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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für einen Elektromotor mit einer modular aufgebauten Energiequelle und mit mindestens einer mechanischen Schaltvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schalten einer modular aufgebauten Energiequelle für einen Elektromotor mit einer Energiespeichervorrichtung.
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Ein elektrischer Antrieb für ein Fahrzeug weist üblicherweise einen Elektromotor auf, welcher über eine Leistungselektronik gesteuert wird. Diese Elektronik bezieht ihre Energie für den anzusteuernden Elektromotor aus einer Energiespeichervorrichtung.
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Üblicherweise weist eine Energiespeichervorrichtung für einen Elektromotor modular aufgebaute Energiequellen auf. Dabei umfassen die Energiequellen eine Vielzahl von Batteriezellen, die seriell aber auch parallel verschaltbar sind. Um eine serielle oder parallele Schaltung zu realisieren, werden Leistungsschalter, wie zum Beispiel MOSFET, IGBT oder Relais verwendet. Alle vorgenannten Leistungsschalter werden von einer Steuerung bzw. einer Leistungselektronik jeweils einzeln angesteuert und in einen bestimmten Zustand verschaltet. Bei dem Zustand kann in sich beispielsweise um einen seriellen oder um einen parallelen Zustand handeln.
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Um jedoch ein präzises Schalten von Leistungsschaltern zu ermöglichen, ist es notwendig, dass die Leistungselektronik jeden einzelnen Leistungsschalter einer Energiespeichervorrichtung bzw. einer modular aufgebauten Energiequelle bzw. einer Batteriezelle einzeln ansteuern kann. Auf diese Weise erhöht sich der Komplexitätsgrad der Leistungselektronik.
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Mit steigender Komplexität sowohl der Leistungselektronik als auch der Anzahl der Batteriezellen in einer modular aufgebauten Energiequelle erhöht sich die Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner Batteriezellen und somit der Energiespeichervorrichtung. Selbstverständlich nimmt auch bei steigender Komplexität die Anzahl von fehlerhaft funktionierenden Leistungsschaltern zu, wodurch zusätzlich der Gesamtwirkungsgrad der Energiespeichervorrichtung leidet.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung für einen Elektromotor sowie ein Verfahren zum Schalten einer modular aufgebauten Energiequelle für einen Elektromotor anzugeben, bei der selbst bei steigendem Komplexitätsgrad hinsichtlich der Anzahl von Batteriezellen eine einfach aufgebaute Schaltung vorgesehen ist, die einzelne oder gleichzeitig mehrere Batteriezellen von einem Zustand in einen anderen überführen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Energiespeichervorrichtung für einen Elektromotor eine modular aufgebaute Energiequelle.
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Vorteilhafterweise weist die modular aufgebaute Energiequelle mindestens zwei Batteriezellen auf. Durch eine beliebige Anzahl von Batteriezellen kann also ein Modul für eine Energiequelle aufgebaut werden.
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Günstigerweise weist jede Batteriezelle mindestens zwei Schaltpositionen auf. Somit kann eine Batteriezelle beispielsweise in die Schaltposition parallel oder seriell geschaltet werden.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn die Energiespeichervorrichtung mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung aufweist. Günstigerweise ist die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung der mindestens einen Schaltvorrichtung gleichzeitig die mindestens zwei Batteriezellen in eine erste oder zweite Schaltposition schaltbar sind. Somit können also die mindestens zwei Batteriezellen zeitgleich von der ersten bzw. zweiten Schaltposition in die zweite bzw. erste Schaltposition geschaltet bzw. geführt werden.
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Auch ist es günstig, wenn die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in einer zweiten Stellung der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung jede der mindestens zwei Batteriezellen separat auswählbar ist, um eine der mindestens zwei Batteriezellen in die erste oder zweite Schaltposition zu schalten. Somit kann also eine einzelne Batteriezelle einer modular aufgebauten Energiequelle bzw. eines Moduls einer Energiespeichervorrichtung gezielt in eine Schaltposition geführt bzw. geschaltet werden.
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Vorzugsweise weist jede Batteriezelle eine dritte Schaltposition auf, in welcher eine einzelne Batteriezelle deaktivierbar bzw. abschaltbar ist. Somit kann zum Beispiel eine defekte Batteriezelle deaktiviert werden, wenn sie in die dritte Schaltposition geführt wird bzw. geschaltet wird.
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Günstigerweise ist die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung der mindestens einen Schaltvorrichtung gleichzeitig die mindestens zwei Batteriezellen in eine erste oder zweite oder dritte Schaltposition schaltbar sind. Dies erlaubt es die mindestens zwei Batteriezellen zur gleichen Zeit von einer Schaltposition in eine weitere zu führen.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in der zweiten Stellung der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung jede der mindestens zwei Batteriezellen separat auswählbar ist, um eine der mindestens zwei Batteriezellen vorzugsweise in die erste oder zweite oder dritte Schaltposition zu schalten. Auf diese Weise kann nun mittels der mechanischen Schaltvorrichtung jede Batteriezelle einzeln in drei Schaltpositionen bzw. in drei Schaltzustände geschaltet bzw. geführt werden.
