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Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem mit mindestens einem Serienstrang, wobei in jedem Serienstrang mindestens ein erstes Speichermodul und ein zweites Speichermodul vorgesehen sind, welche in Serie elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei der Serienstrang mit einem Umrichter elektrisch verbunden ist, der auf seiner Wechselspannungsseite mit einem Wechselstromnetz verbunden ist.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Batteriespeichersystem für Kraftwerke, insbesondere für Solarkraftwerke bekannt, welches eine Vielzahl von Speichermodulen aufweist. Dabei können die Speichermodule unter anderem aus dem Automotivbereich stammen. Das Batteriespeichersystem umfasst mehrere Serienstränge, die jeweils mit zwei Speichermodulen versehen sind. Die Speichermodule eines Serienstrangs sind dabei elektrisch in Reihe miteinander verbunden. Bei einer Vielzahl von Seriensträngen sind die Serienstränge parallel miteinander elektrisch verbunden. Die Serienstränge sind mit einem Umrichter elektrisch verbunden, der auf seiner Wechselspannungsseite mit einem Wechselstromnetz verbunden ist. Das Batteriespeichersystem selbst wird mit einer DC-Systemspannung betrieben.
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Die Speichermodule, welche vorzugsweise aus dem Automotivbereich stammen, weisen mehrere Komponenten auf, wie beispielsweise Halbleiterelemente, insbesondere Halbleiterschalter, welche durch einen Ersatzwiderstand beschrieben werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Ersatzwiderstände der einzelnen Speichermodule stark schwanken können. Folglich weisen bei einem Serienstrang mit zwei in Reihe geschalteten Speichermodulen diese unterschiedliche Ersatzwiderstände auf. Im Ergebnis teilt sich die DC-Systemspannung im gleichen Verhältnis wie die Ersatzwiderstände auf.
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Ein kritischer Zustand liegt vor allem dann vor, wenn Schaltelemente des Speichermoduls, welche zum Anschalten und Abschalten des Speichermoduls dienen, sich im geöffneten Zustand befinden und an dem Serienstrang eine Nennspannung anliegt. Die an dem oben genannten Serienstrang anliegende (Nenn-)Spannung kann durch bereits parallel zugeschaltete Serienstränge oder auch durch den Umrichter selbst aufgeprägt werden. Übersteigt nun eine an einem Speichermodul anliegende Teilspannung einen zulässigen Grenzwert eines Speichermoduls in dem Serienstrang, so kann dies zur Beschädigung des Speichermoduls und /oder der anderen in dem Serienstrang angeordneten Speichermodule oder sogar des kompletten Batteriespeichersystems führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Batteriespeichersystem bereitzustellen, welches in kostengünstig Art und Weise einen zuverlässigen und sicheren Betrieb gewährleistet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Patentanspruch 1, insbesondere durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
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Dabei ist vorgesehen, dass zumindest zu jedem Speichermodul des Serienstrangs jeweils mindestens ein Symmetriewiderstand parallel geschaltet ist. Mit Hilfe des Symmetriewiderstands wird eine Überspannung der Speichermodule in vorteilhafterweise verhindert, wodurch ein sicheres und zuverlässiges Batteriespeichersystem bereitgestellt wird. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die an dem Speichermodul anliegende Spannung unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts, insbesondere einer Grenzwertspannung des Speichermoduls bleibt. Somit wird verhindert, dass die Speichermodule zerstört werden.
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Das Batteriespeichersystem kann zuverlässig in Betrieb genommen werden, wenn das jeweilige Speichermodul mindestens zwei Schaltelemente aufweist, wobei das erste Schaltelement hinter einer ersten Klemmstelle, welche das positive Potential aufweist, angeordnet ist und das zweite Schaltelement vor einer zweiten negativen Klemmstelle, welche ein negatives Potential aufweist, angeordnet ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführung des Batteriespeichersystems kann vorgesehen sein, dass das das jeweilige Speichermodul ein Heizelement und/oder einen Mess- und/oder Lastkreis und/oder einen Halbleiter, insbesondere einen Halbleiterschalter, umfasst, welche vorzugsweise in einem geschlossenen metallischen Gehäuse angeordnet sind, wobei das jeweilige Speichermodul einen Ersatzwiderstand, insbesondere einen Klemmersatzwiderstand, aufweist, welcher durch die Widerstände des Heizelements und/oder des Mess- und/oder Lastkreises und/oder des Halbleiters, insbesondere des Halbleiterschalters ausgebildet ist, wenn mindestens ein Schaltelement einen geöffneten Zustand aufweist, insbesondere wenn das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement einen geöffneten Zustand aufweisen.
