.
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Verschiedene Steueralgorithmen und Schaltkreise sind im Stand der Technik bekannt, die bestimmen, wann der Schalter 40 anzusteuern ist und für wie lange, separat und unabhängig für jede der Batteriezellen 32, so dass jede Batteriezelle 32 während des normalen Betriebs des Fahrzeugs 10 ungefähr den gleichen Ladezustand aufweist. 3 zeigt ein nicht beschränkendes schematisches Diagramm für die Kombination des der Zellüberwachungsschaltung 34 und der Zellausgleichsschaltung 36, wobei Knoten 48 und 50 über die Batteriezelle 32 gekoppelt sind und Knoten 52, 54 und 56 an die Anschlussstifte des integrierten Schaltkreises 42 gekoppelt sind.
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Jede der einzelnen Batterie-Modulschaltungen 30 auf dem Fahrzeug 10 wird ein Entladungssignal von der ECU 18 empfangen, wenn die ECU 18 das Crash-Detektionssignal von dem Crashdetektionsgerät 20 empfängt, was dazu führt, dass die Batteriemodul-Schaltungen 30 damit beginnen, die Zellspannung zu entladen. Wie oben erwähnt, benötigt die Batteriemodul-Schaltung 30 keine weiteren Instruktionen von der ECU 18, um das Verfahren über den hier diskutierten Zeitrahmen auszuführen, da der integrierte Schaltkreis 42 von den Batteriezellen 32 mit Strom versorgt wird, sobald die Batteriemodul-Schaltung 30 den Befehl von der ECU 18 empfängt, mit dem Entladeverfahren für die Batteriezelle zu beginnen. Beispielsweise ist es üblich, dass Ersthelfer bei einem Fahrzeug-Crash-Szenario das Batteriekabel zu der 12-Volt-Batterie des Fahrzeugs durchschneiden, wobei die ECU 18 nicht in der Lage sein wird, betrieben zu werden, da sie nicht mehr mit Strom versorgt wird. Die ECU 18 wird jedoch schon die Batteriemodul-Schaltungen 30 angewiesen haben, dass Zellentladungsverfahren auszuführen.
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Da die ECU 18 den Ladezustand der Batteriezellen 32 kennt, da diese von dem Spannungsversorgungsschaltkreis 34 detektiert wird, wenn das Crash-Ereignis-Signal empfangen wird, kann diese nicht nur ein Signal liefern, das anzeigt, dass mit der Zellentladung begonnen werden sollte, sondern auch, für wie lange dies erfolgen sollte, bis ein Zielspannungswert erreicht wird. Darüber hinaus können die Batteriemodul-Schaltungen 30 kalibriert werden, um mit der Zellentladung abzubrechen, wenn ein bestimmter Spannungswert erreicht wird, da die Spannungsüberwachungsschaltung 34 die Spannung der Batteriezelle 32 überwacht. Die einzelne Spannung kann eine sehr niedrige Zellspannung sein, wobei die Zelle 32 dann dauerhaft geschädigt sein wird, oder ein höherer Spannungswert sein, der als sicher betrachtet wird und nicht zu einer Schädigung der Batteriezelle 32 führt.
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4 ist ein Flussdiagramm 60, das ein Verfahren zum Entladen jeder der Batteriezellen 32 in der hier geführten Art und Weise zeigt. Im Kasten 62 nimmt das Crash-Detektionsgerät 20 einen Fahrzeugcrash oder ein anderes Fahrrzeugschadensereignis auf. Im Kasten 64 kommuniziert das Gerät 20 das Crashereignis an die ECU 18. Im Kasten 66 sendet die ECO 18 ein Endladesignal an die Batteriemodul-Schaltungen 30, um mit dem automatischen Batteriezellentladungsverfahren zu beginnen, was ungefähr 10 ms dauert. Im Kasten 68 wird der integrierte Schaltkreis 42 den Schalter 40 schließen, um den Zellentladungsverfahren über den Widerstand 38 für jede der Batteriezellen 32, wie hier diskutiert, auszuführen.
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Der integrierte Schaltkreis 42 kann programmiert werden, um die Batteriezellen 32 durch Ansteuern des Schalters 40 in einer Anzahl von anwendbaren Szenarios zu entladen. Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis 42 programmiert werden, um eine Tiefentladung der Batteriezellen 32 bis zu einem vorbestimmten sehr niedrigen Spannungsgrenzwert, beispielsweise 1 V pro Zelle 32, erreicht wird, wobei die Zellen dauerhaft geschädigt werden können, herbeizuführen. Alternativ dazu kann der integrierte Schaltkreis 42 programmiert werden, um mit der Entladung der Batteriezellen 32 nach einer gewissen Zeitdauer, beispielsweise einer Woche, aufzuhören. ECU 18 kann den integrierten Schaltkreis 42 instruieren, wie lange diese Zeit sein sollte, wenn diese das Signal liefert, um mit der Batterie Entladesequenz zu beginnen, wobei die ECU 18 von der Zeit ausgehen könnte, zu der ein bekannter Ladezustand der Batteriezellen 32 vorliegt. Darüber hinaus kann der integrierte Schaltkreis 42 jede der Batteriezellen 32 bis auf einen unter Spannungsgrenzwert entladen, welcher vorher schon von der ECU 18 eingestellt worden ist. Der untere Spannungsgrenzwert kann irgendeine Spannung sein, die als sicher angenommen wird, welche aber nicht so niedrig ist, dass die Fahrzeugbatterie beschädigt wird. Da die Modul-Schaltung 30 den Spannungsdetektionsschaltkreis 34 umfasst, wird der integrierte Schaltkreis 42 wissen, wann der untere Spannungsgrenzwert erreicht ist. Es wird angemerkt, dass andere Entladeszenarios ebenfalls anwendbar wären.
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Wie oben erwähnt, wird das Verfahren damit fortfahren, auch wenn die ECU 18 von dem integrierten Schaltkreis 42 getrennt wird, beispielsweise durch weitere Schadensereignisse an dem Fahrzeug 10, oder abgeschaltet werden, da die Fahrzeugbatterie ihre Leistung aus irgendeinem anderen Grund verloren hat, sobald der integrierte Schaltkreis 42 dazu instruiert, das Entladeverfahren auszuführen. Wie oben erwähnt, kann die ECU 18 darüber hinaus von ausgebildeten Wartungspersonal angesteuert werden, um den integrierten Schaltkreis 42 zu instruieren, mit der Entladesequenz für die eine oder andere Batteriemodul-Schaltung 30 aufzuhören, wenn bestimmt wurde, dass das Crash-Ereignis weniger schwer ist, so dass es nicht notwendig ist, das Fahrzeug 10 zu verschrotten oder die Batterie 12 gerettet werden kann. Alternativ dazu könnte das Wartungspersonal ein Wartungswerkzeug verwenden, um direkt mit dem integrierten Schaltkreis 42 in Verbindung zu treten.
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Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
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Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
