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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, welcher eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter, in einem Batteriegehäuse angeordneter und zu einem Zellblock zusammengefasster Einzelzellen sowie eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Energiespeicher und ein Verfahren zum Betrieb des Energiespeichers.
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Batterien für Fahrzeuganwendungen, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges, oder für Stationäranwendungen, wie Stromversorger oder Stromspeicher, bestehen aus einer Anzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen. Innerhalb der Batterie sind die Einzelzellen zu Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen und deren Vorrichtungen zur mechanischen Fixierung, Kontaktierung und Temperierung umfassen. Der Zellblock oder die Zellblöcke sind in einem Batteriegehäuse angeordnet, welches wiederum Vorrichtungen, insbesondere zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie sowie Anschlusselemente zur Stromentnahme und Stromeinleitung sowie zur Kühlmittelzu- und -abführung, aufweist. Zur Abführung einer beim Laden und Entladen der Einzelzelle entstehenden Verlustleistung werden die Einzelzellen in der Regel gekühlt. Eine ideale Betriebstemperatur der Einzelzellen liegt im Allgemeinen unterhalb einer Umgebungstemperatur des Fahrzeuges, wobei zur Temperierung der Einzelzellen Wärmepumpen sowie eine Kältemaschine eingesetzt werden. Bei Fahrzeugen mit einer Klimaanlage wird die Kühlung der Batterie im Allgemeinen mittels der Klimaanlage durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Kühlung der Einzelzellen mittels eines Peltierelementes, welches direkt an der Batterie angeordnet ist und mittels Strom aufgenommene Wärme an eine Umgebung abgibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Energiespeicher, ein verbessertes Fahrzeug mit einem solchen Energiespeicher und ein Verfahren zum Betrieb des Energiespeichers anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des elektrischen Energiespeichers durch die in Anspruch 1, hinsichtlich des Fahrzeuges durch die in Anspruch 8 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrischer Energiespeicher umfasst eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter, in einem Batteriegehäuse angeordneter und zu einem Zellblock zusammengefasster Einzelzellen sowie eine Temperiervorrichtung zur Temperierung der Einzelzellen. Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung zumindest ein Peltierelement mit einer an einer ersten Seite angeordneten Wärmesenke und zumindest einer zur Temperierung vorgesehenen zweiten Seite, wobei zumindest im Bereich der ersten Seite und im Bereich der zweiten Seite jeweils zumindest eine thermische Erfassungseinheit angeordnet ist, wobei in Abhängigkeit erfasster Temperatursignale der thermischen Erfassungseinheiten das zumindest eine Peltierelement mittels einer Steuereinheit derart ansteuerbar und/oder regelbar ist, dass die Einzelzellen kühlbar oder erwärmbar sind oder das Peltierelement abschaltbar ist.
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Mittels der thermischen Erfassungseinheiten und der Steuereinheit, mittels welcher das zumindest eine Peltierelement regelbar und/oder ansteuerbar ist, ist eine weitestgehend autarke Temperiervorrichtung des elektrischen Energiespeichers gebildet, mittels welcher zumindest die Einzelzellen gesteuert kühlbar sind.
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Mittels der thermischen Erfassungseinheiten ist es im Wesentlichen möglich, dass sich das jeweilige Peltierelement hinsichtlich vorherrschender Temperaturen weitestgehend selbst überwacht.
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In einer Ausbildung des Energiespeichers ist die Steuereinheit integraler Bestandteil der Temperiervorrichtung, wobei in der Steuereinheit ein Temperaturkennfeld hinterlegt ist, wobei die Steuereinheit eine Bestromung des zumindest einen Peltierelementes steuert und/oder regelt, wodurch eine bedarfsabhängige Temperierung der Einzelzellen aktivierbar und deaktivierbar ist.
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Dadurch, dass die Steuereinheit integraler Bestandteil der Temperiervorrichtung ist, ist diese autark betreibbar, so dass die Steuerung und/oder Regelung der Temperierung der Einzelzellen beispielsweise unabhängig von Vorgaben eines Fahrzeugsteuergerätes erfolgen kann, so dass auch ein Notbetrieb der Temperiervorrichtung möglich ist, wenn ein Bordnetz des Fahrzeuges unterbrochen ist.
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In einer weiteren Ausbildung ist mittels der Bestromung ein Temperaturwert zur Temperierung der Einzelzellen vorgebbar, so dass diese effizient temperierbar sind und eine Zeitdauer bis zum Erreichen eines optimalen Temperaturbereiches abschätzbar und/oder vorgebbar ist.