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Auch ist es günstig, wenn jede Batteriezelle in der zweiten Schaltposition messbar und/oder ladbar ist. Auf diese Weise können einzelne Batteriezellen geladen werden, wodurch die Effizienz bei der Ladung erhöht wird. Des Weiteren kann eine einzelne Batteriezelle auf diese Weise gemessen werden, sodass beispielsweise deren Ladezustand und/oder Alterungszustand erfassbar ist. So kann zum Beispiel bei einer mangelhaften Leistung der gemessenen Batteriezelle, trotz ausreichender Aufladezeit, diese in die dritte Schaltposition geführt werden, um die gemessene Batteriezelle zu deaktivieren.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn jede der mindestens zwei Batteriezellen mindestens einen Schalter aufweist. Mithilfe dieses Schalters sind die einzelnen Schaltpositionen bzw. Schaltzustände einer Batteriezelle einfach realisierbar.
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Vorzugsweise weist der mindestens eine Schalter die mindestens zwei Schaltpositionen, insbesondere eine erste und/oder eine zweite und/oder eine dritte Schaltposition, auf. Dementsprechend kann mit dem mindestens einen Schalter auf einfache Weise eine oder zwei bzw. mehrere Schaltpositionen realisiert werden.
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Günstigerweise weist jede Batteriezelle einen Eingang und einen Ausgang auf. Dabei ist vorzugsweise am Eingang und/oder am Ausgang einer Batteriezelle der mindestens eine Schalter angeordnet. Dementsprechend ist es also möglich, eine Batteriezelle mittels eines Schalters am Eingang und mittels eines Schalters am Ausgang in verschiedene Schaltpositionen zu schalten bzw. zu führen.
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Auch ist es günstig, wenn die Schalter am Eingang und/oder am Ausgang von je einer mechanischen Schaltvorrichtung geschaltet werden. Auf diese Weise ist es also möglich, beispielsweise einen oder mehrere Schalter am Eingang, aber auch einen oder mehrere Schalter am Ausgang, einer oder mehrerer Batteriezellen zu schalten.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung einen ersten Stellbereich für die erste Stellung aufweist, mit dem die Schalter der mindestens zwei Batteriezellen wählbar und schaltbar sind. Folglich kann die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung mithilfe des ersten Stellbereichs eine Vielzahl von Schaltern von Batteriezellen wählen und schalten.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung einen zweiten Stellbereich für die zweite Stellung aufweist, mit dem ein einziger Schalter der mindestens zwei Batteriezellen wählbar und schaltbar ist. Demzufolge ist es der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung möglich, einen einzigen Schalter einer Vielzahl von Schaltern mittels des zweiten Stellbereichs auszuwählen und den ausgewählten Schalter beispielsweise in die zweite Schaltposition zu schalten.
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Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite Stellbereich der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung verfahrbar ausgebildet. Günstigerweise ist der Stellbereich entlang einer vorgegebenen Richtung verfahrbar ausgebildet. Bevorzugterweise sind die Stellbereiche aneinander angeordnet, insbesondere miteinander verbunden. Somit kann also der erste und/oder zweite Stellbereich verfahren werden, wodurch das Auswählen oder Schalten einer oder mehrerer Batteriezellen auf einfache Weise ermöglicht wird.
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Im vorteilhaften Fall, dass die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung einen Stellbereich aufweist, kann die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung beispielsweise in den Zustand der ersten Stellung versetzt werden, indem vorzugsweise der erste Stellbereich derart verfahren wird, dass dieser Batteriezellen wählen und schalten kann. Dies gilt günstigerweise für den Zustand der zweiten Stellung und den korrespondierenden zweiten Stellbereich analog. Folglich kann die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung im Zustand der ersten oder zweiten Stellung mehrere oder eine Batteriezelle wählen und schalten.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung ein Stellelement aufweist. Vorzugsweise ist das Stellelement ausgebildet, den ersten oder zweiten Stellbereich derart an den mindestens einen Schalter führen, dass ein Schalten des mindestens einen Schalters in eine erste und/oder zweite und/oder dritte Schaltposition erst ermöglicht wird.
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Anders ausgedrückt, dient das Stellelement beispielsweise dazu, den zweiten Stellbereich in der zweiten Stellung der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung derart in Position zu bringen, dass nach dem Wählen bzw. Auswählen einer oder mehrerer Batteriezellen deren Schalter in eine Schaltposition geschaltet werden kann. Nochmals mit anderen Worten ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung ein Stellelement zum Lösen und zum Verbinden des ersten oder zweiten Stellbereichs mit mindestens einem Schalter der mindestens zwei Batteriezellen und zum Schalten des mindestens einen Schalters in eine erste und/oder zweite und/oder dritte Schaltposition aufweist. Nachdem also zum Beispiel mindestens ein Schalter gewählt wurde, kann nun mithilfe des Stellelements der mindestens eine Schalter in eine Position geführt werden, die ein Schalten des mindestens einen Schalters in eine Schaltposition gestattet.
