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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern eines elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise ein Akkumulator oder eine Batterie, vorzugsweise ein Hochvoltspeicher oder eine Hochvoltbatterie, beispielsweise mit einer Spannung von mehr als 80 V oder mehr als 200 V, besteht aus mehreren Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen. Während eines Betriebes des elektrischen Energiespeichers wird die Zellspannung jeder der Zellen gemessen und überwacht. Dies kann zentral im Batteriemanagementsystem (BMS) erfolgen. Ist das Batteriemanagementsystem allerdings nicht aktiv oder in einer Entwicklungsphase noch fehleranfällig, so erfolgt keine Überwachung der Zellspannungen der Zellen.
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Für die Funktionsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers ist es wichtig, dass die Zellspannung immer innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. Liegt die Zellspannung einer Zelle außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs, befindet sich die Zelle in einem kritischen Zustand, welcher zur Zerstörung der Zelle führen kann. Liegt die Zellspannung der Zelle unterhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs, so ist die Zelle tiefentladen und kann nicht mehr ohne weiteres aufgeladen werden. Außerdem stellt eine tiefentladene Zelle ein Sicherheitsrisiko dar.
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Tiefentladene Zellen können aus einem fehlerhaften Verhalten des Batteriemanagementsystems oder aus einer Ruhestromaufnahme, durch welche Zellen über einen längeren Zeitraum entladen werden können, entstehen. Außerdem können tiefentladene Zellen daraus resultieren, dass die jeweiligen Zellspannungen der mehreren Zellen des elektrischen Energiespeichers durch asynchrone Entladung oder Aufladung der mehreren Zellen unterschiedlich sind. Um diesem Effekt entgegenzuwirken werden die jeweiligen Spannungsniveaus der mehreren Zellen regelmäßig abgeglichen und angepasst. Dieser Vorgang wird auch „balancing” genannt.
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Der elektrische Energiespeicher kann Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, sein. Der elektrische Energiespeicher kann dazu ausgebildet sein, einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Dann kann es sich bei dem Kraftfahrzeug beispielsweise um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug handeln. Aus einer tiefentladenen Zelle des elektrischen Energiespeichers kann ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs resultieren, da der tiefentladenen Zelle und somit dem elektrischen Energiespeicher keine elektrische Energie mehr entnommen werden kann.
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Beispielsweise stellt die
WO 2012/123 183 A1 eine Speichervorrichtung zum Speichern von elektrische Energie zur Verfügung. Die Speichervorrichtung umfasst eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer physikalischen Größe in einer Speicherzelle und ein mittels der Überwachungsvorrichtung steuerbares Schaltelement zum Unterbrechen eines Ladestromkreises abhängig von der überwachten physikalischen Größe bereit. Insbesondere kann die Speicherzelle vor einer Überladung geschützt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung zum Steuern eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen, deren Funktionsumfang gegenüber dem Stand der Technik gesteigert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuervorrichtung zum Steuern eines elektrischen Energiespeichers mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um nun eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Funktionsumfang gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuervorrichtung einen Schaltanschluss aufweist, über den das Trennelement unabhängig von der Schalteinheit und/oder der elektrischen Größe in die jeweiligen Schaltzustände schaltbar ist. Durch die Schalteinheit kann ein internes Steuersignal ausgegeben werden. Bei dem internen Steuersignal handelt es sich beispielsweise um eine interne Steuerspannung. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die jeweiligen Schaltzustände des Trennelements in einem Normalbetrieb in Abhängigkeit von dem internen Steuersignal beziehungsweise der internen Steuerspannung zu schalten. Der Schaltanschluss kann dazu ausgebildet sein, mittels eines externen Steuersignal oder einer externen Schaltspannung die jeweiligen Schaltzustände des Trennelements mit Vorrang vor dem internen Steuersignal beziehungsweise der internen Schaltspannung zu schalten. Mit anderen Worten setzt sich das externe Steuersignal über das interne Steuersignal hinweg. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die jeweiligen Schaltzustände des Trennelements in einem Diagnosebetrieb in Abhängigkeit von dem externen Steuersignal zu schalten.
