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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anschlussnetzwerk für eine Prüfvorrichtung zum gleichzeitigen Prüfen von mehreren Batteriezellen. Das Anschlussnetzwerk umfasst mehrere Kontaktierungselemente zur elektrischen Kontaktierung mit Polen der Batteriezellen und mindestens eine Strombrücke zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen. Batteriezellen können auch als Einzelzellen bezeichnet werden. Die Batteriezellen können Teil eines Stapels von Batteriezellen, d. h. eines Batteriezellenstapels, sein. Batteriezellenstapel werden im Folgenden als Zellenstapel bezeichnet und können Teil einer Hochvolt-Batterie sein.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Prüfvorrichtung zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen. Die Prüfvorrichtung weist eine Messvorrichtung zum Erfassen eines Leckstroms, einer Serienspannung, eines Durchgangsstroms und/oder eines anderen Batterieparameters auf.
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Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen.
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Die
DE 20 2011 103 359 U1 beschreibt eine Akkuplatte, die als Deckel eines Akkumulatorgehäuses dient. Die Akkuplatte weist einen Funktionseinsatz und eine Steuersteckdose zum Übermitteln von Messwerten an eine Steuereinheit auf. Der Funktionseinsatz enthält Verbindungsleitungen, die Anschlussstifte mit der Steuersteckdose elektrisch leitend verbinden. Die Anschlussstifte sind so angeordnet, dass sie im montierten Zustand der Akkuplatte auf dem Akkumulatorgehäuse Anschlüsse von elektrolytischen Zellen kontaktieren. Hierbei wird unterstellt, dass die Zellen bereits in dem Akkumulatorgehäuse mittels Metallbrücken in Serie geschaltet sind.
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Wenn die Anzahl der während eines Montageschritts einer Hochvolt-Batterie gleichzeitig zu verschaltenden Batteriezellen hoch ist, erfordert dieser bekannte Akkumulatoraufbau aufwändige Vorkehrungen, um in einer Herstellungs- und/oder Prüfphase des Akkumulators eine Gefährdung von Personen und/oder Sachen infolge doppelter Isolationsfehler auszuschließen. Dies gilt sowohl für den Arbeitsschritt eines In-Serie-Schaltens als auch für den Arbeitsschritt eines Zueinander-Parallelschaltens einer hohen Anzahl von Batteriezellen. Als hohe Anzahl von Batteriezellen werden hier beispielsweise mehr als 25, mehr als 75 oder mehr als 150 Batteriezellen verstanden. Eine solche Gefährdungssituation kann beispielsweise dann entstehen, wenn Batteriemodule mit mindestens einer weiteren Batteriezelle oder mit mindestens einem weiteren Batteriemodul verbunden werden, wobei in dem oder den Batteriemodule bereits mehrere Batteriezellen miteinander verschaltet sind. Kommt es infolge eines doppelten Isolationsfehlers zur Havarie eines Batteriesystems, können durch Lichtbogen, Brand, Rauchentwicklung sowie Freisetzung von giftigen Substanzen große Sachschäden entstehen. Im ungünstigsten Fall kann damit auch ein lang andauernder oder endgültiger Produktionsausfall oder ein Entzug einer Betriebsgenehmigung verbunden sein, sofern nicht schon im Vorfeld mit besonderen Sicherheitsvorkehrungen für eine Begrenzung der Reichweite einer solchen Produktionsstörung gesorgt wurde. Näheres zu der Gefährdungssituation infolge doppelter Isolationsfehler erläutert die Figurendetailbeschreibung.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Anschlussnetzwerk, eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Aufwand in der Herstellung und Prüfung von Akkumulatoren mit hoher Zellenzahl verringert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Anschlussnetzwerk gemäß Patentanspruch 1, durch eine Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 3 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Anschlussnetzwerk für eine Prüfvorrichtung zum gleichzeitigen Prüfen von mehreren Batteriezellen umfasst mehrere Kontaktierungselemente zur elektrischen Kontaktierung mit Polen der Batteriezellen und mindestens eine Strombrücke zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen. Die Strombrücken weisen jeweils einen Strombegrenzer auf. Der Strombegrenzer kann beispielsweise so bemessen sein, dass er einen bei der Gesamtserienspannung der Batteriezellen maximal möglichen Kurzschlussstrom auf 12 mA begrenzt.