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Auch ist es günstig, wenn der erste und/oder zweite Stellbereich der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung mindestens ein Positionierelement aufweist. Vorzugsweise ist das Positionierelement geeignet, den mindestens einen Schalter zu kontaktieren und in eine Schaltposition zu führen. Vorzugsweise weist das mindestens eine Positionierelement zwei Greifelemente auf, zwischen denen der mindestens eine Schalter anordenbar ist. Anders ausgedrückt dient das mindestens eine Positionierelement mit seinen Greifelementen dem Bewegen des mindestens einen Schalters in eine Schaltposition. Somit ist es also mit dem mindestens einen Positionierelement möglich, angeordnet in bzw. an einem Stellbereich, einen Schalter in eine Schaltposition durch Verfahren des Stellbereichs zu schalten bzw. zu führen. Nachdem beispielsweise das mindestens eine Positionierelement mindestens einem Schalter zugeordnet bzw. mithilfe des Positionierelements ein Schalter zum Schalten gewählt wurde, kann nun mithilfe des Stellelements das mindestens eine Positionierelement so in Position gebracht werden, dass im Anschluss danach der mindestens eine Schalter in eine Schaltposition geführt bzw. geschaltet werden kann.
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Günstigerweise weist die mindestens eine Schaltvorrichtung eine Schiene, insbesondere eine Zahnstange, oder einen Riemen, insbesondere einen Zahnriemen, auf. Somit ist also das mindestens eine Positionierelement einfach verfahrbar ausgebildet.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Positionierelement am Zahnriemen oder an der Zahnstange angeordnet ist. Günstigerweise ist das mindestens eine Positionierelement außenseitig am Zahnriemen oder an der Zahnstange angeordnet. Dadurch kann durch Bewegung des Zahnriemens bzw. der Zahnstange das mindestens eine Positionierelement mit bewegt und folglich entsprechend einem Schalter positioniert werden.
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Auch ist es günstig, wenn das Stellelement den ersten oder zweiten Stellbereich auf der Schiene oder auf dem Riemen quer zu dessen Erstreckungs- bzw. Verfahrrichtung auslenkt. Denn dadurch kann der mindestens eine Schalter der mindestens zwei Batteriezellen mit dem ersten oder zweiten Stellbereich verbunden werden. Dadurch ist der mindestens eine Schalter mithilfe des mindestens einen Positionierelements in eine Schaltposition verfahrbar bzw. schaltbar.
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Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite Stellbereich der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung als ein Abschnitt auf der Schiene oder dem Riemen ausgebildet. Somit handelt es sich also vorzugsweise bei dem Stellbereich um einen ausgewählten Abschnitt einer Schiene oder eines Riemens, der günstigerweise mindestens ein Positionierelement aufweist.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die mindestens eine mechanische Schaltvorrichtung mindestens einen Aktor aufweist. Mit diesem ist es vorzugsweise möglich, dass der erste und zweite Stellbereich verfahrbar und/oder im Wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung auslenkbar ist. Somit kann also mithilfe des Aktors der Schaltvorrichtung mindestens ein Schalter ausgewählt und in eine Schaltposition geschaltet werden sowie mindestens ein Positionierelement in Eingriff zu mindestens einem Schalter gebracht werden. Durch Auslenkung eines Stellbereichs der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung ist, ist der mindestens eine Schalter bereit in eine Schaltposition geschaltet zu werden.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Schalter, insbesondere für die dritte Schaltposition einer Batteriezelle, einen Kugelschreibermechanismus aufweist. Mittels eines Kugelschreibermechanismus kann die Länge des mindestens einen Schalters verändert werden.
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Vorzugsweise ist der Kugelschreibermechanismus mittels der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung aktivierbar. Somit kann die mindestens eine Schaltvorrichtung also mindestens einen Schalter in eine dritte Schaltposition führen.
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Bevorzugterweise ist der Kugelschreibermechanismus derart ausgebildet, dass eine Druckeinwirkung auf den mindestens einen Schalter eine Verkürzung der Länge des mindestens einen Schalters bewirkt. Auf diese Weise ist vorzugsweise der mindestens eine Schalter mit dem Kugelschreibermechanismus nicht mehr in eine andere Schaltposition schaltbar.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn der Kugelschreibermechanismus dadurch aktiviert wird, indem die mindestens eine Schaltvorrichtung, insbesondere das Stellelement, von mindestens einem Aktor im Wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung ausgelenkt wird. Dementsprechend unterscheidet sich vorzugsweise die dritte Schaltposition von der ersten und/oder zweiten Schaltposition dadurch, dass die erste und zweite Schaltposition durch Verschieben des mindestens einen Schalters in eine Richtung, insbesondere in Verfahrrichtung, bewirkt wird, wohingegen die dritte Schaltposition dadurch eingestellt werden kann, indem der Kugelschreibermechanismus aktiviert wird. Diese Aktivierung erfolgt durch eine Bewegung des Stellbereichs, die im Wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung des Stellbereichs orientiert ist.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn die modular aufgebaute Spannungsquelle in einem ersten Modul die mindestens zwei Batteriezellen und in einem zweiten Modul ebenfalls mindestens zwei Batteriezellen aufweist. Dementsprechend weist nun die Vorrichtung zwei Module mit jeweils mindestens zwei Batteriezellen auf.
