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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, welches eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst, wobei die Batterie eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen aufweist, und wobei jeder der Batteriestränge separat zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) vermehrt elektrische und elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Solche Fahrzeuge weisen Antriebssysteme zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors auf, welcher zum Antrieb des Fahrzeugs dient.
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Bekannte Antriebssysteme für Fahrzeuge umfassen unter anderem ein Batteriemanagementsystem. Das Batteriemanagementsystem dient zur Überwachung der Batterie mittels mehrerer Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Stromsensoren und Spannungssensoren. Das Batteriemanagementsystem dient auch zur Steuerung der Batterie. Insbesondere dient das Batteriemanagementsystem dazu, die Batterie in einem Fehlerfall abzuschalten.
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Ein gattungsgemäßes Antriebssystem umfasst beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, welche mehrere parallel geschaltete Batteriestränge umfasst. Jeder Batteriestrang umfasst beispielsweise mehrere seriell verschaltete Batteriezellen. Dabei ist jedem Batteriestrang ein eigener Schalter zugeordnet, mittels welchem der jeweilige Batteriestrang zugeschaltet und abgeschaltet werden kann. Der Batteriestrang wird insbesondere dann abgeschaltet, wenn ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, darin erkannt wird.
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Aus der
US 2013/0088201 A1 ist ein Batteriesystem für ein Fahrzeug bekannt, welches mehrere parallel geschaltete Batteriestränge aufweist. Jeder Batteriestrang ist mittels eines separaten Schalters zuschaltbar und abschaltbar. Ein Steuerschaltkreis dient zur Messung von Spannungen der einzelnen parallel geschalteten Batteriestränge und zur Ansteuerung der den Batteriesträngen zugeordneten Schalter. Dabei ist ein Reservebatteriestrang vorgesehen, welcher zugeschaltet wird, wenn ein anderer Batteriestrang bei einem Fehler abgeschaltet wird.
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Die
US 2012/0091964 A1 offenbart ebenfalls ein Batteriesystem für ein Fahrzeug. Das Batteriesystem umfasst mehrere parallel geschaltete Batteriestränge, wobei jeder Batteriestrang mittels eines separaten Schalters zuschaltbar und abschaltbar ist. Dabei umfasst jeder Batteriestrang mehrere seriell verschaltete Batteriezellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen. Das Antriebssystem umfasst eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie, welche eine Mehrzahl von parallel geschalteten Batteriesträngen aufweist. Dabei ist jeder Batteriestrang separat zuschaltbar sowie abschaltbar. Bei der Batterie handelt es insbesondere um eine Hochvolt-Batterie, welche die Energie zum Antrieb des Fahrzeugs liefert. Über einen Gleichspannungswandler kann die Hochvolt-Batterie auch ein Niederspannungsbordnetz mit einer Nennspannung von beispielsweise 12 V speisen. Jeder der Batteriestränge umfasst mehrere seriell verschaltete Batteriezellen.
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Erfindungsgemäß sind die parallel geschalteten Batteriestränge an eine gemeinsame Schalteinheit angeschlossen, welche mehrere Schalter zum separaten Zuschalten sowie zum separaten Abschalten der angeschlossenen Batteriestränge aufweist, und welche mehrere Stromsensoren zum separaten Messen von in den angeschlossenen Batteriesträngen fließenden Batterieströmen aufweist.
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Derartige Schalteinheiten sind beispielsweise als „ePDU“ (Enclosure Power Distribution Unit) bekannt. Solche Schalteinheiten werden beispielsweise eingesetzt, um Energie von einer Spannungsquelle zu mehreren Verbrauchern zu übertragen. Die einzelnen Verbraucher können dabei separat zugeschaltet und abgeschaltet werden. Die Schalter der Schalteinheit sind vorzugsweise als elektronische Schalter, beispielsweise MOSFET, ausgeführt.
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Vorzugsweise weist die Schalteinheit ein Steuermodul auf, welches Messwerte der Stromsensoren aufnimmt und welches die Schalter ansteuert. Insbesondere vergleicht das Steuermodul die aufgenommenen Messwerte der Stromsensoren mit vorgegebenen Grenzwerten und schaltet einen Batteriestrang ab, wenn der Batteriestrom in diesem Batteriestrang einen Grenzwert überschreitet. Aber auch bei anderen erkannten Fehlern, beispielsweise bei zu hoher Temperatur oder bei Ausfall einer Batteriezelle kann das Steuermodul der Schalteinheit einen Batteriestrang abschalten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kommuniziert die Schalteinheit über eine Kommunikationsleitung mit einem Batteriemanagementsystem. Die Kommunikationsleitung ist Teil eines in dem Fahrzeug vorhandenen Bussystems. Insbesondere kann das Batteriemanagementsystem die Grenzwerte für die Batterieströme in den einzelnen Batteriesträngen über die Kommunikationsleitung an die Schalteinheit, insbesondere an das Steuermodul, übertragen. Das Batteriemanagementsystem wird dabei von dem Niederspannungsbordnetz mit Energie versorgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schalteinheit über einen Hauptschalter mit einem Verbraucher und/oder mit einem Zwischenkreiskondensator verbindbar. Der Hauptschalter ist beispielsweise als Schütz, also als ein ansteuerbares elektromechanisches Relais, ausgeführt und ist von dem Batteriemanagementsystem ansteuerbar.
