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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Akkumulatorsystem, das zum Austauschen von Strom mit einer Stromstärke mit seiner Umgebung eingerichtet ist, welches wenigstens eine elektrisch-chemische Zelle umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von digitalen Stromdaten aus einem Akkumulatorsystem.
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In Batteriesystemen kommt der Messung des Batteriestroms, sowohl bei der Bestimmung des Ladezustands, als auch in der Sicherstellung eines sicheren Betriebs, eine wichtige Bedeutung zu. Die Umgebung in die der Strom fließt oder von der er kommt, kann etwa ein Verbraucher oder eine Ladeeinrichtung sein. Um einen potentiell gefährlichen Zustand zu verhindern, gibt es mehrere Gefährdungen, die auf einen unzulässig hohen Strom zurückzuführen sind. Bei einer Überlast der Batterie wird mehr Strom von der Batterie zur Verfügung gestellt, als der momentane Zustand der Batterie es zulässt. Dies kann z.B. aufgrund der aktuellen Temperatur oder eines bestimmten Alterungszustands der Batterie der Fall sein. Die Überlast der Batterie führt eventuell zu deren Überhitzen und kann in einem gefährlichen Zustand enden. Eine weitere Gefährdung ist Überstrom, was bedeutet, dass von der Batterie mehr Strom zur Verfügung gestellt wird, als die Zellen gemäß ihrer Spezifikation liefern können. Auch dies kann zu einem Überhitzen der Batterie führen. Noch eine weitere Gefährdung ist sogenanntes Lithium-Plating, was beim Laden einer Batterie bei sehr tiefen Temperaturen und mit hohen Strömen auftreten werden kann. Dabei wird metallisches Lithium auf einer Elektrode abgeschieden, was ebenfalls gefährlich sein kann. Dies zu überwachen, ist besonders kritisch, da schon eine geringe Überschreitung eines unkritischen Ladestroms, der nicht zu Lithium-Plating führt, zu einem unerkannten Fehler in der Batterie führen kann. Aufgrund der genannten Gefahren ist es erforderlich, Ströme von und zu der Batterie zuverlässig zu messen. Das Ergebnis einer Gefahr- und Risiko-Analyse ergibt, dass die Strommessung zumindest für Anwendungen in manchen Fahrzeugen in die Sicherheitseinstufung ASIL C (ISO 26262) einzustufen ist. Eine ausreichende Messsicherheit mit einer einkanaligen Messung, z.B. mit nur einem Sensor, ist sehr schwierig zu realisieren. Deshalb sind im Stand der Technik die nachfolgend beschriebenen Lösungen bekannt. Es kann ein Stromsensor eingesetzt werden, der beispielsweise mittels eines Shunt-Widerstands des Stroms von und zu der Batterie misst. Ein solcher Stromsensor kann mit zusätzlicher Überwachungs-Hardware ausgestattet sein, die beispielsweise auf einen Überstrom in vorgegebener Größe reagiert. Ein Nachteil an den bekannten Lösungen ist, dass sie als Sensoren mit zusätzlicher Überwachungs-Hardware meist eine teure Sonderentwicklung erfordern, z.B. für Elektrofahrzeuge, die nur auf geringe Stückzahlen kommen. Daher ist mit hohen Stückpreisen zu rechnen. Außerdem sind solche Lösungen im Allgemeinen nicht sehr flexibel in Bezug auf die Einstellung von Überstromgrenzen, da z.B. eine Zeitabhängigkeit oder eine Temperaturabhängigkeit nicht einstellbar ist. Weiter ist die Verwendung von zwei verschiedenartigen Sensorsystemen denkbar, beispielsweise eine Strommessung mit einem Hall-Sensor und ein Shunt-basierter Sensor. Hierdurch wird eine hohe Sicherheit erreicht, jedoch müssen zwei unterschiedliche Messsysteme verbaut werden, was ebenfalls kostenaufwendig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, dass zwei gleichartige Strommesseinrichtungen aufweist. Mit diesen ist jeweils die Stromstärke eines Stroms erfassbar, der von und zu der Batterie fließt. Dabei ist denkbar, Shunt-Stromsensoren, Hall-Stromsensoren oder andere Stromsensortypen einzusetzen. Gemessene Stromwerte werden in digitale Daten gewandelt, die über eine digitale Sendeeinrichtung z.B. an eine Steuereinrichtung des Batteriesystems gesendet werden. Insbesondere und besonders vorteilhaft können zwei identische Strommesseinrichtungen eingesetzt werden, was die Stückzahl der verwendeten Sensoren verdoppelt und somit den Einzelstückpreis senkt. Zugleich wird die Sicherheit gegenüber einen einzelnen Sensor drastisch erhöht.