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Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen ein erfindungsgemäßes Anschlussnetzwerk und eine Messvorrichtung zum Erfassen eines Leckstroms, einer Serienspannung, eines Durchgangsstroms und/oder eines anderen Batterieparameters.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt wird ein erfindungsgemäßes Anschlussnetzwerk mit mehreren Batteriezellen kontaktiert, die gleichzeitig zu prüfen sind. In einem zweiten Schritt wird ein Leckstrom, eine Serienspannung, ein Durchgangsstrom und/oder ein anderer Batterieparameter mittels einer Messvorrichtung erfasst.
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Dadurch, dass die Strombrücken jeweils einen Strombegrenzer aufweisen, wird ein Entstehen eines hohen Kurzschlussstromes infolge eines doppelten Isolationsfehlers unterbunden und eine Gefährdung von Personen und/oder Gegenständen infolge doppelter Isolationsfehler von Haus aus verringert. Hierdurch können sich aufwändige andere Vorkehrungen erübrigen, die sonst erforderlich sind, um in einer Herstellungs- und/oder Prüfphase eines Batteriesystems (Akkumulators) eine Gefährdung von Personen oder Sachen infolge doppelter Isolationsfehler auszuschließen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Anschlussnetzwerk einen elektrisch isolierenden Schaltungsträger, wobei zumindest eine der Strombrücken eine Sammelschiene aufweist, die aus mindestens zwei Teilen besteht, die jeweils an dem Schaltungsträger befestigt sind, und wobei die zwei Teile der Sammelschiene mittels des Strombegrenzers der Sammelschiene elektrisch verbunden sind. Hierdurch kann eine gleichzeitige Prüfung von Batteriezellen in kostengünstiger und zeitsparender Weise durchgeführt werden, weil ein Anschluss der Prüfvorrichtung an mehrere oder alle Batteriezellen, die zu prüfen sind, in einem Arbeitsgang und ohne Personen- oder Sachgefährdung erfolgen kann. Eine Sammelschiene kann auch als Stromschiene bezeichnet werden.
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In einer Ausgestaltung ist der Strombegrenzer dazu vorbereitet, einen Kurzschlussstrom auf einen ersten Schwellenwert zu begrenzen. Durch Begrenzung des Stroms auf einen (vorgegebenen) ersten Schwellenwert kann vermieden werden, dass der Kurzschlussstrom eine Stärke annimmt, der Personen gefährdet und/oder zu einer Beschädigung von Gerätschaften führen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Strombegrenzer ein elektrischer Widerstand. Einen elektrischen Widerstand als Strombegrenzer vorzusehen, stellt eine einfache Möglichkeit dar, einen Kurzschlussstrom infolge eines doppelten Isolationsfehlers auf ein noch erträgliches Maß zu begrenzen. Da die maximal mögliche Spannung der Serienschaltung der (gleichzeitig zu prüfenden) Batteriezellen der Serienschaltung bekannt ist, kann der elektrische Widerstand im Vorhinein so bemessen werden, dass kein Kurzschlussstrom entstehen kann, der einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet. So können Kurzschlussströme vermieden werden, die Personen gefährden und/oder zu einer Beschädigung von Gerätschaften führen können.