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Vorteilhafterweise umfasst die Schalteinheit ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement, wobei ein erstes Schaltsignal des ersten Schaltelements von der elektrischen Größe abhängt und ein zweites Schaltsignal des zweiten Schaltelements zumindest teilweise von einem Befehlssignal eines Batteriemanagementsystems abhängt. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement sind vorteilhafterweise in Reihe geschaltet. Besonders vorteilhafterweise, beispielsweise gegeben durch die Schaltung in Reihe, hängt das zweite Schaltsignal des zweiten Schaltelements zusätzlich von dem ersten Schaltsignal ab. Der Schaltzustand des Trennelements zum Kontaktieren des elektrischen Energiespeichers und des elektrischen Verbrauchers wird im Folgenden als geschlossener Schaltzustand bezeichnet und der Schaltzustand zum Trennen des elektrischen Energiespeichers und des elektrischen Verbrauchers wird im Folgenden als offener Schaltzustand bezeichnet.
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Vorteilhafterweise ist das erste Schaltelement dazu eingerichtet, durch das erste Schaltsignal den offenen Schaltzustand des Trennelements zu befehlen, wenn ein Wert der elektrischen Größe kleiner ist als ein erster vorbestimmter Grenzwert und/oder größer ist als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Schaltelement dazu eingerichtet sein, durch das erste Schaltsignal den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements zu befehlen, wenn der Wert der elektrischen Größe größer ist als der erste vorbestimmte Grenzwert und/oder kleiner ist als der zweite vorbestimmte Grenzwert. Insbesondere ist der zweite vorbestimmte Grenzwert größer als der erste vorbestimmte Grenzwert. Bei der elektrischen Größe handelt es sich beispielsweise um eine Spannung des elektrischen Energiespeichers. Das zweite Schaltelement kann dazu eingerichtet sein, durch das zweite Schaltsignal den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements zu befehlen, wenn durch das Befehlssignal des Batteriemanagementsystems in den geschlossenen Zustand befohlen ist. Sind das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement in Reihe geschaltet, kann das zweite Schaltelement dazu eingerichtet sein, durch das zweite Schaltsignal den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements zu befehlen, wenn das Trennelement sowohl durch das erste Schaltsignal als auch durch das Befehlssignal des Batteriemanagementsystems in den geschlossenen Zustand befohlen ist. Die Schalteinheit kann dazu eingerichtet sein, das Trennelement, insbesondere in dem Normalbetrieb, mittels des internen Steuersignals dann, vorzugsweise genau dann, in den geschlossen Zustand zu schalten, wenn das Trennelement durch das erste Schaltsignal und/oder durch das zweite Schaltsignal in den geschlossenen Zustand befohlen ist. Das interne Steuersignal kann zumindest zeitweise, insbesondere in dem Normalbetrieb, dem zweiten Schaltsignal entsprechen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. einen Schaltplan einer Ausführungsform einer vorliegenden Steuervorrichtung.
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Die einzige Fig. zeigt eine Ausführungsform einer Steuervorrichtung 25, mit einer Schalteinheit 24, einem Trennelement 23 und einem Schaltanschluss 20. Das Trennelement 23 befindet sich vorliegend in einem Pluspfad 2 eines elektrischen Energiespeichers 1. Die Steuervorrichtung 25 kann innerhalb eines Batteriegehäuses 9 angeordnet sein. Der elektrische Energiespeicher 1 kann als Hochvolt-Speicher, insbesondere als Hochvoltbatterie, ausgeführt sein und kann mehrere Zellen 16 umfassen. Beispielsweise handelt es sich bei den Zellen 16 um Lithium-Ionen Zellen. Der elektrische Energiespeicher 1 stellt eine Packspannung 4 bereit, welche beispielsweise durch eine Reihenschaltung aller Zellen 16 zustande kommt. Die Packspannung 4 entspricht insbesondere einer Ausgangsspannung des elektrischen Energiespeichers 1. Die Packspannung kann mehr als 80 V, insbesondere mehr als 200 V betragen. Der Pluspfad 2 kann einem Pluspol des elektrischen Energiespeichers 1 und ein Minuspfad 3 kann einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers 1 entsprechen.
