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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Speichern elektrischer Energie, ein Verfahren zum Schalten eines Batteriesystems und eine Batteriezelle für ein Batteriesystem.
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Bei heute in Serie befindlichen Batteriesystemen wird oftmals eine Systemstruktur verwendet, bei der Batteriezellen in einer Reihenschaltung verbunden werden, beispielsweise 100 Batteriezellen in typischen Systemen für Elektrofahrzeuge. Die Ausgangsspannung des Batteriesystems ändert sich in Abhängigkeit des Ladezustands der Batteriezellen. Zur Überwachung und Steuerung des Batteriesystems wird ein Batteriemanagementsystem (BMS) eingesetzt.
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Eine Messeinrichtung (CSC – Cell Supervision Circuit) kann die physikalischen Parameter von Batteriezellen erfassen und die Messdaten an eine zentrale Regeleinrichtung (BCU – Battery Control Unit) senden. In der zentralen Regeleinrichtung können die Messdaten zusammengefasst und Steuerfunktionen ausgeführt werden, wie beispielsweise die Steuerung des Zellbalancings oder das Abschalten des gesamten Batteriesystems im Fehlerfall. Darüber hinaus realisiert die zentrale Regeleinrichtung die Kommunikation zum Fahrzeug und kann zusätzlich andere Funktionen ausführen. Darüber hinaus sind neuartige Batteriesysteme bekannt, bei dem jede der Batteriezellen eine eigene Zellelektronik zum Schalten der Batteriezelle aufweist.
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Aufgrund der Serienschaltung der Batteriezellen wird die Leistung und Lebensdauer des Systems von der schlechtesten Batteriezelle bestimmt. Es ergeben sich dadurch Einschränkungen wie beispielsweise der Ausfall des Batteriesystems bei einer defekten Batteriezelle, eine Beschränkung auf das Verbauen identischer Batteriezellen in einem Batteriesystem und Energieverluste durch passives Balancing.
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Die Druckschrift
US 2012/0217813 betrifft ein Batteriesystem, in dem mehrere Batteriemodule in Serie verbunden sind, so dass verschlechterte Batteriemodule ersetzbar sind, ohne einen dielektrischen Zusammenbruch zu verursachen.
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In einem Batteriesystem mit bidirektionaler Kommunikation zwischen einem zentralen Regler und der Zellelektronik, überträgt die Zellelektronik jeder Batteriezelle Informationen über den Zustand der Batteriezelle an den zentralen Regler. In Abhängigkeit dieser Information überträgt der zentrale Regler dann gezielt Steuerbefehle an jede einzelne Zellelektronik, um damit den Schaltzustand der einzelnen Batteriezellen steuern.
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Dabei entsteht ein hoher Kommunikationsaufwand. Bei einer Einzeladressierung von beispielsweise 100 Batteriezellen und der Vorgabe des Schaltzustandes durch 1 Bit/Batteriezelle beträgt die benötigte Kommunikationsgeschwindigkeit von dem zentralen Regler zu den Batteriezellen bereits mehrere MBit/s, um eine geregelte Sinuswechselspannung mit einer Frequenz von l kHz zu erzeugen. Diese Frequenz wird beispielsweise bei einem Direkt-Inverter für den Betrieb einer Drehstrommaschine bei typischer Maximaldrehzahl benötigt. Ein derartiges Konzept ist technisch aufwändig zu realisieren und führt zu einer Begrenzung der maximalen Anzahl der Batteriezellen im Batteriesystem.