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Bevorzugt umfasst der Strombegrenzer ein Halbleiterbauelement. Mittels eines Halbleiterbauelements kann ein Strombegrenzer realisiert werden, dessen Durchlasswiderstand niedrig bleibt, solange kein Kurzschluss infolge eines doppelten Isolationsfehlers besteht, dessen Durchlasswiderstand jedoch Kurzschlussströme infolge doppelter Isolationsfehler in reversibler Weise begrenzt. Als Strombegrenzer kann beispielsweise eine Konstantstrom-Diode, eine Stromregeldiode, oder ein JFET verwendet werden, dessen Gate(-Anschluss) mit dessen Source(-Anschluss) kurzgeschlossen sind. Zur Begrenzung von Kurzschlussströmen bei hoher Serienspannung der Serienschaltung von gleichzeitig zu prüfenden Batteriezellen kann beispielsweise ein Leistungs-MOSFET vom Verarmungstyp als Strombegrenzer vorgesehen sein, dessen Gate(-Anschluss) mit dessen Source(-Anschluss) kurzgeschlossen ist.
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Bevorzugt ist der Strombegrenzer dazu vorbereitet, einen Kurzschlussstrom zu unterbrechen, sobald der Kurzschlussstrom im Begriff ist, einen zweiten Schwellenwert zu überschreiten. Durch reversible oder irreversible vollständige Unterbrechung des Stroms kann unmittelbar nach einem Auftreten eines Kurzschlussstroms infolge eines doppelten Isolationsfehlers ein Risiko für Personen und Gerätschaften minimiert werden.
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Auch kann es von Vorteil sein, wenn der Strombegrenzer eine Sicherung aufweist. Beispielsweise ist eine Schmelzsicherung eine einfache Möglichkeit, einen Kurzschlussstrom infolge eines doppelten Isolationsfehlers vollständig und irreversibel zu begrenzen.
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Unabhängig davon kann es zweckmäßig sein, wenn zu dem Strombegrenzer ein Parallelwiderstand parallelgeschaltet ist. Hierdurch können mittels der ersten Messvorrichtung und dem Anschlussnetzwerk auch dann noch (in der Regel weniger präziser) Gesamtisolationstests an weiteren Zellenstapeln durchgeführt werden, wenn der Strombegrenzer bereits aufgrund eines Kurzschlussstroms anlässlich eines vorangegangenen Batterietests nichtleitend geworden ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Hochvolt-Unterbodenbatterie mit einem übergreifenden Sammelschienenträger, der auch als Busbarcarrier bezeichnet werden kann;
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2 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines doppelten Isolationsfehlers;
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3 schematisch eine teilweise perspektivische Ansicht einer Prüfanordnung zum gleichzeitigen Prüfen von mehreren Batteriezellen;
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4 schematisch eine Aufsicht auf eine Unterseite eines Sicherheits-Sammelschienenträgers;
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5 ein schematisches Schaltbild für ein Anschlussnetzwerk mit unterschiedlichen Arten von Strombegrenzern; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen.
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Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In konventionellen Herstellungsverfahren für Hochvolt-Batterien werden Batteriezellen eines Zellenstapels schrittweise im Rahmen einer Gesamtmontage mittels elektrischer Verbinder (beispielsweise Kabeln oder Sammelschienen SS) verbunden. Dadurch wird eine maximale Klemmenspannung (Gesamtserienspannung), welche während der Montagearbeiten abgreifbar ist, ebenfalls schrittweise erhöht, wodurch sich auch ein Gefährdungspotential schrittweise erhöht. Bisher haben Zellenstapel, welche über einen einzelnen Sammelschienenträger kontaktiert werden, üblicherweise eine Gesamtserienspannung von weniger als 60 V, wodurch eine Personengefährdung (d. h. ein Elektrounfall) weitgehend ausgeschlossen ist.