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Die Dimensionierung des Symmetriewiderstands erfolgt in Abhängigkeit von den typspezifischen Eigenschaften des Speichermoduls, insbesondere nach dem Ersatzwiderstand des Speichermoduls sowie in Abhängigkeit von den Toleranzen des Speichermoduls.
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Für das Batteriespeichersystem kann es sehr vorteilhaft sein, wenn der einem Speichermodul zugeordnete Symmetriewiderstand niederohmiger als der dem Speichermodul zugeordnete Ersatzwiderstand ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme gelingt es, dass ein Gesamtwiderstand des Speichermoduls, welcher durch den Symmetriewiderstand und dem Ersatzwiderstand gebildet wird, durch den Symmetriewiderstand beeinflusst wird.
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Das Batteriespeichersystem kann sicher und zuverlässig arbeiten, wenn das Batteriespeichersystem einen Arbeitsspannungsbereich von vorzugsweise 600V-840V aufweist und ein Speichermodul einen Arbeitsspannungsbereich von vorzugsweise 300-420V aufweist, wobei die DC-Systemspannung vorzugsweise im Wesentlichen doppelt so groß ist wie eine Klemmenspannung, welche im Arbeitsspannungsbereich des Speichermoduls liegt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung des Batteriespeichersystems kann vorgesehen sein, wenn die Speichermodule als zuvor gebrauchte Speichermodule und/oder als First-Life-Speichermodule ausgebildet sind. Bei gebrauchten Speichermodulen handelt es sich um Speichermodule, die bereits in einem oder mehreren anderen Systemen eingesetzt wurden und gegebenenfalls einen Leistungsverlust aufweisen, wie beispielsweise Speichermodule, die zuvor in Elektroautos eingesetzt wurden. First-Life-Speichermodule sind Speichermodule, die zuvor noch nicht verwendet wurden und bei denen im Wesentlichen keine Leistungsverluste auftreten. Der Einsatz von gebrauchten Speichermodulen weist den Vorteil auf, dass diese kostengünstig am Markt erhältlich sind. Die First-Life-Speichermodule bieten den Vorteil, dass die Speicherkapazität sehr hoch ist. Daher kann es Sinn machen, Batteriespeichersysteme sowohl mit gebrauchten Speichermodulen, als auch mit First-Life-Speichermodulen auszubilden. Dabei könnte sich ein Verhältnis von 90/10 anbieten, und zwar die Verwendung von 90% gebrauchter Speichermodule und 10% First-Life-Speichermodule, oder die Verwendung von 10% gebrauchter Speichermodule und 90% First-Life-Speichermodule. Je nach Auswahl kann ein kostengünstiges und/oder hocheffizientes Batteriespeichersystem bereitgestellt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführung des Batteriespeichersystems kann vorgesehen sein, dass alle ersten und alle zweiten Schaltelemente des Batteriespeichersystems geöffnet sind, wenn der Umrichter inaktiv ist und die DC-Systemspannung 0V aufweist. In diesem Fall befindet sich das Batteriespeichersystem in einem abgeschalteten Zustand.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung des Batteriespeichersystems kann vorgesehen sein, dass der erste Ersatzwiderstand des ersten Speichermoduls hochohmiger oder niederohmiger als der zweite Ersatzwiderstand des zweiten Speichermoduls des jeweiligen Serienstrangs ausgebildet ist.
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Die Bedienung für den Benutzer des Batteriespeichersystems kann in vorteilhafterweise vereinfacht werden, wenn die Schaltelement des Batteriespeichersystems über eine Kommunikationsschnittstelle, welche im oder am Gehäuse des Speichermoduls angeordnet ist, schaltbar sind. Die Kommunikationsschnittstelle kann dabei als CAN-Bus oder aber auch als eine drahtlose Verbindung ausgebildet sein, wie beispielsweise W-Lan.