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Das zumindest eine Peltierelement ist bei Nichterreichen eines vorgegebenen Temperaturwertes automatisch in einen Notbetrieb versetzbar oder abschaltbar, so dass die jeweilige Einzelzelle nicht außerhalb eines verhältnismäßig sicheren Zellbetriebsfensters kühlbar oder erwärmbar ist.
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Eine Weiterbildung des elektrischen Energiespeichers sieht vor, dass das zumindest eine Peltierelement mit zumindest einer Temperierplatte thermisch gekoppelt ist. Die Temperierplatte ist bevorzugt zwischen dem zumindest einen Peltierelement und den Einzelzellen angeordnet, so dass eine optimierte Temperierung der Einzelzellen mittels der zumindest einen Temperierplatte und dem zumindest einen Peltierelement möglich ist.
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In einer möglichen Ausführungsform ist zumindest ein Kaltleiter im Stromkreis des zumindest einen Peltierelementes zur Begrenzung einer Bestromung desselben angeordnet. Mittels des Kaltleiters, welcher auch unter der Bezeichnung PTC-Widerstand oder PTC-Thermistor bekannt ist, ist insbesondere eine Absicherung gegenüber einer Überhitzung der zumindest einen Temperierplatte gegeben und eine dadurch bedingte Gefährdung der Einzelzellen kann im Wesentlichen ausgeschlossen werden.
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Zum Betrieb der Steuereinheit ist diese mit einer außerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Spannungsquelle gekoppelt, wobei die Steuereinheit eine Signalschnittstelle zur Kopplung mit einer außerhalb der Temperiervorrichtung angeordneten weiteren Steuereinheit umfasst.
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Die Spannungsquelle ist beispielsweise unmittelbar an dem zu temperierenden Energiespeicher oder auch in einer Peripherie eines Fahrzeuges angeordnet, sofern es sich bei dem Energiespeicher um eine Fahrzeugbatterie handelt. Ist der Energiespeicher stationär angeordnet, so ist dieser mit einer stationären Spannungsquelle verbunden.
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Die Energieversorgung erfolgt also mittels einer außerhalb des Batteriegehäuses angeordneten Spannungsquelle, so dass eine Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Energiespeicher in einer Gefährdungssituation unterbrochen werden kann. Durch die externe Anordnung der Spannungsquelle ist es nicht erforderlich, das Batteriegehäuse zu öffnen, um einen Stromfluss zumindest zwischen der Spannungsquelle und der Steuereinheit zu unterbrechen.
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Zudem ist die Steuereinheit dadurch, dass diese die Signalschnittstelle zur Kopplung mit der weiteren Steuereinheit umfasst, von außerhalb der Temperiervorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung sowie zur Diagnose dieser ansteuerbar. Die Temperiervorrichtung ist somit alternativ oder zusätzlich von extern ansteuerbar.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Energiespeicher, wobei die Temperiervorrichtung desselben im Wesentlichen eine autarke, sich selbst überwachende Einheit darstellt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen elektrischen Energiespeichers, dessen Temperiervorrichtung zumindest ein Peltierelement mit einer an einer ersten Seite angeordneten Wärmesenke und zumindest einer zur Temperierung vorgesehenen zweiten Seite umfasst, wobei zumindest im Bereich der ersten Seite und im Bereich der zweiten Seite jeweils zumindest eine thermische Erfassungseinheit angeordnet ist, wobei in Abhängigkeit erfasster Temperatursignale der thermischen Erfassungseinheiten das zumindest eine Peltierelement mittels einer Steuereinheit derart angesteuert wird und/oder geregelt wird, dass die Einzelzellen gekühlt oder erwärmt oder das Peltierelement abgeschaltet wird.
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In einer Ausführung des Verfahrens wird eine Bestromung des zumindest einen Peltierelementes gesteuert und/oder geregelt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Temperiervorrichtung und
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2 schematisch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Strombegrenzung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Energiespeichers 1 in Form einer Batterie mit einem mit gestrichelter Linie dargestellten Batteriegehäuse 2, in welchem ein Zellblock 3 mit einer Anzahl nicht näher dargestellter, elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen als eine mit einer Temperiervorrichtung 4 zu temperierende Einheit angeordnet ist.
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Die Temperiervorrichtung 4 umfasst zwei Peltierelemente 5, eine Steuereinheit 6, thermische Erfassungseinheiten 7, 8, 9 eine Wärmesenke 10, eine erste Temperierplatte 11, einen Anschluss 12 für eine Spannungsquelle, einen Signal-Anschluss 13 und einen mittels einer zweiten Temperierplatte 14 gebildeten Temperierbereich.