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Die 1 zeigt eine Hochvolt-Unterbodenbatterie HB mit einem übergreifenden Sammelschienenträger ST und einem Zellenstapel ZS, der in einem Zellenstapelträger ZST (Rahmenkonstruktion) befestigt ist. Der Sammelschienenträger ST wird als übergreifender Sammelschienenträger ST bezeichnet, weil er einen gesamten Zellenstapel ZS übergreift. Die Sammelschienen SS zum Verbinden der Batteriezellen BZ eines Zellenstapels ZS sind in dem Sammelschienenträger ST gehalten (der auch als Busbarcarrier bezeichnet wird). Dadurch muss nicht jede Sammelschiene SS einzeln auf Batteriezellen BZ eines Zellenstapels ZS aufgebracht werden, sondern nur der Sammelschienenträger ST als Ganzes.
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Bei diesem Batteriekonzept wird der gesamte Zellenstapel ZS also nicht schrittweise, sondern in einem Schritt kontaktiert. Mit anderen Worten: alle Batteriezellen BZ eines Zellenstapels ZS werden in einem Arbeitsschritt kontaktiert. Ein Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass sich damit Arbeiten unter Spannung weitestgehend erübrigen.
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Die 2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Zellenstapels ZS, der einen doppelten Isolationsfehler IF aufweist. Wenn zu einem elektrisch leitenden Gehäuse oder Zellenstapelträger ZST zwei Isolationsfehler IF bestehen, entsteht beim Aufbringen des Sammelschienenträgers ST ein Kurzschlussstromkreis SK mit mindestens einer Spannungsquelle (Batteriezelle BZ), das heißt ein Kurzschlussstromkreis SK über das Gehäuse oder den Zellenstapelträger ZST. Je nachdem, an welcher Stelle sich die Isolationsfehler IF befinden, können sich in dem Kurzschlussstromkreis SK viele Spannungsquellen (Batteriezellen BZ) befinden, die in Serie geschaltet sind. Mit der Anzahl der Batteriezellen BZ, die im Kurzschlussstromkreis SK in Serie geschaltet sind, steigt die elektrische Leistung, die im Kurzschlussfall in eine andere Energieform (überwiegend Wärme) umgesetzt wird. Die Folge ist eine erhöhte Brand- und Lichtbogengefahr. Im ungünstigsten Fall weist die erste und die letzte Zelle eines Zellenstapels ZS einen (versorgungs- bzw. lastseitigen) Isolationsfehler IF auf. Dann treibt die volle Gesamtserienspannung Us einen Kurzschlussstrom Id durch den Kurzschlussstromkreis SK. Wenn dabei an einer Unterbrechungs- oder Kontaktstelle ein Lichtbogen entsteht, treibt die volle Gesamtserienspannung Us den Lichtbogen.
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Eine Einzelprüfung der Batteriezellen BZ vor ihrer Montage im Zellenstapel ZS reicht in der Regel nicht aus, um eine Gefährdung durch doppelte Isolationsfehler auszuschließen. Denn manche Isolationsfehler IF entstehen erst infolge des Verpressens eines Zellenstapels ZS oder beim Einsetzen des Zellenstapels ZS in einen Zellenstapelträger ZST (Rahmenkonstruktion). Beispielsweise können beim Verpressen oder beim Einsetzen des Zellstapels Isolationen der Zellgehäuse oder anderer Isolationselemente beschädigt werden. Besonders kritisch ist dies bei mechanisch anfälligen Teilen der Isolierung, beispielsweise Isolierlacken, Isolierbeschichtungen sowie Isolationsfolien. Das Zellgehäuse von Lithium-Ionen-Zellen ist üblicherweise mit Zellanschlüssen verbunden und liegt daher auf Hochvolt-Potential.
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Eine abschließende Überprüfung des Isolationswiderstands muss also erfolgen, nachdem die Batteriezellen BZ bereits in die Rahmenkonstruktion ZST eingebracht wurden.
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Um die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines Brands oder eines Lichtbogens infolge eines doppelten Isolationsfehlers zu minimieren, könnten die kontaktierten Batteriezellen BZ nach ihrer Montage im Zellenstapel ZS zwar einzeln geprüft werden, bevor sie mittels eines Sammelschienenträger ST untereinander verschaltet werden. Dies erfordert eine umfangreiche parallelisierte Prüfeinrichtung, um alle Batteriezellen BZ erfassen zu können, oder eine lange zeit- und somit auch kostenaufwändige Taktzeit der Prüfeinrichtung PV.