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Ein sicherer Anlauf des Batteriespeichersystem kann gewährleistet werden, wenn beim in Betrieb nehmen des Batteriespeichersystems in einem ersten Schritt ein DC-Kreis auf eine Vorgabespannung aufgeladen wird und danach durch das Einschalten der Schaltelemente des Speichermoduls diese kontinuierlich zuschaltbar sind, wobei das Batteriespeichersystem erst nach dem Zuschalten aller Serienstränge mit voller Leistung betreibbar ist. Der DC-Kreis ist die elektrische Verbindung der Serienstränge untereinander an deren jeweiligen Pluspolen und an deren jeweiligen Minuspolen und bildet die Verbindung zum Umrichter.
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Um die Leistung des Batteriespeichersystems zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass bei einer Anordnung von mehr als einem Serienstrang in dem Batteriespeichersystem, die einzelnen Serienstränge miteinander parallel verschaltbar sind.
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Die Anzahl der Symmetriewiderstände kann in vorteilhafterweise reduziert werden, wenn in mindestens einem Serienstrang mindestens ein erstes Speichermodulsystem und ein zweites Speichermodulsystem angeordnet sind, die in Serie miteinander verbunden sind, wobei zumindest in dem ersten Speichermodulsystem mindestens zwei erste Speichermodule parallel zueinander geschaltet sind und/oder zumindest in dem zweiten Speichermodulsystem mindestens zwei zweite Speichermodule parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu den ersten Speichermodulen und/oder zu den zweiten Speichermodulen jeweils mindestens ein Symmetriewiderstand parallel geschaltet ist.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
- 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform, und
- 2 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In der 1 ist ein Batteriespeichersystem 1 beispielsweise für ein Solarkraftwerk dargestellt. Das Batteriespeichersystem 1 kann auch mit anderen Kraftwerken verbunden werden, wie beispielsweise Wasserkraftwerke, Windkraftwerke und dergleichen. Das Batteriespeichersystem 1 weist einen Arbeitsspannungsbereich von vorzugsweise 600V-840V auf und ein Speichermodul (6, 6', 6", 7, 7', 7") weist einen Arbeitsspannungsbereich von vorzugsweise 300-420V auf, wobei die DC-Systemspannung vorzugsweise im Wesentlichen doppelt so groß ist wie eine Klemmenspannung, welche im Arbeitsspannungsbereich des Speichermoduls liegt.
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Das hier vorliegende Batteriespeichersystem 1 weist einen Umrichter 2 auf, der einen Pluspol und einen Minuspol umfasst und über Leitungen mit mindestens drei Seriensträngen 3, 4 und 5 elektrisch verbunden ist. Die Serienstränge 3, 4, 5 sind miteinander parallel verschaltet, wie dies anhand der Figur ersichtlich ist. Der Umrichter 2 ist auf seiner Wechselspannungsseite mit einem Wechselstromnetz verbunden.
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Die Serienstränge 3, 4, 5 weisen jeweils zwei in Reihe miteinander verbundene Speichermodule 6, 6', 6", 7, 7',7" auf.
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Im nachfolgenden wird die Funktionsweise des ersten Serienstrangs 3 beschrieben. Die anderen Serienstränge 4, 5 gleichen im Wesentlichen dem Aufbau und der Funktion des Serienstrangs 3.
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Die Speichermodule 6, 7 des Serienstranges 3 sind vorzugsweise als Hochvoltspeicher ausgebildet, welche beispielsweise in der Automotivbranche in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dabei kann es sich um gebrauchte Speichermodule handeln, welche zuvor bereits in Elektrofahrzeugen verwendet wurden, aber auch um sogenannte First-Live-Speichermodule, die noch nicht im Einsatz waren.
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Die Speichermodule 6, 7 sind vom Aufbau im Wesentlichen gleich. So umfasst beispielsweise das Speichermodul 6 des ersten Serienstrangs 3 ein Heizelement und/oder einen Mess- und/oder Lastkreis und/oder einen Halbleiter, insbesondere einen Halbleiterschalter, welche vorzugsweise in einem geschlossenen metallischen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Speichermodul 6 einen Ersatzwiderstand 8, insbesondere einen Klemmersatzwiderstand, aufweist, welcher durch die Widerstände des Heizelements und/oder des Mess- und/oder Lastkreises und/oder des Halbleiters, insbesondere des Halbleiterschalters ausgebildet ist, wenn ein erstes Schaltelement 9 und ein zweites Schaltelement 10 einen geöffneten Zustand aufweisen. Alternativ würde es auch ausreichen, wenn mindestens ein Schaltelement 9 bzw. 10 einen geöffneten Zustand aufweist. Daher umfasst das Speichermodul 6 die mindestens zwei Schaltelemente 9, 10, wobei das erste Schaltelement 9 hinter einer ersten Klemmstelle, welche das positive Potential aufweist, angeordnet ist und das zweite Schaltelement 10 vor einer zweiten negativen Klemmstelle, welche ein negatives Potential aufweist, angeordnet ist.