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Auch ist es günstig, wenn wenigstens eine Batteriezelle des ersten Moduls mit wenigstens einer Batteriezelle des zweiten Moduls verschaltbar ist. Auf diese Weise können also einzelne Batteriezellen von verschiedenen Modulen miteinander zusammengeschaltet bzw. auf eine bestimmte Art verschaltet werden.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die wenigstens eine Batteriezelle des ersten Moduls mit der wenigstens einen Batteriezelle des zweiten Moduls in der ersten Schaltposition seriell und in der zweiten Schaltposition parallel verschaltbar ist. Dementsprechend können auf diese Weise Eigenschaften wie Spannung, Stromstärke und Widerstand der gesamten Energiespeichervorrichtung, einfach verändert bzw. eingestellt werden.
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Vorzugsweise ist in der dritten Schaltposition eine Batteriezelle des ersten oder zweiten Moduls deaktivierbar. Somit kann also zum Beispiel eine defekte Batteriezelle deaktiviert werden, sodass diese keine negativen Auswirkungen auf zum Beispiel Spannung, Stromstärke und/oder Widerstand der zusammengeschalteten Batteriezellen bzw. der Energiespeichervorrichtung aufweist.
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Bevorzugterweise weist die Energiespeichervorrichtung eine Wählvorrichtung auf, mit der das erste und/oder zweite Modul zur elektrischen Kontaktierung auswählbar ist. Folglich kann nun neben der Auswahl einzelner Batteriezellen innerhalb eines Moduls auch ein einzelnes Modul aus einer Vielzahl von Modulen ausgewählt und elektrisch kontaktiert werden.
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Vorzugsweise weist die Wählvorrichtung ein Betätigungselement auf, welches an ein Modul der Energiespeichervorrichtung zur elektrischen Kontaktierung an- und/oder abkoppelbar ist. Somit kann also mithilfe des Betätigungselements ein Modul elektrisch kontaktiert bzw. angekoppelt, aber auch abgekoppelt werden.
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Vorzugsweise ist das Betätigungselement entlang seiner Längsachse verschiebbar und/oder um seine Längsachse verdrehbar und/oder die Längsachse im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung verrückbar. Mithilfe dieser Beweglichkeit ist es dem Betätigungselement möglich, ein oder mehrere Module zu kontaktieren.
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Auch ist es von Vorteil, dass die Wählvorrichtung mindestens einen Aktor aufweist, der das Betätigungselement verfährt. Dementsprechend dient der Aktor dem Verschieben und/oder Verdrehen und/oder Verrücken des Betätigungselements, wodurch eine Kontaktierung der Module möglich wird.
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Des Weiteren ist es günstig, wenn das Betätigungselement stangenartig ausgebildet ist. Diese Ausbildung erlaubt die Realisierung des Betätigungselements auf geringen Bauraum.
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Bevorzugterweise sind am Umfang des stangenartig ausgebildeten Betätigungselements Vorsprünge angeordnet, mit denen ein Modul der Energiespeichervorrichtung elektrisch an- und/oder abkoppelbar bzw. elektrisch kontaktierbar ist. Demgemäß dienen die Vorsprünge der elektrischen Kontaktierung eines oder mehrerer Module durch das Betätigungselement.
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Auch ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen zwei Vorsprüngen des Betätigungselements und der Abstand zwischen zwei Kontakten zweier Module der Energiespeichervorrichtung so gewählt ist, dass lediglich ein Vorsprung mit einem Kontakt eines einzigen Moduls gleichzeitig ankoppelbar ist. Somit ist es möglich, nur ein einziges Modul sicher zu kontaktieren und dabei gleichzeitig kein weiteres Modul anzukoppeln.
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Vorzugsweise sind die Vorsprünge des Betätigungselements und Kontakte der Module der Energiespeichervorrichtung entlang einer ersten Linie, die in Längsrichtung des Betätigungselements orientiert ist, derart zueinander beabstandet, dass ein Vorsprung des Betätigungselements lediglich mit einem Kontakt eines einzigen Moduls ankoppelbar ist. Auf diese Weise kann also mithilfe der ersten Linie, entlang welcher Vorsprünge des Betätigungselements orientiert sind, nur ein einziges Modul elektrisch kontaktiert werden.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Vorsprünge des Betätigungselements und Kontakte der Module der Energiespeichervorrichtung entlang einer zweiten Linie, die in Längsrichtung des Betätigungselement orientiert ist, derart zueinander beanstandet sind, dass alle Vorsprünge des Betätigungselement mit den Kontakten aller Module ankoppelbar sind. Folglich können also mithilfe der zweiten Linie, entlang welcher Vorsprünge des Betätigungselements orientiert sind, alle Module der Energiespeichervorrichtung durch das Betätigungselement elektrisch kontaktiert werden.
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Vorteilhafterweise ist die erste und zweite Linie durch Drehen des Betätigungselements wählbar. Das bedeutet, dass vorzugsweise die erste und die zweite Linie an unterschiedlichen Orten am Umfang des Betätigungselements angeordnet sind. Vergleichbar ist diese Ausgestaltung mit einem Schlüssel, bei dem Vorsprünge am Umfang und entlang unterschiedlicher Richtungen auf dem Umfang angeordnet sind.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass beim elektrischen Ankoppeln das Betätigungselement an mindestens ein Modul der Energiespeichervorrichtung, vorzugsweise durch Verrücken, angekoppelt wird. Folglich kann das Betätigungselement mit einem Modul elektrisch verbunden werden.