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Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Batteriesystem bereitzustellen, bei dem keine Begrenzung der maximalen Anzahl der Batteriezellen aufgrund eines Kommunikationsengpasses auftritt und mit dem ein Strangstrom für einen Elektroantrieb geregelt werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Batteriesystem zum Regeln oder Steuern eines Strangstroms für einen Elektroantrieb gelöst, mit mehreren Batteriezellen, die jeweils eine Schnittstelle zum Empfangen eines Zahlenwertes, einen Zufallszahlengenerator zum Erzeugen eines Zufallswertes; und eine Zellelektronik zum Schalten der Batteriezelle auf Basis des Zufallswertes und des empfangenen Zahlenwerts umfassen; und einer zentralen Regeleinrichtung zum Übertragen des Zahlenwertes an die Batteriezellen. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch die unidirektionale Übermittlung eines einzigen Zahlenwertes an alle Batteriezellen im statistischen Mittel ein vorgegebener Strangstrom eingestellt werden kann und sich der Kommunikationsaufwand zum Schalten der Batteriezellen deutlich verringert. Durch die Regelung oder Steuerung des Strangstromes wird ein proportionales Drehmoment des Elektroantriebs bewirkt. Das Batteriesystem dient zum Speichern von elektrischer Energie zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die zentrale Regeleinrichtung ausgebildet, einen ersten Zahlenwert für ein Aktivieren der Batteriezelle und einen zweiten Zahlenwert für ein Deaktivieren der Batteriezelle zu übertragen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom sowohl steigern als auch senken lässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist der Zufallszahlengenerator ausgebildet, den Zufallswert gleichverteilt zu erzeugen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich das Batteriesystem auf einfache Weise regeln lässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems sind die Batteriezellen über einen Kommunikationsbus miteinander verbunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Zahlenwert auf einfache Weise an alle Batteriezellen übertragen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die zentrale Regeleinrichtung ausgebildet, eine zeitliche Folge von Zahlenwerten an die Batteriezellen zu übertragen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine variierende Ausgangsspannung oder ein variierender Ausgangsstrom erzeugt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die zeitliche Folge der Zahlenwerte geeignet, eine Wechselspannung als Ausgangsspannung des Batteriesystems zu erzeugen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine elektrische Maschine durch das Batteriesystem betrieben werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die Batteriezelle geeignet, den empfangenen Zahlenwert in Abhängigkeit eines Ladezustandes der Batteriezelle zu skalieren. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich ausgeschaltete Batteriezellen mit einem hohen Ladungszustand mit größerer Wahrscheinlichkeit zuschalten als Batteriezellen mit einem geringeren Ladungszustand.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die zentrale Regeleinrichtung ausgebildet, den Zahlenwert in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollstromes zu verändern. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom nachgeregelt werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln oder Steuern eines Strangstroms für einen Elektroantrieb mittels eines Batteriesystems gelöst, das mehrere Batteriezellen umfasst, mit den Schritten eines Übertragens eines Zahlenwertes an die Batteriezellen durch eine zentrale Regeleinrichtung; eines Empfangens des Zahlenwertes über eine Schnittstelle in jeder der Batteriezellen; eines Erzeugens eines Zufallswertes durch einen Zufallszahlengenerator in jeder der Batteriezellen; und eines Schaltens jeder Batteriezelle auf Basis des jeweiligen Zufallswertes und des empfangenen Zahlenwerts durch eine Zellelektronik. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Batteriesystem nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle für ein Batteriesystem gelöst, mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Zahlenwertes; einem Zufallszahlengenerator zum Erzeugen eines Zufallswertes; und einer Zellelektronik zum Schalten der Batteriezelle auf Basis des Zufallswertes und des Zahlenwerts. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch das Batteriesystem nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Batteriemanagementsystem mit mehreren Batteriezellen;
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2 eine Batteriezelle des Batteriemanagementsystems;
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3 ein Diagramm eines geregelten Strangstroms; und
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4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
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1 zeigt ein Batteriesystem 100 mit mehreren Batteriezellen 101-1, ..., 101-n. Zum Aufbau des Batteriesystems 100 werden mehrere Batteriezellen 101-1, ..., 101-n (SCU – Smart Cell Units) in einer Reihenschaltung verbunden.
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Jede Batteriezelle 101-1, ..., 101-n umfasst eine Zellelektronik 107 zum Schalten der jeweiligen Batteriezelle 101-1, ..., 101-n. Die einzelnen Batteriezellen 101-1, ..., 101-n können über die Leistungsschalter T1 und T2 einzeln der Reihenschaltung zugeschaltet oder überbrückt werden.