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Über das Trennelement 23 ist der elektrische Energiespeicher 1 mit einem elektrischen Verbraucher 15, beispielsweise mit einem Fahrzeugzwischenkreis eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, vorzugsweise eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybrid-Fahrzeugs, verbunden. An dem elektrischen Verbraucher 15 fällt vorliegend eine Linkspannung 14 ab.
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Das Trennelement 23 kann jeweilige Schaltzustände zum Kontaktieren und zum Trennen des elektrischen Energiespeichers und des elektrischen Verbrauchers aufweisen. Insbesondere weist das Trennelement 23 einen offenen Schaltzustand auf, in dem der elektrische Energiespeicher 1 und der elektrische Verbraucher 15 getrennt sind. Insbesondere ist in dem offenen Schaltzustand des Trennelements 23 ein elektrischer Stromkreis zwischen dem elektrischen Energiespeicher 1 und dem elektrischen Verbraucher 15 geöffnet. Das Trennelement 23 kann einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen, in dem der elektrische Energiespeicher 1 und der elektrische Verbraucher 15 elektrisch kontaktiert sind. Insbesondere ist in dem geschlossenen Schaltzustand des Trennelements 23 der Stromkreis zwischen dem elektrischen Energiespeicher 1 und dem elektrischen Verbraucher 15 geschlossen. Das bedeutet, es kann ein elektrischer Strom zwischen dem elektrischen Verbraucher 15 und dem elektrischen Energiespeicher 1 fließen. Das Trennelement 23 kann als Schütz, als Schalter oder als Halbleiter, insbesondere als Transistor, vorzugsweise als Metalloxid-Halbleiter Feldeffekttransistor, ausgebildet sein. Vorliegend umfasst die Steuervorrichtung 25 nur ein Trennelement 23 in dem Pluspfad 2 des elektrischen Energiespeichers 1. In anderen Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich ein weiteres Trennelement in dem Minuspfad 3 des elektrischen Energiespeichers 1 angeordnet sein. Eine Ansteuerung des weiteren Trennelements erfolgt insbesondere analog zu der Ansteuerung des Trennelements 23.
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In einem Normalbetrieb der Steuervorrichtung 25 werden die jeweiligen Schaltzustände des Trennelements 23 durch die Schalteinheit 24 gesteuert. Im vorliegenden Kontext wird insbesondere jeder Betriebszustand als Normalbetrieb bezeichnet, der nicht einem Diagnosebetrieb entspricht. Der Diagnosebetrieb wird im weiteren Verlauf noch genauer erläutert. Die Schalteinheit 24 kann ein erstes Schaltelement 5 und ein zweites Schaltelement 6 umfassen. Das erste Schaltelement 5 und das zweite Schaltelement 6 sind vorliegend in Reihe geschaltet. Insbesondere ist ein Ausgang des ersten Schaltelements 5 mit einem ersten Eingang des zweiten Schaltelements 6 kontaktiert.
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Das erste Schaltelement 5 ist vorliegend als Komparator ausgeführt. Über einen ersten Spannungsabgriff 12 ist vorliegend ein erster Eingang des ersten Schaltelements 5 mit dem Pluspfad 2 des elektrischen Energiespeichers 1 kontaktiert. Über einen zweiten Spannungsabgriff 13 ist vorliegend ein zweiter Eingang des ersten Schaltelements 5 mit dem Minuspfad 3 des elektrischen Energiespeichers 1 kontaktiert. Durch den ersten Spannungsabgriff 12 und den zweiten Spannungsabgriff 13 liegt zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang des ersten Schaltelements 5 die Packspannung 4 des elektrischen Energiespeichers 1 an. Der erste Spannungsabgriff 12 und/oder der zweite Spannungsabgriff 13 können einen Spannungsteiler umfassen, um eine Eingangsspannung an dem ersten Eingang und/oder dem zweiten Eingang des ersten Schaltelements 5 zu verringern. In diesem Fall liegt jeweils ein durch den Spannungsteiler vorgegebener Bruchteil der Packspannung 4 zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang des ersten Schaltelements 5 an.