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Um eine zeitsparende und kostengünstige Prüfung des Isolationswiderstands aller Batteriezellen BZ zu ermöglichen, werden diese vor der Isolationsprüfung mittels eines übergreifenden Sammelschienenträgers ST zusammengeschaltet und zunächst nur deren gemeinsamer Isolationswiderstand (Gesamtisolationswiderstand) gegenüber dem Zellstapelträger ZST überprüft. Wird ein zu niedriger Wert gemessen, haben eine oder mehrere Batteriezellen BZ einen Isolationsfehler. Eine genauere Eingrenzung des Isolationsfehlers erfolgt über nachfolgende Prüfschritte.
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Ein großer Nachteil des gleichzeitigen Kontaktierens aller Batteriezellen BZ eines Zellenstapels ZS mittels eines übergreifenden Sammelschienenträgers ST in nur einem Arbeitsschritt besteht darin, dass Folgen eines doppelten Isolationsfehlers deutlich schwerwiegender sein können, weil keine schrittweise Vormontage und Zwischenprüfung von Zellenstapeln ZS mehr stattfindet. Wird ein übergreifender Sammelschienenträger ST eingesetzt, muss der Isolationswiderstand aller Batteriezellen BZ auf Batteriezellebene abgesichert sein. Denn bei einem doppelten Isolationsfehler kann bereits die volle Gesamtserienspannung Us im System den Kurzschlussstrom Ik treiben. Es kann somit nicht mehr eine nur eingeschränkte elektrische Gefährdung auf Modulebene unterstellt werden.
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Die 3 zeigt eine Prüfanordnung zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen BZ eines Zellenstapels ZS (als Prüfling), eine erste Messvorrichtung MV1 zur Messung eines Isolationswiderstands sowie ein Anschlussnetzwerk AN mit Anschlussleitungen AL und Kontaktierungselementen KE zur Kontaktierung der Anschlussleitungen AL mit Polen der Batteriezellen BZ.
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Die 4 zeigt eine Ausführungsform, in der das Anschlussnetzwerk AN im Wesentlichen mittels eines übergreifenden Sammelschienenträger ST realisiert ist. Hierbei umfassen die Sammelschienen SS des Sammelschienenträgers ST jeweils einen ersten SS1 und einen zweiten SS2 Sammelschienenteil. Der erste SS1 und der zweite SS2 Sammelschienenteil einer jeden Sammelschiene SS ist mittels eines Strombegrenzers SB elektrisch verbunden.
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Der Strombegrenzer SB ist dazu vorbereitet, einen Kurzschlussstrom Ik durch die jeweilige Sammelschiene SS zu begrenzen oder zu unterbrechen. Der für die Gesamtisolationsprüfung verwendete Sammelschienenträger ST kann ein temporärer Sammelschienenträger ST sein, der nach der Prüfung durch einen Sammelschienenträger ST ohne Strombegrenzer SB ersetzt wird. Grundsätzlich ist aber auch vorstellbar, den Sammelschienenträger ST mit den Strombegrenzern SB im Endprodukt (Batteriemodul) zu belassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sammelschienenträger ST mit den Strombegrenzern SB im Endprodukt zu belassen, wobei die Strombegrenzer SB vor Auslieferung des Endprodukts kurzgeschlossen werden oder deren Strombegrenzungsfunktion deaktiviert wird.