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Bei Erweiterung auf vier Leistungsschalter in Vollbrückenschaltung ist es darüber hinaus möglich, jede Batteriezelle 101-1, ..., 101-n individuell in positiver oder negativer Orientierung in die Reihenschaltung zuzuschalten. Dadurch kann beispielsweise ein sinusförmiger Ausgangsstrom realisiert werden. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn drei Stränge des beschriebenen Batteriesystems 100 dazu verwendet werden, eine Drehstrommaschine als Elektroantrieb 119 zu betreiben. Da sich bei gängigen elektrischen Maschinen das Drehmoment proportional zum Strangstrom verhält, lässt sich das Drehmoment durch Vorgabe des Strangstroms einfach regeln. Zum Erzeugen eines geregelten Ausgangsstroms des Batteriesystems 100 wird der Strangstrom erfasst und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Durch die Zellelektronik 107 können zudem zusätzliche Sicherheitsfunktionen und ein verbessertes Batteriemanagement auf Zellebene realisiert werden.
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Wird eine ohmsche und induktive Last an das Batteriesystem 100 angeschlossen kann durch Aktivieren oder Deaktivieren von Batteriezellen 101-1, ..., 101-n der Strangstrom des Batteriesystems 100 geregelt werden. Gleichzeitig kann durch zustandsabhängiges Zuschalten der Batteriezellen 101-1, ..., 101-n ein aktives Balancing der Batteriezellen 101-1, ..., 101-n umgesetzt werden, so dass der Anteil der nutzbaren Energie im Batteriesystem 100 steigt.
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Die Zellelektronik 107 umfasst eine Zellsteuerung 111 und die Leistungsschalter T1 und T2. Diese Komponenten werden zusammen als SCU (Smart Cell Unit) bezeichnet. Auf mehreren Batteriezellen 101-1, ..., 101-n des gleichen Zelltyps befindet sich jeweils eine identische Zellelektronik 107. Dadurch ergeben sich Vorteile bei einer Fertigung einer integrierten Lösung.
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Durch die Zellelektronik 107 der einzelnen Batteriezellen 101-1, ..., 101-n werden aktive Sicherheitsfunktionen, vollständig unabhängig von anderen Batteriezellen im System realisiert. Durch eine derartige elektronische Realisierung von Sicherheitsfunktionen auf Zellebene wird eine eigensichere Batteriezelle realisiert. Es werden eine höhere Energiedichte und Kapazität des Batteriesystems 100 bei gleichem Gewicht und Volumen und gleicher Sicherheit des Batteriesystems erreicht.
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Die Zellsteuerung 111 überwacht physikalische Parameter der Batteriezelle 101-1, ..., 101-n, analysiert den Zellzustand, schützt die Batteriezelle 101-1, ..., 101-n vor schädlichen Zuständen wie Überladen, Tiefentladen oder Überstrom oder erkennt fehlerhafte Zustände der Batteriezelle 101-1, ..., 101-n. Bei fehlerhaften Zuständen wird die Batteriezelle 101-1, ..., 101-n durch die Leistungstransistoren T1 und T2 bis zu einem geringen Ladungszustand entladen und deaktiviert. Beispiele können das Erreichen einer Lebensaltersgrenze einzelner Batteriezellen 101-1, ..., 101-n oder das frühzeitige Erkennen eines Dendritenwachstums in der Batteriezelle 101-1, ..., 101-n sein.
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Bei dieser Systemarchitektur des Batteriesystems 100 – auch SmartCell-Batteriesystem genannt – sind die einzelnen Batteriezellen 101-1, ..., 101-n des Systems nicht fest in Serie verbunden, sondern können individuell mittels Leistungselektronik verschaltet werden.