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Die Temperiervorrichtung 4 ist plattenförmig ausgeführt und weist einen mittels der ersten Temperierplatte 11 gebildeten Wärmesenkbereich auf, der thermisch an die Wärmesenke 10 gekoppelt ist.
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Der mittels der zweiten Temperierplatte 14 gebildete Temperierbereich der Temperiervorrichtung 4 ist thermisch direkt an den Zellblock 3 gekoppelt. Alternativ dazu kann die thermische Kopplung auch indirekt erfolgen, wobei z. B. ein Wärmeleitelement in Form einer Wärmeleitfolie zwischen der zweiten Temperierplatte 14 und dem Zellblock 3 als zu temperierende Einheit angeordnet sein kann.
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Zwischen der ersten Temperierplatte 11 und der zweiten Temperierplatte 14 sind die zwei Peltierelemente 5 als eine Peltiereinheit angeordnet. Die Anzahl der Peltierelemente 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit der Anzahl der Einzelzellen und/oder anderer geeigneter Parameter variieren.
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Die Peltierelemente 5 sind mit der Steuereinheit 6 verbunden, mittels welcher eine Temperatur der Temperiervorrichtung 4 regelbar und/oder steuerbar ist, wobei mittels der Steuereinheit 6 eine Bestromung der Peltierelemente 5 und eine anliegende Spannung an denselben einstellbar ist.
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Die Versorgung der Steuereinheit 6 mit elektrischer Energie erfolgt über den Anschluss 12 mit der Spannungsquelle, die entweder unmittelbar an dem zu kühlenden Energiespeicher 1 oder auch in einer Fahrzeug-Peripherie oder bei einer stationären Lösung in einer stationären versorgungsquelle zu finden ist.
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Zudem umfasst die Temperiervorrichtung 4 die thermischen Erfassungseinheiten 7, 8, 9 deren Messprinzipien auf unterschiedlichen physikalischen Verfahren basieren können.
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Eine erste thermische Erfassungseinheit 7 ist im Bereich der ersten Temperierplatte 11 angeordnet und eine zweite thermische Erfassungseinheit 8 ist im Bereich der zweiten Temperierplatte 14 angeordnet. Eine dritte thermische Erfassungseinheit 9 ist mittig an einem der Peltierelemente 5 angeordnet.
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Die thermischen Erfassungseinheiten 7 bis 9 erfassen insbesondere im Betrieb des Energiespeichers 1 fortlaufend Temperaturwerte in den entsprechender Bereichen ihrer Anordnung.
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Die erfassten Signale sind der Steuereinheit 6 zur Auswertung und Verarbeitung zuführbar, wobei in Abhängigkeit ermittelter Temperaturwerte und/oder Temperaturdifferenzen eine Bestromung der Peltierelemente 5 durch die Steuereinheit 6 einstellbar ist.
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Darauf basierend ist ein Temperaturwert der beiden Temperierplatten 11, 14 vorgebbar.
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Ist ein der jeweiligen Temperierplatte 11, 14 vorgegebener Temperaturwert, welcher entweder anhand eines hinterlegten Kennfeldes, anhand hinterlegter Kennlinien und/oder anhand hinterlegter Kennpunkte in der Steuereinheit 6, z. B. einem Prozessor und/oder einer analogen Verschaltung mittels eines Analoganschlusses, und/oder auch mittels Daten eines Datenbus über den Signal-Anschluss 13 ermittelbar ist, nicht erreicht, werden die Peltierelemente 5 mittels der Steuereinheit 6 angesteuert.
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In einer Alternative kann über den Signal-Anschluss 13 auch ein digitales Signal, insbesondere über einen Datenbus, oder ein analoges Spannungssignal zur Vorgabe eines Temperierwunsches eingelesen werden.
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Dabei sind die Peltierelemente 5 derart ansteuerbar, dass diese automatisch in einen Notbetrieb versetzbar sind oder automatisch abschaltbar sind.
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Unter dem Notbetrieb kann insbesondere eine in Bezug auf den Zellblock 3 sichere Heiz- oder Kühlfunktion verstanden werden. Somit ist der Zellblock 3 nicht außerhalb eines verhältnismäßig sicheren Zellbetriebsfensters in Bezug auf Temperaturwerte kühlbar oder erwärmbar.
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Die Peltierelemente 5 überwachen sich somit weitestgehend selbst anhand der erfassten Signale der thermischen Erfassungseinheiten 7, 8, 9 im Bereich der ersten Temperierplatte 11, im Bereich der zweiten Temperierplatte 14 und im Bereich einer Mitte zumindest eines Peltierelementes 5.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Zellblock 3 kann es sich auch um eine andere zu temperierende Einheit, beispielsweise einen Gleichspannungswandler und/oder eine Leistungselektronik, handeln.