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform des Batteriesystems umfasst das Batteriesystem für jede der Strommesseinrichtungen jeweils eine digitale Sendeeinrichtung, die vorzugsweise jeweils Teil der ihr zugeordneten Strommesseinrichtung ist. Die digitale Sendeeinrichtung jeder Strommesseinrichtung ist mit einer gemeinsamen digitalen Datenverbindung verbunden. Über diese können Daten von den Sendeeinrichtungen zu einem Empfänger gesendet werden, der beispielsweise eine Steuereinrichtung des Batteriesystems oder ein Fahrzeugsteuereinrichtung oder dergleichen sein kann. Von den digitalen Sendeeinrichtungen werden digitale Stromstärkedaten über die gemeinsame Datenverbindung digital übertragen. Typischerweise ist das Senden der Daten über das Bus-System so geregelt, dass nur eine der Sendeeinrichtungen zu einem Zeitpunkt sendet. Dies ermöglicht, dass nur eine digitale Datenverbindung erforderlich ist, was im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung mit einer Datenverbindung für jeden der Stromsensoren kostengünstiger ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des Batteriesystems sind Stromstärkewerte von der ersten Strommesseinrichtung mit einer ersten Wiederholungsrate, und Stromstärkewerte von der zweiten Strommesseinrichtung mit einer zweiten Wiederholungsrate von dem Batteriesystem übertragbar. Bei den übertragenden Stromstärkewerten handelt es sich normalerweise um redundante Daten, da die Stromsensoren den gleichen Strom messen und das gleiche Messergebnis liefern sollten. Zur Erhöhung der Sicherheit der Strommessung ist es jedoch unter Umständen schon ausreichend, nicht jeden der gemessenen Stromwerte redundant zu senden. Da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Defekt an einer der Strommesseinrichtungen gleichzeitig mit einem kritischen Batteriezustand eintritt, ist gering, so dass eine kurze Verzögerung der Erkenntnis, dass die beiden Strommesseinrichtungen nicht mehr das gleiche Ergebnis liefern, häufig in Kauf genommen werden kann. Wenn die beiden Strommesseinrichtungen nicht mehr dasselbe Messergebnis liefern, lässt dies auf einen Defekt einer der beiden Strommesseinrichtungen schließen. Die zweite, langsamere Wiederholungsrate dient somit der Überprüfung der Übereinstimmung der Messwerte mit einer geringeren Wiederholungsrate, als Messwerte von der ersten Strommesseinrichtung gesendet werden. Aus über einem Grenzwert liegenden Messwerten lässt sich auf einen gefährlichen Strom von oder zu dem Batteriesystem schließen. Um dies möglichst schnell erkennen zu können, wird für die Messwerte der ersten Strommesseinrichtung eine höhere Wiederholungsrate angewendet. Durch die Absenkung der Wiederholungsrate des Sendens von Daten von der zweiten Strommesseinrichtung wird die Bus-Last der gemeinsamen Datenverbindung verringert. Somit können über diesen Bus vermehrt andere Daten gesendet werden. Jede der beiden Strommesseinrichtungen kann als erste oder als zweite Strommesseinrichtung gelten.
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In einer weiteren Ausführungsform des Batteriesystems ist die zweite Wiederholungsrate größer oder gleich einem Kehrwert eines vordefinierten Fehlertoleranz-Zeitpunkts. Eine solche Fehlertoleranzzeit definiert sich als eine Zeit, innerhalb der ein Fehler einer der Strommesseinrichtung erkannt werden soll, um Sicherheitsanforderungen zu genügen. Typischerweise beträgt die Fehlertoleranzzeit für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem etwas 3s. Um die Sicherheit und die Erkennungsgeschwindigkeit eines Defekts einer der Strommesseinrichtungen zu erhöhen, wird jedoch bevorzugt die zweite Wiederholungsrate auf etwa 1s gesetzt. Somit werden Daten von der zweiten Messeinrichtung drei Mal innerhalb einer typischen Fehlertoleranzzeit von 3s gesendet. Unabhängig von dieser Ausführungsform werden Daten von der ersten Strommesseinrichtung vorzugsweise etwa alle 50 ms gesendet.