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Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren zum Schalten einer modular aufgebauten Energiequelle für einen Elektromotor mit einer Energiespeichervorrichtung anzugeben.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Energiespeichervorrichtung, wie sie unter dem ersten Aspekt erwähnt werden, einzeln oder miteinander kombinierbar bei dem Verfahren zum Schalten einer modular aufgebauten Energiequelle Anwendung finden können.
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Anders ausgedrückt, die oben unter dem ersten Aspekt genannten Merkmale betreffend die Energiespeichervorrichtung können auch hier unter dem zweiten Aspekt mit weiteren Merkmalen kombiniert werden.
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Das Verfahren umfasst bevorzugterweise nachstehende Schritte:
Ein bevorzugter Schritt weist ein Schalten einer einzelnen Batteriezelle, insbesondere einer einzelnen Batteriezelle eines Moduls, in die zweite Schaltposition zum Messen und/oder Laden der mindestens einen Batteriezelle auf. Demgemäß kann eine derartig geschaltete Batteriezelle unabhängig von anderen Batteriezellen gemessen und/oder geladen werden.
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Dabei umfasst das Schalten vorzugsweise auch ein Schalten der übrigen Batteriezellen, insbesondere der übrigen Batteriezellen des Moduls, in die erste Schaltposition. Dementsprechend können beim Schritt des Schaltens zwei unterschiedliche Schaltpositionen erzielt werden, wobei sich eine einzelne Batteriezelle in einer zweiten Schaltposition und die übrigen Batteriezellen eines Moduls in einer ersten Schaltposition befinden. Der Schritt des Schaltens wird vorzugsweise mithilfe der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung realisiert. Bezüglich der Ausgestaltungen der mindestens einen mechanischen Schaltvorrichtung wird auf den ersten Aspekt, wie oben erläutert, verwiesen.
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Ein weiterer bevorzugter Schritt weist das Wählen des Moduls auf, welches die in die zweite Schaltposition geschaltete Batteriezelle aufweist. Damit ist es möglich, die Batteriezelle mit einem Messgerät und/oder einem Ladegerät zu verbinden.
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Ein weiterer bevorzugter Schritt weist ein Deaktivieren der mindestens einen Batteriezelle auf. Vorzugsweise wird dann die mindestens eine Batteriezelle deaktiviert, wenn eine gemessene Eigenschaft und/oder ein Zustand der mindestens einen Batteriezelle unterhalb eines vorgegebenen Referenzwertes der mindestens einen Batteriezelle liegt.
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Bei der gemessenen Eigenschaft handelt es sich vorzugsweise um die Stromstärke und/oder das Spannungsniveau und/oder die Energie und/oder den Widerstand der Batteriezelle. Somit kann also in Abhängigkeit einer gemessenen Eigenschaft und/oder eines Zustands der mindestens einen Batteriezelle eine Deaktivierung erfolgen. Folglich ist es möglich, einzelne defekte bzw. nicht mehr leistungsfähige Batteriezellen innerhalb eines Moduls einer Energiespeichervorrichtung zu deaktivieren. Auch ist eine Deaktivierung im Falle eines Unfalls eines Fahrzeuges, das mit einer Energiespeichervorrichtung nach dem ersten Aspekt ausgestattet ist, möglich.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen schematisch:
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1 einen prinzipiellen Aufbau einer Energiespeichervorrichtung mit zwei Modulen, die jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung mit einer mechanischen Schaltvorrichtung;
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3a bis 3d eine schematische Darstellung eines Schalters einer Batteriezelle in verschiedenen Schaltpositionen;
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4a bis 4c eine weitere schematische Darstellung eines Schalters einer Batteriezelle in verschiedenen Schaltpositionen; und
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5 ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung mit einer Wählvorrichtung zum Wählen verschiedener Module.
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In nachfolgender Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Energiespeichervorrichtung 1 für einen Elektromotor mit einer modular aufgebauten Energiequelle 2.
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Dabei weist die modular aufgebaute Energiequelle 2 eine Vielzahl von Batteriezellen auf, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei Batteriezellen B1, B2 dargestellt sind. Konkreter gesagt, sind in 1 zwei Module, nämlich ein erstes Modul M1 und ein zweites Modul M2, mit je zwei Batteriezellen dargestellt.
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Ferner hat jede Batteriezelle B1, B2 jeweils einen Eingang E, an welchem ein Schalter C1 angeordnet ist, und einen jeweils Ausgang A, an welchem ein Schalter C2 angeordnet ist.
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Jeder Schalter C1, C2 bzw. jede Batteriezelle B1, B2 umfasst drei Schaltpositionen, nämlich eine erste Schaltposition S1, eine zweite Schaltposition S2 und eine dritte Schaltposition S3.
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Nur der Übersichtlichkeit wegen sind für Modul M1 die Schaltpositionen am Eingang E und für Modul M2 die Schaltpositionen am Ausgang A dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die aus dem jeweiligen Modul dargestellten Bezugszeichen analog auf die im jeweiligen Modul nicht mit Bezugszeichen versehenen Gegenstände anwendbar sind.