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Der temporäre Sammelschienenträger ST kann als Sicherheits-Sammelschienenträger bezeichnet werden und beispielsweise manuell, von einer Werkzeugmaschine oder von einem Roboter für die Dauer der Messung vorübergehend auf den Zellenstapel ZS aufgelegt beziehungsweise angedrückt werden, oder als robotergeführtes Werkzeug ausgeführt sein.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung des Anschlussnetzwerks AN mit unterschiedlichen Arten von Strombegrenzern SB. Ein erster Strombegrenzer SB1 ist eine Stromregeldiode, eine Konstantstrom-Diode oder eine Stromregeldiode. Eine zweiter Strombegrenzer SB2 ist eine Sicherung SI, beispielsweise eine Schmelzsicherung. Ein dritter Strombegrenzer SB3 ist ein Serienwiderstand Rs.
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Ein vierter Strombegrenzer SB4 ist ein Leistungs-MOSFET vom Verarmungstyp, dessen Gate(-Anschluss) mit dessen Source(-Anschluss) kurzgeschlossen ist, oder ein JFET, dessen Gate(-Anschluss) mit dessen Source(-Anschluss) kurzgeschlossen ist. Die Verwendung eines Leistungs-MOSFET vom Verarmungstyp oder eines JFET, dessen Gate(-Anschluss) mit dessen Source(-Anschluss) kurzgeschlossen ist, hat den Vorteil, dass der Strombegrenzer SB durch Ansprechen auf einen Kurzschlussstrom Ik nicht irreversibel zerstört wird und ausgetauscht werden muss, sondern unverändert weiterverwendet werden kann. Bei Bedarf (zum Beispiel beim Verbleib im Endprodukt) kann die Strombegrenzungsfunktion mittels einer anderen Beschaltung des Gate-Anschlusses des MOSFET oder des JFET (beispielsweise durch Trennung des Gate-Anschlusses vom Source-Anschluss) deaktiviert werden.
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Jedem der Strombegrenzer SB1, SB2, SB3, SB4 (insbesondere der Sicherung SI) kann ein Parallelwiderstand Rp parallelgeschaltet sein. Ein solcher Parallelwiderstand Rp mit einem Widerstandswert, der einen Kurzschlussstrom Ik stark begrenzt, ermöglicht es, eine grobe Überprüfung des Gesamtisolationswiderstands (also aller Batteriezellen BZ) auch dann noch durchzuführen, wenn die Sicherung SI aufgrund eines Kurzschlussstroms Ik oder aufgrund eines Bauteilefehlers nichtleitend (geworden) ist.
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Mittels einer zweiten Messvorrichtung MV2, die einem Strombegrenzer SB parallelgeschaltet ist, kann das Auftreten eines Kurzschlussstroms Ik durch den Strombegrenzer SB und/oder das Auslösen der Sicherung SI erkannt werden.
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Es kann auch zweckmäßig sein, einen Strombegrenzer SB aus einer Serienschaltung von zwei unterschiedlichen Strombegrenzern SB1, SB2, SB3, SB4 zu bilden. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Kurzschlussstrom Ik bei einem Überschreiten eines ersten Schwellenwerts zunächst nur auf eine Stromstärke begrenzt wird, die noch zulässig ist. Sobald der Kurzschlussstrom Ik beispielsweise aufgrund eines Defekts des ersten SB1, SB4 der beiden unmittelbar in Serie geschalteten Strombegrenzer wider Erwarten dann doch noch einen höheren zweiten Schwellenwert überschreitet, kann dann der zweite Strombegrenzer SB2 den Kurzschlussstrom in irreversibler Weise vollständig unterbrechen.
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Das in 6 gezeigte Verfahren 100 zum gleichzeitigen Prüfen mehrerer Batteriezellen BZ umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird ein erfindungsgemäßes Anschlussnetzwerk AN mit mehreren gleichzeitig zu prüfenden Batteriezellen BZ getestet. In einem zweiten Schritt 120 wird ein Leckstrom IL, eine Serienspannung Us, ein Durchgangsstrom ID und/oder ein anderer Batterieparameter mittels einer ersten Messvorrichtung MV1 erfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011103359 U1 [0004]