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In einer weiteren Ausführungsform des Batteriesystems sind die Strommesseinrichtungen dazu eingerichtet, aus einer erfassten Stromstärke digitale Stromstärkewerte zu erzeugen. Diese werden in eine Scrambling-Einrichtung eingespeist, die die digitalen Werte so verändert, dass ein Sendesignal, mit dem diese Daten versendet werden, einen veränderten Frequenzgang aufweist, vorzugsweise auf eine Übertragungsstrecke der Daten hin optimierten Frequenzgang. Das Scrambling verringert die Wahrscheinlichkeit der Auswirkung von Leitungsfehlern und Störungen auf gesendete Stromstärkedaten. Die Scrambling-Einrichtung kann Teil einer Strommesseinrichtung sein. In einer Variante weist jede der Strommesseinrichtung eine eigene Scrambling-Einrichtung auf. Eine Scrambling-Einrichtung kann als Scrambling-Algorithmus realisiert sein, der beispielsweise auf einem Mikrocontroller oder dgl. ausgeführt wird. Weiter umfasst das Batteriesystem eine Sendeeinrichtung, mit der Daten aus der Scrambling-Einrichtung als Datenstrom versendbar sind. In einer Variante umfasst jede der Strommesseinrichtungen eine eigene Sendeeinrichtung. Vorzugsweise wird das Scrambling so ausgeführt, dass die sich beim Senden des digitalen Signals mit den Strommessdaten ergebenden Frequenzen nicht mit Störfrequenz kollidieren, die auf die Datenleitung einwirken, über der Datenstrom gesendet wird. Außerdem ist vorzugsweise das Scrambling an die Übertragungseigenschaften der Datenleitung angepasst; insbesondere wird das Scrambling so ausgeführt, dass Frequenzen entstehen, die mit besonders geringer Abschwächung gesendet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform des Batteriesystems ist ein Scrambling-Schlüssel, der zur Ausführung des Scramblings von Strommessdaten verwendet wird, um eine bestimmte Art der Veränderung des Frequenzgangs des entsprechenden Datenstroms zu bewirken, beispielsweise in einer Steuereinrichtung des Batteriesystems oder einer Fahrzeugsteuerung oder dgl. gespeichert. In einer Variante kann der Scrambling-Schlüssel in der Strommesseinrichtung gespeichert sein, beispielsweise kann er hard-kodiert sein, d.h., in Hardware-Strukturen kodiert sein, beispielsweise auf einem Chip, in einem ROM, in Schalterstellungen oder dergleichen. Es können auch mehrere Scrambling-Schlüssel vorgesehen sein, die in verschiedenen Varianten des Batteriesystems, an verschiedenen Einsatzorten oder in verschiedenen Einbausituationen des Batteriesystems oder dgl. zum Einsatz kommen können. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriesystem zum Empfang eines Scrambling-Schlüssels aus der Umgebung des Batteriesystems eingerichtet sein. Auf diese Weise kann der Schlüssel gegebenenfalls einfach ausgetauscht werden und die Art und Weise des Scramblings an neue Gegebenheiten angepasst werden. Vorzugsweise ist ein gespeicherter Scrambling-Schlüssel ein fahrzeugtyp-spezifischer Schlüssel.