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Dementsprechend umfasst das zweite Speichermodul 7 ebenfalls einen Ersatzwiderstand 11, ein erstes Schaltelement 12 und ein zweites Schaltelement 13. Die Schaltelemente 9, 10, 12, 13 sind über eine Kommunikationsschnittstelle, welche im oder am Gehäuse des Speichermoduls 6 bzw. 7 angeordnet ist, schaltbar.
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Des Weiteren ist zu jedem Speichermodul 6, 7 des Serienstrangs 3 jeweils ein Symmetriewiderstand 14, 15 parallel geschaltet. Grundsätzlich ist im ersten Speichermodul 6 der Symmetriewiderstand 14 niederohmiger als der Ersatzwiderstand 8 und im zweiten Speichermodul 7 der Symmetriewiderstand 15 niederohmiger als der Ersatzwiderstand 11 ausgebildet. Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Ersatzwiderstand 8 des ersten Speichermoduls 6 hochohmiger oder niederohmiger als der zweite Ersatzwiderstand 11 des zweiten Speichermoduls 7 des Serienstrangs 3 ausgebildet. Die Widerstandswerte der Ersatzwiderstände 8 und 11 sind in den meisten Fällen ungleich, da dies mit der Bauweise und der Beschaffenheit der Speichermodule 6, 7 und deren Fertigungstoleranzen zusammenhängt. Die Ersatzwiderstände 8, 11 sind nicht als statisch zu betrachten, sondern können sich, insbesondere beim Hochfahren des Batteriespeichersystems 1 verändern. Insbesondere die Widerstandswerte der Halbleiter können erheblich in den Speichermodulen 6, 7 variieren.
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Nachfolgend wird der Betrieb des Batteriespeichersystem 1 beschrieben. Im abgeschalteten Zustand des Batteriespeichersystem 1 sind alle Schaltelemente des Batteriespeichersystem 1, insbesondere die Schaltelemente 9, 10, 12, 13 in einem geöffneten Zustand und der Umrichter 2 ist inaktiv, wobei die DC-Systemspannung dann 0V beträgt.
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Beim Anfahren des Batteriespeichersystem 1 wird eine DC-Systemspannung von beispielsweise 800V angelegt. Wie zuvor beschrieben, weisen die Ersatzwiderstände 8 und 11 unterschiedliche Widerstandswerte auf, insbesondere der Ersatzwiderstand 8 ist kleiner, oder sogar viel kleiner, als der Ersatzwiderstand 11. Ohne die Symmetriewiderstände 14, 15 könnte es passieren, dass am Speichermodul 6 dann eine Spannung von beispielsweise 600V entsteht und am Speichermodul 7 beispielsweise eine Spannung von 200V entsteht, wenn die DC-Systemspannung 800V beträgt. Wenn beispielsweise die zulässige Grenzwertspannung des Speichermoduls 6 550V beträgt, dann könnte eine von 600V anliegende Spannung zu einer Beschädigung der Speichermodule 6 und ggf. 7 führen.
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Im erfindungsgemäßen Batteriespeichersystem 1 hingegen sorgen die Symmetriewiderstände 14, 15 dafür, welche nach Erfassung und Messung der jeweiligen Ersatzwiderstände 8, 11 dementsprechend dimensioniert wurden, dass der Spannungsabfall U6, U7 an den Speichermodulen 6, 7, insbesondere an den Ersatzwiderständen 8, 11 vorzugsweise im Bereich der gewünschten 400V liegt. Durch die Anordnung der dimensionierten Symmetriewiderstände 14, 15 wird in vorteilhafterweise sichergestellt, dass beim Anfahren des Batteriespeichersystem 1 eine Beschädigung der Speichermodule 6, 7 und ggf. weiterer Speichermodule verhindert wird.