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Das erste Schaltelement 5 kann einen dritten Eingang aufweisen, an welchem ein Referenzspannungssignal 7 anliegt. Das Referenzspannungssignal 7 kann auf ein Potential eines Masseanschlusses 17 bezogen sein. Vorliegend ist das erste Schaltelement 5 als Komparator ausgeführt. Das erste Schaltelement 5 kann dazu ausgebildet sein, die Packspannung 4 mit der Referenzspannung 7 zu vergleichen. Insbesondere ist das erste Schaltelement 5 dazu eingerichtet, durch ein erstes Schaltsignal 30 den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn ein Wert der Packspannung 4 um weniger als ein vorbestimmtes Maß von einem Wert des Referenzspannungssignal 7 abweicht. Insbesondere ist das erste Schaltelement 5 dazu eingerichtet, durch das erste Schaltsignal 30 den offenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn der Wert der Packspannung 4 um mehr als das vorbestimmte Maß von einem Wert des Referenzspannungssignal 7 abweicht. Mit anderen Worten wird durch das erste Schaltelement 5 vorzugsweise genau dann der geschlossene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen, wenn die Packspannung 4 in einem gewünschten Bereich liegt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das erste Schaltelement 5 dazu eingerichtet sein, durch das erste Schaltsignal 30 den offenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn der Wert der Packspannung 4 kleiner ist als ein erster vorbestimmter Grenzwert und/oder größer ist als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Schaltelement 5 dazu eingerichtet sein, durch das erste Schaltsignal 30 den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn der Wert der Packspannung 4 größer ist als der erste vorbestimmte Grenzwert und/oder kleiner ist als der zweite vorbestimmte Grenzwert. Insbesondere ist der zweite vorbestimmte Grenzwert größer als der erste vorbestimmte Grenzwert. Der erste vorbestimmte Grenzwert kann eine Minimalspannung angeben, unterhalb derer eine Tiefentladung vorliegt. Der zweite vorbestimmte Grenzwert kann eine Maximalspannung angeben, oberhalb derer eine Überladung vorliegt.
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Das erste Schaltsignal 30 liegt vorliegend an dem ersten Eingang des zweiten Schaltelements 6 an. An einem zweiten Eingang des zweiten Schaltelements 6 kann ein Befehlssignal 8 eines Batteriemanagementsystems anliegen. Das zweite Schaltelement 6 kann beispielsweise als Komparator oder als logisches AND-Gatter ausgeführt sein. Vorliegend ist das zweite Schaltelement 6 dazu eingerichtet, durch ein zweites Schaltsignal 31 den geschlossenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn sowohl durch das erste Schaltsignal 30 als auch durch das Befehlssignal 8 der geschlossene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen ist. Insbesondere ist das zweite Schaltelement 6 dazu eingerichtet, durch das zweite Schaltsignal 31 den offenen Schaltzustand des Trennelements 23 zu befehlen, wenn durch das erste Schaltsignal 30 und/oder das Befehlssignal 8 der offene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen ist. Mit anderen Worten wird durch das zweite Schaltelement 6 vorzugsweise genau dann der geschlossene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen, wenn die Packspannung 4 in dem gewünschten Bereich liegt und durch das Batteriemanagementsystem befohlen wird, das Trennelement 23 zu schließen.
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In dem Normalbetrieb der Steuervorrichtung 25 kann das zweite Schaltsignal 31 einem Steuersignal 22 entsprechen, mittels welchem die Schaltzustände des Trennelements 23 gesteuert werden. Vorliegend ist die zweite Schalteinheit 6 hierzu mit einer Steuerseite 33 des Trennelements 23 verbunden. Insbesondere kann in dem Normalbetrieb das Trennelement 23 in den geschlossenen Schaltzustand geschaltet sein, wenn durch das zweite Schaltsignal 31 das Trennelement 23 in den geschlossenen Zustand befohlen ist. Insbesondere kann in dem Normalbetrieb das Trennelement 23 durch das Steuersignal 22 in den offenen Zustand geschaltet sein, wenn das Trennelement 23 durch das zweite Schaltsignal 31 in den offenen Zustand befohlen ist.