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In einer weiteren, mit den anderen Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform wird Scrambling für Einzelleitungen angewendet, mit denen eine einzelne Strommesseinrichtung mit ihrer Peripherie verbunden ist und über die die Strommesseinrichtung nur ihre eigenen Daten sendet. Dies kann für beide Strommesseinrichtungen gelten.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Übertragung von digitalen Stromdaten aus einem Batteriesystem nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Bei dem Verfahren werden digitale Stromstärkewerte über eine gemeinsame Datenverbindung gesendet, an die Sendeeinrichtungen der ersten und der zweiten Messeinrichtung angeschlossen sind. Die Daten werden dabei zu einer Peripherie der Strommesseinrichtungen gesendet, die z.B. eine Steuereinrichtung des Batteriesystems, eine Fahrzeugsteuerung oder dgl. sein können. Durch das Senden über eine gemeinsame Datenverbindung können weitere Datenverbindungen entfallen, was kostengünstig ist.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens werden Stromstärkewerte von der ersten Strommesseinrichtung mit einer anderen Wiederholungsrate gesendet, als Stromstärkewerte von der zweiten Strommesseinrichtung. Vorzugsweise werden Daten von der zweiten Strommesseinrichtung mit einer geringeren Wiederholungsrate als Daten von der ersten Strommesseinrichtung gesendet. Somit überträgt die erste, häufiger sendende Strommesseinrichtung Daten, aus denen ein Überschreiten eines zulässigen Stroms von oder zu dem Batteriesystem erkannt werden kann, während mit den Strommesswerten von der zweiten Strommesseinrichtung zusätzlich überprüft werden kann, ob die Strommesswerte von der ersten Strommesseinrichtung und der zweiten Strommesseinrichtung miteinander übereinstimmen. Stimmen diese Werte nicht miteinander überein, so kann davon ausgegangen werden, dass eine der Strommesseinrichtungen defekt ist.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem digitale Stromdaten aus einem Batteriesystem gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von Batteriesystemen übertragen werden, nachdem auf die digitalen Stromstärkewerte ein Scrambling angewendet wurde. Das Scrambling kann beispielsweise mittels eines in Software implementierten Scrambling-Algorithmus’ durchgeführt werden. Alternativ sind auch Hardwarelösungen denkbar, etwa mit einem GAL oder einem FPGA.
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In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, einen Scrambling-Schlüssel in eine Scrambling-Einrichtung, die Scrambling mit digitalen Stromstärkewerten durchführt, aus der Peripherie der Scrambling-Einrichtung einzulesen oder den Scrambling-Schlüssel aus einem Speicher, insbesondere in einer Steuereinrichtung des Batteriesystems, einer Fahrzugsteuerung oder dergleichen, zu laden.
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Denkbar ist es, zwei verschiedene Versionen von Scrambling-Schlüsseln in dem Batteriesystem zu speichern, die jeweils eine unterschiedliche Typ-Nummer aufweisen, die vorzugsweise jeweils eine der Strommesseinrichtungen zugeordnet ist. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn die zwei Sendeeinrichtungen über unterschiedliche Datenverbindungen senden. Alternativ kann auch nur ein Scrambling-Schlüssel gespeichert sein, wobei die Typ-Nummer vorzugsweise beiden Strommesseinrichtungen zugeordnet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Batteriesystems,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Batteriesystems,
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Batteriesystems, und
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4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Batteriesystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Batteriesystems 1. Das Batteriesystem 1 umfasst ein elektrochemisches Modul 2, welches eine oder mehrere elektrochemische Zellen aufweist. Aus dem elektrochemischen Modul 2 führt eine stromführende Anschlussleitung 3 zur Umgebung des Batteriesystems 1, die nicht explizit dargestellt ist. Die Anschlussleitung 3 führt einen Strom 4, der von dem elektrochemischen Modul zur Umgebung des Batteriesystems 1 fließt, oder führt einen Strom 5, der von der Umgebung des Batteriesystems 1 zu dem elektrochemischen Modul 2 fließt, oder keinen Strom. Strom durch die Anschlussleitung 3 durchfließt zwei Strommesseinrichtungen 6 und 7, die beispielsweise als Shunt-Strommesseinrichtung oder als Strommesseinrichtung mit Hall-Sensor oder dergleichen ausgebildet sein können. Die Strommesseinrichtungen 6 und 7 messen den Strom 4 bzw. 5. Sie umfassen jeweils eine Sendeeinrichtung 14 und 15, die jeweils mit einer gemeinsamen Datenleitung 8 verbunden sind. Von den Strommesseinrichtungen 6 und 7 erfasste Stromwerte werden in digitale Daten gewandelt und von den Sendeeinrichtungen 14 bzw. 15 über die Datenleitung 8 zu einem Teil der Peripherie der Strommesseinrichtungen 6 und 7 versendet. Der Teil der Peripherie kann in der Umgebung des Batteriesystems 1 angeordnet und etwa eine Fahrzeugsteuerung, ein Teil des Batteriesystems 1, wie etwa eine Steuereinrichtung des Batteriesystems, welche nicht dargestellt ist, oder dergleichen sein. Die Strommesseinrichtungen 6 und 7 senden nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt. Dabei sendet die Strommesseinrichtung 6 mit einer höheren Wiederholungsrate als die Strommesseinrichtung 7, um die Datenverbindung 8 nicht mit einer Vielzahl von redundanten Daten zu belasten. Die Strommesseinrichtungen 6 und 7 messen im ordnungsgemäßen Zustand jeweils denselben Strom und liefern wenigstens näherungsweise dasselbe Ergebnis. Somit kann jedes Mal, wenn die Strommesseinrichtung 7 einen Datenwert sendet, überprüft werden, ob ein oder mehrere Strommesswerte, die von der Strommesseinrichtung 6 vorangehend oder nachfolgend gesendet wurden, näherungsweise gleich sind. Ist dies nicht der Fall, kann auf einen Defekt einer der Strommesseinrichtungen 6 oder 7 geschlossen werden. Die Strommesseinrichtungen 6 oder 7 umfassen vorzugsweise die Sendeeinrichtungen 14 bzw. 15 auf demselben Chip. Ein Anstieg der Strommesswerte von einer der Strommesseinrichtung 6 oder 7 über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus kann als eine Gefährdung der Zellen in dem elektrochemischen Modul interpretiert werden, insbesondere, wenn die Strommesswerten der Strommesseinrichtungen wenigstens näherungsweise übereinstimmen.