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Nach der Aufladung der einzelnen Serienstränge 3, 4, 5 werden über die Kommunikationsschnittstelle die einzelnen Speichermodule über Ihre jeweiligen Schaltelemente, insbesondere bei den Speichermodulen 6, 7 über ihre jeweiligen Schaltelemente 9,10 bzw. 12, 13 angeschaltet. Wenn alle Serienstränge 3, 4, 5 zugeschaltet sind, ist das Batteriespeichersystem 1 betriebsbereit. Im Betrieb werden je nach Vorgabe die Speichermodule 6, 6', 6", 7, 7', 7", insbesondere die Speichermodule 6, 7 be- oder entladen oder verbleiben im Ruhezustand. Beim Herunterfahren des Batteriespeichersystems 1 wird der Leistungszufluss gestoppt, die Schaltelemente aller Speichermodule geöffnet, wobei der Umrichter 2 dann die Serienstränge 3, 4, 5 entlädt.
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Es sei angemerkt, dass wie in der Figur durch die gepunkteten Leitungen angedeutet eine Vielzahl von Seriensträngen hinter dem Serienstrang 5 angeordnet werden können.
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Ebenfalls ist es denkbar, dass die Symmetriewiderstände als veränderbare Widerstände ausgebildet sind. Diese können vorzugsweise bei Messungen des Batteriespeichersystem 1 eingesetzt werden.
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Aus Gründen der Vereinfachung wurde auf einige Bezugszeichen in den Serienstränge 4, 5 verzichtet. Wie bereits erwähnt, weisen die Serienstränge einen im Wesentlichen gleichen Aufbau auf. Die Serienstränge 3, 4,5 können sich insbesondere hinsichtlich der Widerstandswerte der Ersatzwiderstände unterscheiden, weil die verschiedene Speichermodule, insbesondere deren einzelne Bauteile Toleranzen aufweisen.
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In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriespeichersystems 1 visualisiert. In der 2 bilden die Speichermulde 6, 6', 6" das erste Speichermodulsystem 16 und die zweiten Speichermodule 7, 7', 7" das zweite Speichermodulsystem 17. Die Speichermodule 6, 6', 6" bzw. 7, 7', 7" sind in ihren jeweiligen Speichermodulsystemen 16, 17 parallel zueinander geschaltet. Die Anzahl der Speichermodule in einem Speichermodulsystem 16, 17 kann beliebig hoch gewählt werden. So ist es auch denkbar, dass in dem ersten Speichermodulsystem 16 drei Speichermodule 6, 6', 6" und in dem zweiten Speichermodulsystem 17 ein einziges Speichermodul 7 oder auch mehrere Speichermodule angeordnet ein können.
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Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel ist zumindest zu jedem Speichermodul 6, 6', 6", 7, 7', 7" des Serienstrangs 3 jeweils mindestens ein Symmetriewiderstand 14 bzw. 15 parallel geschaltet. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel kann jedoch die Anzahl der Symmetriewiderstände 14, 15 pro Speichermodul 6, 6', 6", 7, 7', 7" reduziert werden, weil mehrere Speichermodule 6, 6', 6", 7, 7', 7" parallel zueinander geschaltet sind. Ebenfalls ist es denkbar, weitere Serienstränge in dem Batteriespeichermodul 1 gemäß 2 anzuordnen, welche einen ähnlichen oder denselben Aufbau aufweisen wie der erste Serienstrang 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriespeichersystem
- 2
- Umrichter
- 3
- erster Serienstrang
- 4
- zweiter Serienstrang
- 5
- dritter Serienstrang
- 6
- erstes Speichermodul
- 7
- zweites Speichermodul
- 8
- Ersatzwiderstand des ersten Speichermoduls 6
- 9
- erstes Schaltelement des ersten Speichermoduls 6
- 10
- zweites Schaltelement des ersten Speichermoduls 6
- 11
- Ersatzwiderstand des zweiten Speichermoduls 7
- 12
- erstes Schaltelement des zweiten Speichermoduls 7
- 13
- zweites Schaltelement des zweiten Speichermoduls 7
- 14
- Symmetriewiderstand des ersten Speichermoduls 6
- 15
- Symmetriewiderstand des zweiten Speichermoduls 7
- 16
- erstes Speichermodulsystem
- 17
- zweites Speichermodulsystem
- 6'
- erstes Speichermodul des Serienstrangs 4
- 7'
- zweites Speichermodul des Serienstrangs 4
- 6"
- erstes Speichermodul des Serienstrangs 5
- 7"
- zweites Speichermodul des Serienstrangs 5
- U6
- Spannung Speichermodul 6
- U7
- Spannung Speichermodul 7
- SM
- Speichermodul