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Das erste Modul M1 ist mit dem zweiten Modul M2 verschaltbar, wobei genauer gesagt, die Batteriezelle B1 des ersten Moduls M1 mit der Batteriezelle B1 des zweiten Moduls M2 verschaltet werden kann.
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Dabei ist die Batteriezelle B1 des ersten Moduls M1 mit der Batteriezelle B1 des zweiten Moduls M2 in der ersten Schaltposition S1 seriell und in der zweiten Schaltposition S2 parallel verschaltbar.
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In der dritten Schaltposition S3 ist die Batteriezelle B1, B2 des Moduls M1, M2 deaktivierbar.
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In 1 sind alle Batteriezellen B1, B2 der Module M1, M2 mittels der Schalter C1, C2 in Schaltposition S1 angeordnet, sodass sich eine serielle Schaltung der Batteriezelle B1 von Modul M1 mit der Batteriezelle B1 von Modul M2 ergibt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 mit einer mechanischen Schaltvorrichtung 3.
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Vorab kurz zusammengefasst, die mechanische Schaltvorrichtung 3 aus 2 ist derart ausgebildet, dass in einer ersten Stellung der Schaltvorrichtung 3 gleichzeitig die zwei Batteriezellen B1, B2 in die erste oder zweite oder dritte Schaltposition S1, S2, S3 geschaltet werden können, und in einer zweiten Stellung jede der zwei Batteriezellen B1, B2 separat auswählbar ist. Beim separaten Auswählen kann jede der Batteriezellen B1, B2 in die erste oder zweite oder dritte Schaltposition S1, S2, S3 geschaltet werden.
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Wie 2 zeigt, können mithilfe der mechanischen Schaltvorrichtung 3 die Schalter C1 am Eingang E der Batteriezellen B1, B2 geschaltet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass eine weitere mechanische Schaltvorrichtung 3 für Schalter C2 am Ausgang A der Batteriezellen B1, B2 angeordnet ist. Diese Schaltvorrichtung 3 für die Schalter C2 ist lediglich aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
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Die mechanische Schaltvorrichtung 3 weist einen Zahnriemen 3d auf, der um zwei Umlenkrollen 3c geführt wird. Des Weiteren weist die mechanische Schaltvorrichtung 3 einen ersten Stellbereich 3a auf, mit dem die Schalter C1, C2 der zwei Batteriezellen B1, B2 wählbar und schaltbar sind. Auch können weitere Schalter weiterer Batteriezellen mittels des Stellbereichs 3a gewählt und geschaltet werden.
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Ferner weist die Schaltvorrichtung 3 einen zweiten Stellbereich 3b auf, mit dem ein einzelner bzw. einziger Schalter C1 oder C2 der zwei Batteriezellen B1, B2 wählbar und schaltbar ist. Selbstverständlich kann auch ein beliebiger anderer Schalter einer weiteren Batteriezelle, die nicht dargestellt ist, mittels der Schaltvorrichtung 3 geschaltet werden.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, handelt es sich bei den Stellbereichen 3a, 3b der mechanischen Schaltvorrichtung 3 um Abschnitte auf dem Zahnriemen 3d.
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Auch weist die mechanische Schaltvorrichtung 3 einen nicht dargestellten Aktor auf, mit welchem der erste und zweite Stellbereich 3a, 3b verfahrbar und im Wesentlichen senkrecht zur Verfahrrichtung ER ausgelenkt werden kann.
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Bei der in 2 dargestellten Position des Zahnriemens 3d bzw. der mechanischen Schaltvorrichtung 3 befindet sich die Schaltvorrichtung in der ersten Stellung, einem Zustand, bei dem – wie bereits zu 2 ausgeführt – gleichzeitig die zwei Batteriezellen B1, B2 oder eine Vielzahl von Batteriezellen in eine Schaltposition S1, S2, S3 schaltbar sind.
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Des Weiteren ist es möglich, die mechanische Schaltvorrichtung 3 in die zweite Stellung zu bringen, einem Zustand, bei welchem der zweite Stellbereich 3b einen einzigen Schalter C1, C2 der Batteriezellen B1, B2 wählen und schalten kann.
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Aufgrund der Ausbildung der mechanischen Schaltvorrichtung 3 sind die Stellbereiche 3a, 3b auf dem Zahnriemen 3d verfahrbar, und zwar entlang des Zahnriemens 3d, der um die Umlenkrollen 3c gespannt ist. Folglich sind die Stellbereiche 3a, 3b entlang einer vorgegebenen Richtung verfahrbar.
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Die mechanische Schaltvorrichtung 3 kann somit z. B. auf einfache Weise von dem Zustand „erste Stellung“ in den anderen Zustand „zweite Stellung“ gebracht werden, indem der Zahnriemen 3d so verfahren wird, dass der zweite Stellbereich 3b beispielsweise durch Verfahren des Zahnriemens 3d an die Batteriezelle B2 gelangt.
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Während sich im Stellbereich 3a drei dargestellte Positionierelement 4 befinden, ist im Stellbereich 3b ein einziges Positionierelement 4 angeordnet. Die Positionierelemente 4 sind geeignet die Schalter C1, C2 in eine Schaltposition S1, S2, S3 zu führen.