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2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des Batteriesystems 1. Das Batteriesystem 1 der zweiten Ausführung gleicht dem der ersten Ausführung in großen Teilen. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf die Ausführungen zu 1 verwiesen. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform eine Scrambling-Einrichtung 9 auf, die mit Datenausgängen der Strommesseinrichtungen 6 und 7 verbunden ist. Die Scrambling-Einrichtung 9 empfängt Daten von den Strommesseinrichtungen 6 und 7 und scrambelt diese mit einem Scrambling-Algorithmus, beispielsweise mittels eine Mikrocontrollers. Die Scrambling-Einrichtung 9 gibt die gescrambelten Daten an eine Sendeeinrichtung 16 aus, die die Daten auf eine gemeinsame Verbindung 8 der Strommesseinrichtungen 6 und 7 mit ihrer Peripherie verbindet. Ein Teil der Peripherie kann eine Steuereinheit des Batteriesystems 1, eine Fahrzeugsteuerung außerhalb des Batteriesystems 1 oder dgl. sein.
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3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des Batteriesystems 1, das in großen Teilen den in den 1 und 2 gezeigten ersten und zweiten Ausführungsformen gleicht. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform weist die dritte Ausführungsform nicht die Scrambling-Einrichtung 9 und die Sendeeinrichtung 16 auf. Stattdessen umfasst in der dritten Ausführungsform jede der Strommesseinrichtungen 6 und 7 eine Scrambling- und Sende-Einrichtung 11 bzw. 10. Die Strommesseinrichtungen 6 und 7 übergeben gemessene Stromdaten jeweils der ihnen zugeordneten Scrambling- und Sendeeinrichtung 11 bzw. 10, welche die Daten scrambelt und versendet. Die Ausgänge der Scrambling- und Sende-Einrichtungen 10 bzw. 11 sind mit Verbindungsleitungen 12 bzw. 13 zur einem Teil der Peripherie der Strommesseinrichtungen 6 und 7 verbunden, wobei über die Verbindungsleitungen Strommessdaten der jeweils zugeordneten Strommesseinrichtungen 6 bzw. 7 gesendet werden.
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4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform des Batteriesystems 1. Die vierte Ausführungsform gleicht zu großen Teilen der dritten Ausführungsform. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf die Beschreibung der 3 verwiesen. Ein Unterschied zwischen der dritten und der vierten Ausführungsform besteht darin, dass in der vierten Ausführungsform die Verbindungsleitungen 12 und 13 der dritten Ausführungsform entfallen und durch eine gemeinsame Verbindungsleitung 8 ersetzt sind. Die Verbindungsleitung 8 ist an beide Scrambling- und Sende-Einrichtungen 10 und 11 angeschlossen. Diese sind dazu geeignet, eine Kommunikation über einen gemeinsamen Bus, etwas einem CAN-Bus, zu betreiben. Die gemeinsame Verbindungsleitung verbindet die Strommesseinrichtungen 6 bzw. 7 mit einem Teil ihrer Peripherie, etwa einer Steuereinrichtung des Batteriesystems 1 oder einer Fahrzeugsteuerung außerhalb des Batteriesystems 1 oder dgl.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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