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An externen Schnittstellen der Temperiervorrichtung 4 ist somit nur eine Energieversorgung der Peltierelemente 5 und der Steuereinheit 6 erforderlich, wobei hierzu der Anschluss 12 für die Spannungsquelle vorgesehen ist.
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Zudem umfasst die Temperiervorrichtung 4 den Signal-Anschluss 13, wobei zusätzlich oder alternativ ein Analoganschluss, wie oben beschrieben, vorgesehen sein kann.
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In einem mittels der Temperiervorrichtung 4 im Wesentlichen realisierbaren autarken Betrieb weisen die Temperierplatten 11, 14 und somit der Zellblock 3, insbesondere im Betrieb des Energiespeichers 1, weitestgehend fortlaufende Temperaturwerte innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls auf.
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Ist beispielsweise anhand der erfassten Signale der thermischen Erfassungseinheiten 7, 8, 9 ermittelt, dass ein höherer Kühlbedarf in dem an den Zellblock 3 angrenzenden Temperierbereich erforderlich ist, erhöht sich der Temperaturwert in dem Temperierbereich. Als Reaktion auf den höheren Kühlbedarf wird der Strom an den Peltierelementen 5 erhöht, wodurch sich eine Kühlwirkung erhöht, um den Temperierbereich, d. h. die zweite Temperierplatte 14, auf eine gewünschte Solltemperatur zu kühlen.
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Eine unmittelbare Rückkopplung aus dem Zellblock 3 als zu temperierende Einheit ist dabei nicht zwangsläufig vorgesehen, kann jedoch optional über den Analoganschluss und/oder den Signal-Anschluss 13 bereitgestellt werden.
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Eine solche Temperiervorrichtung 4 ist bei einer entsprechend ausgeführten Signalverarbeitungsleistung beispielsweise auch diagnosefähig und somit mittels eines Diagnosesystems, insbesondere eines Fahrzeugdiagnosesystems, auslesbar.
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In 2 ist eine Schnittdarstellung eines Energiespeichers 1 dargestellt, wobei zur Absicherung gegenüber einer Überhitzung zumindest der zweiten Temperierplatte 14 und einer dadurch bedingten Gefährdung der Einzelzelle ein Strom zum Betrieb der Peltierelemente 5 vorgesehen ist.
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Hierzu sind in einem Stromkreis 15 der Peltierelemente 5 zwei Kaltleiter 16 angeordnet, die auch unter der Bezeichnung PTC-Widerstände oder PTC-Thermistoren bekannt sind, wobei unter PTC Positive Temperature Coefficient zu verstehen ist.
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Bei einem solchen Kaltleiter 16 handelt es sich um ein Element aus einem stromleitenden Material, wobei sich ein elektrischer Widerstand bei zunehmender Temperatur vergrößert.
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Die Kaltleiter 16 sind als intern erwärmte Strombegrenzer einsetzbar. In dieser Ausführungsform erwärmt sich der Kaltleiter 16 entsprechend einer Stromstärke und einem Leitungswiderstand durch einen Ohmschen Verlust selbst. Der Widerstand wird umso hochohmiger je mehr sich der Kaltleiter 16 erwärmt. Dadurch ist ein Strom begrenzbar, wodurch ein Temperiervermögen der Peltierelemente 5 verringert wird.
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Alternativ zur Strombegrenzung sind die Peltierelemente 5 bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturwertes abschaltbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der jeweilige Kaltleiter 16 als extern erwärmbares Schutzelement ausgeführt. Dabei kann der Kaltleiter 16 mittels der im Bereich der Wärmesenke 10 und/oder im an den Zellblock 3 angrenzenden Temperierbereich eingetragenen Temperatur verhältnismäßig hochohmig werden, wodurch der Stromfluss zu den Peltierelementen 5 begrenzbar ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Kaltleiter 16 als Antwort auf eine Fehlerreaktion im zu kühlenden Bauteil, d. h. den Zellblock 3, reagieren und nicht gesteuert einen Strom ändern, ohne ein Ergebnis zu berücksichtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicher
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Zellblock
- 4
- Temperiervorrichtung
- 5
- Peltierelement
- 6
- Steuereinheit
- 7
- erste thermische Erfassungseinheit
- 8
- zweite thermische Erfassungseinheit
- 9
- dritte thermische Erfassungseinheit
- 10
- Wärmesenke
- 11
- erste Temperierplatte
- 12
- Anschluss
- 13
- Signal-Anschluss
- 14
- zweite Temperierplatte
- 15
- Stromkreis
- 16
- Kaltleiter