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Jedes Positionierelement 4 weist dabei zwei Greifelemente 4a, 4b auf, zwischen denen ein Schalter C1, C2 anordenbar ist.
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3a bis 3d zeigen eine schematische Darstellung des Schalters C1 der Batteriezelle B1 in verschiedenen Schaltpositionen. Dabei ist der Schalter C1, die Schaltpositionen S1, S2, S3 sowie das Positionierelement 4 der mechanischen Schaltvorrichtung 3 mit seinen Greifelementen 4a, 4b vergrößert dargestellt.
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Ferner weist die mechanische Schaltvorrichtung 3 ein Stellelement 5 zum Lösen und zum Verbinden des zweiten Stellbereichs 3b mit dem Schalter C1 der Batteriezelle B1 und zum Schalten des einen Schalters C1 in eine erste, zweite oder dritte Schaltposition S1, S2, S3 auf.
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Das Stellelement 5 der mechanischen Schaltvorrichtung 3 ist in der Lage, den zweiten Stellbereich 3b auf dem Riemen 3d quer zu dessen Erstreckungsrichtung auszulenken. Durch das Auslenken des Schalters C1 wird die Batteriezelle B1 mit dem zweiten Stellbereich 3b verbunden, sodass der Schalter C1 aus der Schaltposition S3 in die Schaltposition S1 oder S2 veränderbar bzw. verfahrbar ist.
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Wie in 3a dargestellt, befindet sich der Schalter C1 in der Schaltposition S3, wobei das Stellelement 5 den Zahnriemen 3d bzw. das Positionierelement 4 noch nicht so ausgelenkt hat, dass die Greifelemente 4a, 4b in der Lage sind, den Schalter C1 zu bewegen.
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In 3b hingegen, hat das Stellelement 5 den Zahnriemen 3d bzw. das Positionierelement 4 derart in Querrichtung Q ausgelenkt, dass die Greifelemente 4a, 4b die Schaltposition des Schalters C1 durch Verfahren des Zahnriemens 3d verändern können.
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Während in 3c der Zahnriemen 3d bzw. das Positionierelement 4 durch Verfahren nach rechts den Schalter C1 von der Schaltposition S3 in die Schaltposition S2 führt, wird in 3d durch Verfahren des Zahnriemens 3d der Schalter C1 in die Schaltposition S2 geschaltet.
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Sobald eine Schaltposition S1, S2 oder S3 nicht mehr verändert werden soll, führt das Stellelement 5 den Zahnriemen 3d bzw. das Positionierelement 4 in die Ausgangsposition, dargestellt in 3a, zurück. Anders ausgedrückt, entfernt das Stellelement 5 das Positionierelement 4 von dem Schalter C1, sodass die Greifelemente 4a, 4b keine Positionsveränderung bzw. keine Änderung der Schaltposition herbeiführen können.
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4a bis 4c zeigen eine weitere schematische Darstellung des Schalters C1 der Batteriezelle B1 in verschiedenen Schaltpositionen. Genauer gesagt, zeigen die 4a bis 4c wie der Schalter C1 deaktiviert wird.
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Der Schalter C1 weist für die Deaktivierung einen Kugelschreibermechanismus auf. Der Kugelschreibermechanismus ist dabei derart ausgebildet, dass eine Druckeinwirkung auf den Schalter C1 eine bleibende Verkürzung der Länge des mindestens einen Schalters C1 bewirkt.
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Wie 4a zeigt, wird der Kugelschreibermechanismus dadurch aktiviert, indem der Zahnriemen 3d der Schaltvorrichtung 3 von dem Stellelement 5 in Querrichtung Q ausgelenkt wird. Dabei ist die Auslenkung des Zahnriemens 3d durch das Stellelement 5 hinsichtlich des Verstellweges in Querrichtung Q derart groß gewählt, dass der Zahnriemen 3D in der Schaltposition S3 auf den Schalter C1 drückt. Dies aktiviert den Kugelschreibermechanismus. Hingegen ist beim Schalten von einer Schaltposition in eine andere der Verstellweg in Querrichtung Q im Verglich kleiner als beim Aktivieren des Kugelschreibermechanismus. Das Stellelement 5 wir von einem nicht dargestellten Aktor bewegt.
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4b zeigt den aktivierten Kugelschreibermechanismus des Schalters C1, wobei das Stellelement 5 den Zahnriemen 3d bzw. das Positionierelement 4 mit den Greifelementen 4a, 4b ausgelenkt hat, um die Schaltposition des Schalters C1 zu verändern. Jedoch ist dies nicht möglich, da der Kugelschreibermechanismus des Schalters C1 aktiviert wurde und somit die Länge des Schalters C1 im Vergleich zu einem Schalter, dessen Kugelschreibermechanismus nicht aktiviert wurde, kürzer ist.
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Folglich ist es dem Positionierelement 4, wie 4c zeigt, nicht möglich, Schalter C1 aus der Schaltposition S3 in die Schaltposition S2 zu führen.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 mit einer Wählvorrichtung 6 zum Wählen verschiedener Module M1, M2.