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Zusätzlich zu den Batteriezellen 101-1, ..., 101-n umfasst das Batteriesystem 100 eine zentrale Regeleinrichtung 109 (CCU – Central Control Unit), die über einen Kommunikationsbus 113 mit den Batteriezellen 101-1, ..., 101-n verbunden ist. Die zentrale Regeleinrichtung sendet an die Batteriezellen 101-1, ..., 101-n Nachrichten zum Steuern der Batteriezellen 101-1, ..., 101-n. Es erfolgt eine unidirektionale Zellansteuerung, bei der die Entscheidung über den Schaltzustand der Batteriezelle 101-1, ..., 101-n dezentral in der jeweiligen Zellelektronik 107 durchgeführt wird. Die eigentliche Regelungsfunktion wird durch die aufwandsarm realisierbare, zentrale Regelungseinrichtung 109 umgesetzt.
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Die Vorgabe der Steuergröße des Batteriesystems 100 erfolgt über eine unidirektionale Schnittstelle, über die von der zentralen Regeleinrichtung 109 nur eine einzige Nachricht P an alle Batteriezellen 101-1, ..., 101-n gesendet wird. Alle Batteriezellen 101-1, ..., 101-n empfangen daher dieselbe Nachricht von der zentralen Regeleinrichtung 109 und schalten entweder die jeweilige Batteriezelle 101-1, ..., 101-n autonom der Reihenschaltung zu oder überbrücken die Batteriezelle 101-1, ..., 101-n durch die Schalter T1 und T2 der Zellelektronik 107.
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Für eine mögliche konkrete Realisierung gibt die zentrale Regeleinrichtung 109 beispielsweise zwei Zahlenwerte Pon ∊ [0, 1] und Poff ∊ [0, 1] vor, die über die Kommunikationsstrecke 113 von der zentralen Regeleinrichtung 109 zu den Batteriezellen 101-1, ..., 101-n übertragen und gleichermaßen von jeder Zellelektronik 107 empfangen werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Batteriezelle 101-1 mit einer Batterie 115. Die Batterie 115 ist beispielsweise ein Akkumulator als ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Als Batterie 115 wird beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku verwendet.
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Die Batteriezelle 101-1 umfasst eine Schnittstelle 103 zum Empfangen des Zahlenwertes Pon und Poff und einen Zufallszahlengenerator 105 zum Erzeugen eines gleichverteilten Zufallswertes. Der Zufallszahlengenerator 105 ist in der Lage, eine Dezimalzahl als Zufallszahl aus dem Intervall [0, 1] zu erzeugen. Liegt beispielsweise die erzeugte Zufallszahl über dem empfangenen Zahlenwert Pon, schaltet sich die Batteriezelle 101-1 selbständig ein. Liegt die erzeugte Zufallszahl unter dem empfangenen Zahlenwert Pon, bleibt die Batteriezelle 101-1 im ausgeschalteten Zustand.
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In jeder Zellelektronik 107 der Batteriezellen 101-1 wird somit ein gleichverteilter Zufallsprozess ausgeführt, der den zuvor übermittelten Zahlenwert Pon als Einschalt-Wahrscheinlichkeit, d. h. als die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ausgeschaltete Batteriezellen einschalten, und Poff als Ausschalt-Wahrscheinlichkeit interpretiert, d.h. als die Wahrscheinlichkeit, mit der sich eingeschaltete Batteriezellen ausschalten.
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Bei einer Mehrzahl von Batteriezellen 101-1, ..., 101-n lässt sich durch die gleichzeitige Übermittlung eines einzigen Zahlenwertes im statistischen Mittel eine vorgegebene Anzahl von Batteriezellen 101-1, ..., 101-n aktivieren. Dadurch wird der Kommunikationsaufwand verringert. Die zentrale Regeleinrichtung 109 kann die Zahlenwerte Pon und Poff als Steuergrößen anschließend derart nachführen, dass eine möglichst kleine Regeldifferenz zwischen Ist- und Soll-Strangstrom des Batteriesystems 100 auftritt.