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Die Steuervorrichtung 25 weist einen Schaltanschluss 20 auf, mittels welchem das Steuersignal 22 unabhängig von dem zweiten Schaltsignal 31 steuerbar ist. Der Schaltanschluss 20 weist vorliegend einen Pluspol 10 und eine Minuspol 11 auf. Der Minuspol 11 kann mit dem Masseanschluss 17 kontaktiert sein. Der Pluspol 10 ist vorliegend mit dem Ausgang des zweiten Schaltelements 6 sowie mit der Steuerseite 33 des Trennelements 23 kontaktiert. Der Schaltanschluss 20. ist vorliegend über einen Diagnoseausgang 21 aus dem Batteriegehäuse 9 herausgeführt.
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Der Schaltanschluss 20 ist dazu ausgebildet, den Schaltzustand des Trennelements 23 in einem Diagnosebetrieb in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal zu steuern. Insbesondere befindet sich die Steuervorrichtung 25 in dem Diagnosebetrieb, wenn an dem Schaltanschluss 20 das externe Steuersignal anliegt. Beispielsweise ist der Ausgang des zweiten Schaltelements 6 hochohmig gestaltet, sodass bei Anliegen des externen Steuersignals das Steuersignal 22 dem externen Steuersignal entspricht. Beispielsweise ist der Schaltanschluss 20 im Normalbetrieb nicht kontaktiert, das bedeutet, der Schaltanschluss 20 kann im Normalbetrieb potentialfrei sein. Dadurch entspricht im Normalbetrieb das Steuersignal 22 dem zweiten Schaltsignal 31. In Abgrenzung zu dem externen Steuersignal kann das zweite Schaltsignal 31 als internes Steuersignal bezeichnet werden.
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Wird durch das erste Schaltsignal 30 und/oder das zweite Schaltsignal 31 der offene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen, kann das erste Schaltsignal 30 und/oder das zweite Schaltsignal 31 einen ersten Spannungswert annehmen, beispielsweise 0 V. Wird durch das erste Schaltsignal 30 und/oder das zweite Schaltsignal 31 der geschlossene Schaltzustand des Trennelements 23 befohlen, kann das er erste Schaltsignal 30 und/oder das zweite Schaltsignal 31 einen zweiten Spannungswert annehmen, beispielsweise 3,3 V oder 5 V. Der erste Spannungswert kann als „Low”-Signal, der zweite Spannungswert als „High”-Signal bezeichnet werden.
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In einem normalen Betrieb das Trennelement 23 somit wie gewohnt mittels des Batteriemanagementsystems (BMS) geöffnet und geschlossen werden. Ist die Packspannung 4 allerdings außerhalb des gewünschten Bereichs, ist ein Schließen des Trennelements 23 über das BMS nicht mehr möglich. Hierfür muss (bspw. in einer Werkstatt) über einen separaten Anschluss, vorliegend den Schaltanschluss 20, das Trennelement 23 geschlossen werden. Somit kann die Steuervorrichtung 25 wieder in den notwendigen Betriebsbereich überführt werden und die Versagensursache genauer analysiert werden. Insbesondere erfolgt die Überwachung der Packspannung 4 in Hardware. Dadurch ist geschlossener Zustand des Trennelements 23 aufgrund eines Fehlers im BMS unwahrscheinlich, wenn sich die Spannung außerhalb des gewünschten Bereichs liegt. Durch die Möglichkeit zur Steuerung über den Schaltanschluss 20 ist der Funktionsumfang gegenüber dem Stand der Technik gesteigert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Energiespeicher
- 2
- Pluspfad
- 3
- Minuspfad
- 4
- Packspannung
- 5
- erstes Schaltelement
- 6
- zweites Schaltelement
- 7
- Referenzspannungssignal
- 8
- Befehlssignal
- 9
- Batteriegehäuse
- 10
- Pluspol
- 11
- Minuspol
- 12
- erster Spannungsabgriff
- 13
- zweiter Spannungsabgriff
- 14
- Linkspannung
- 15
- elektrischer Verbraucher
- 16
- Zellen
- 17
- Masseanschluss
- 20
- Schaltanschluss
- 21
- Diagnoseausgang
- 22
- Steuersignal
- 23
- Trennelement
- 24
- Schalteinheit
- 25
- Steuervorrichtung
- 30
- erstes Schaltsignal
- 31
- zweites Schaltsignal
- 33
- Steuerseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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