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Mittels der Wählvorrichtung 6 kann das erste und/oder zweite Modul M1, M2 zur elektrischen Kontaktierung ausgewählt werden.
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Die Wählvorrichtung 6 weist ein Betätigungselement T auf, welches an das Modul M1, M2, M3, M4, M5, M6 der Energiespeichervorrichtung 1 zur elektrischen Kontaktierung an- oder abgekoppelt werden kann.
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Für die Kopplungsvorgänge weist die Wählvorrichtung 6 einen nicht dargestellten Aktor auf, der das Betätigungselement T verfährt.
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Diese Aktor ist in der Lage, das Betätigungselement T entlang seiner Längsachse L zu verschieben und/oder um seine Längsachse L zu verdrehen und/oder die Längsachse L im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung zu verrücken.
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Das Betätigungselement T ist stangenartig ausgebildet und weist am Umfang Vorsprünge D1, D2, D3, D4, D5, D6 auf, mit denen ein Modul M1, M2, M3, M4, M5, M6 der Energiespeichervorrichtung 1 elektrisch an- oder abgekoppelt werden können.
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Der Abstand zwischen den ersten Vorsprüngen D1, D2, D3, D4, D5, D6 des Betätigungselements T und der Abstand zwischen den Kontakten K1, K2, K3, K4, K5, K6 der Module M1, M2, M3, M4, M5, M6 der Energiespeichervorrichtung 1 so gewählt ist, dass lediglich ein Vorsprung D1, D2, D3, D4, D5, D6 mit einem Kontakt K1, K2, K3, K4, K5, K6 eines einzigen Moduls M1, M2, M3, M4, M5, M6 gleichzeitig ankoppelbar ist.
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In der vorliegenden 5 ist der Kontakt K1 des Moduls M1 mit dem Vorsprung D1 des Betätigungselements T verbunden bzw. elektrisch angekoppelt.
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Die ersten Vorsprünge D1, D2, D3, D4, D5, D6 des Betätigungselements T sind entlang einer ersten Linie G1, die in Längsrichtung L des Betätigungselement T orientiert ist, angeordnet. Dabei ist die Anordnung der Vorsprünge zu den Kontakten der Module, wie bereits erwähnt, derart, dass nur ein einziger Vorsprung einen einzigen Kontakt elektrisch ankoppeln kann.
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Ferner weist das Betätigungselement T weitere Vorsprünge E1, E2, E3, E4, E5, E6 entlang einer zweiten Linie G2 auf. Die Linie G2 ist in Längsrichtung L des Betätigungselement T orientiert. Dabei sind die Vorsprünge E1, E2, E3, D4, D5, D6 derart zueinander beanstandet sind, dass alle zweiten Vorsprünge des Betätigungselements T mit den Kontakten K1, K2, K3, K4, K5, K6 aller Module M1, M2, M3, M4, M5, M6 ankoppelbar sind. Auf diese Weise können also alle Module gleichzeitig von dem Betätigungselement T elektrisch kontaktiert werden bzw. elektrisch angekoppelt werden.
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Durch Drehen des Betätigungselement T kann die erste und zweite Linie G1, G2 gewählt werden.
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Um eine elektrisch Verbindung zwischen den Vorsprüngen und den Kontakten K1, K2, K3, K4, K5, K6 der Module M1, M2, M3, M4, M5, M6 herzustellen, ist nach dem Wählen der ersten oder zweiten Linie G1, G2 ein verschieben des Betätigungselement T quer zur Längsrichtung L notwendig.
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Um beispielsweise nur die Batteriezelle B1 des Moduls M1 zu laden oder zu messen, ist es zunächst notwendig, die Batteriezelle B1 in die Schaltposition S2 und alle weiteren Batteriezellen des Moduls M1 in die Schaltposition S1 zu führen.
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Ferner wird das Betätigungselement T bzw. dessen Vorsprung D1 mit dem Kontakt K1 des Moduls M1 elektrisch angekoppelt. Auf diese Weise ist nun Batteriezelle B1 derart kontaktiert, dass nur diese Zelle geladen und/oder gemessen werden kann.
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Zum Beispiel kann die Batteriezelle in dem Fall, dass nach dem Laden der Batteriezelle B1 deren Stromstärke und/oder deren Spannungsniveau und/oder deren Energie und/oder deren Widerstand unterhalb oder oberhalb eines vorgegebenen Referenzwertes für beispielsweise einen vorbestimmten Ladezustand liegt, mittels des Kugelschreibermechanismus deaktiviert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeichervorrichtung
- 2
- modular aufgebaute Energiequelle
- 3
- Schaltvorrichtung
- 3a
- erster Stellbereich
- 3b
- zweiter Stellbereich
- 4
- Positionierelement
- 4a
- Greifelement
- 4b
- Greifelement
- 5
- Stellelement
- 6
- Wählvorrichtung
- B1
- Batteriezelle
- B2
- Batteriezelle
- C1–C2
- Schalter
- D1–D6
- Vorsprung
- E1–E6
- Vorsprung
- G1
- erste Linie
- G2
- zweite Linie
- K1–K6
- Kontakt
- L
- Längsrichtung
- M1–M6
- Modul
- Q
- Querrichtung
- S1–S3
- Schaltposition
- T
- Betätigungselement