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Eine optionale Messeinrichtung 117 (CSC – Cell Supervision Circuit) kann die physikalischen Parameter der Batteriezelle 101-1 erfassen und die Messdaten an die zentrale Regeleinrichtung 109 (BCU – Battery Control Unit) senden. In der zentralen Regeleinrichtung 109 können die Messdaten zusammengefasst und Steuerfunktionen ausgeführt werden, wie beispielsweise die Steuerung des Zellbalancings oder das Abschalten des gesamten Batteriesystems 100 im Fehlerfall. Darüber hinaus kann die zentrale Regeleinrichtung 109 die Kommunikation zum Fahrzeug und andere Funktionen ausführen.
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3 zeigt ein Diagramm eines geregelten Wechselstroms Is und eines eingestellten Strangstromes Is_set, der durch Vorgabe getrennter Einschalt- und Ausschalt-Wahrscheinlichkeiten erzeugt wird. Zusätzlich zu einer Regelung des Strangstroms kann eine einfache Erweiterung des Steuerungsalgorithmus derart stattfinden, dass gleichzeitig ein aktives Zellbalancing durch eine gewichtete Nutzungsdauer erreicht wird.
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Dazu skaliert jede Batteriezelle den jeweils relevanten, d.h. den in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Zellelektronik ausgewählten, identisch empfangenen Zahlenwert Pon und Poff in Abhängigkeit des Ladungszustands der zugehörigen Batteriezelle 101-1, ..., 101-n.
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Im Ergebnis schalten sich ausgeschaltete Batteriezellen 101-1, ..., 101-n mit einem hohen Ladungszustand mit größerer Wahrscheinlichkeit zu als Batteriezellen 101-1, ..., 101-n mit einem geringerem Ladungszustand. Umgekehrt werden Batteriezellen 101-1, ..., 101-n mit einem niedrigen Ladungszustand mit größerer Wahrscheinlichkeit ausgeschaltet. Im zeitlichen Mittel werden Batteriezellen 101-1, ..., 101-n mit geringer Ladung weniger häufig belastet und damit die Vorteile eines nutzungsgesteuerten, aktiven Balancings der Batteriezellen erreicht.
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4 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen eines variablen Strangstromes mittels eines Batteriesystems 100. Das Verfahren umfasst die Schritte S101 eines Übertragen eines Zahlenwertes an die Batteriezellen 101-1, ... 101-n durch die zentrale Regeleinrichtung 109. In Schritt S102 wird der Zahlenwert über die Schnittstelle 103 in jeder der Batteriezellen 101-1, ... 101-n empfangen, beispielsweise als digital codierter Wert. In Schritt S103 wird in jeder der Batteriezellen 101-1, ... 101-n ein Zufallswert durch einen Zufallszahlengenerator 105 erzeugt. In Schritt S104 wird jede Batteriezelle 101-1, ..., 101-n autonom auf Basis des jeweiligen Zufallswertes und des empfangenen Zahlenwerts durch die Zellelektronik 107 geschaltet.
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Das Batteriesystem 100 ermöglicht eine aufwandsarme Realisierung der Kommunikationsschnittstellen und beliebige Skalierbarkeit der Zellanzahl des Batteriesystems 100. Mit dem Batteriesystem 100 wird zudem eine Regelung des Batteriestrangstroms und ein aktives Balancing durch autonomes Schalten einzelner Batteriezellen 101-1, ..., 101-n ermöglicht. Zu den technischen Vorteilen des Batteriesystems 100 gehören das Regeln des Strangstroms des Batteriesystems 100, eine bessere Skalierbarkeit der Anzahl der Batteriezellen 101-1, ..., 101-n und eine höhere Verfügbarkeit und Lebensdauer des Batteriesystems durch aktives Zellbalancing. Das Batteriesystem 100 bietet eine höhere Systemzuverlässigkeit und weist eine größere Kapazität und Reichweite für die Elektromobilität auf. Eine Begrenzung der Anzahl der Batteriezellen 101-1, ..., 101-n wird überwunden, so dass Batteriesysteme 100 mit beliebiger Zellenanzahl realisiert werden können. Die Kommunikationsschnittstellen des Batteriesystems 100 können mit geringem Aufwand und ohne aufwändige Verkabelung realisiert werden.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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