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Vorzugsweise sind parallel zu dem Hauptschalter ein Vorladewiderstand und ein Vorladeschalter geschaltet, über welche die Schalteinheit mit dem Verbraucher und/oder mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist. Auch der Vorladeschalter ist beispielsweise als Schütz, also als ein ansteuerbares elektromechanisches Relais, ausgeführt und ist von dem Batteriemanagementsystem ansteuerbar.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebssystems vorgeschlagen. Dabei werden die in den angeschlossenen Batteriesträngen fließenden Batterieströme separat gemessen und jeweils mit einem dem Batteriestrang zugeordneten Grenzwert verglichen. Dabei wird ein Batteriestrang separat abgeschaltet, wenn der in dem Batteriestrang fließende Batteriestrom den zugeordneten Grenzwert überschreitet. Die die in den einzelnen Batteriesträngen fließenden Batterieströme werden von den Stromsensoren der Schalteinheit gemessen und ein Batteriestrang wird von einem Schalter der Schalteinheit abgeschaltet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei jedem Batteriestrang ein separater Grenzwert zugeordnet. Der dem Batteriestrang zugeordnete Grenzwert kann beispielweise von einem inneren Aufbau oder einer Ausgestaltung des Batteriestrangs abhängig sein.
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Beispielsweise kann ein angeschlossener Batteriestrang eine hohe Energiedichte aber eine geringe Leistungsdichte aufweisen. Ein anderer Batteriestrang kann eine hohe Leistungsdichte aber eine geringe Energiedichte aufweisen. In diesem Fall kann dem Batteriestrang mit der hohen Leistungsdichte ein höherer Grenzwert zugeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die den Batteriesträngen zugeordneten Grenzwerte von einem Batteriemanagementsystem zu der Schalteinheit übertragen. Insbesondere werden die zugeordneten Grenzwerte dabei über eine Kommunikationsleitung zu der Schalteinheit übertragen.
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Es ist denkbar, dass jedem Batteriestrang statisch ein Grenzwert zugeordnet ist. Bevorzugt werden aber die den Batteriesträngen zugeordneten Grenzwerte von dem Batteriemanagementsystem dynamisch ermittelt und zu der Schalteinheit übertragen. Ein Grenzwert für einen Batteriestrang kann somit während des Betriebs des Antriebssystems und des Fahrzeugs geändert werden. Der Grenzwert kann beispielsweise von der Temperatur sowie von dem Ladezustand der Batteriezellen des Batteriestrangs abhängig sein.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren finden vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem weist eine erhöhte Verfügbarkeit auf. Bei einem Fehler, beispielsweise einem Kurzschluss, in einem Batteriestrang kann dieser Batteriestrang separat abgeschaltet werden. Mit den übrigen Batteriesträngen ist weiterhin ein Betrieb des Antriebssystems und damit des Fahrzeugs mit verringerter Leistung möglich. Ebenso kann nach Abschalten eines fehlerhaften Batteriestrangs ein Niederspannungsbordnetz weiter gespeist werden, welches ein Batteriemanagementsystem versorgt. Somit bleibt das Batteriemanagementsystem weiter betriebsbereit.
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Die Schalteinheit ist dabei unabhängig von der Art der Batteriezellen in den Batteriesträngen der Batterie. Insbesondere kann eine Batterie Batteriestränge mit hoher Energiedichte und Batteriestränge mit hohe Leistungsdichte umfassen. Die Schalteinheit kann jeden Batteriestrang durch Vorgabe unterschiedlicher Grenzwerte separat und genau überwachen. Die Schalteinheit kann die in den Batteriesträngen fließenden Batterieströme selbst messen. Weitere erforderliche Daten, beispielsweise Spannung, Ladezustand sowie Temperatur der Batteriezellen in den einzelnen Batteriestränge kann die Schalteinheit über die Kommunikationsleitung, beispielsweise ein CAN-Bus, von dem Batteriemanagementsystem erhalten.
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Die Schalteinheit stellt zusätzlich eine teilweise Redundanz zu dem Batteriemanagementsystem dar. Selbst bei Ausfall des Batteriemanagementsystems kann die Schalteinheit weiterhin das Antriebssystem in einem Notbetrieb steuern. Somit kann das Fahrzeug selbst bei Ausfall mehrerer Batteriestränge und des Batteriemanagementsystem noch mit verringerter Leistung weiter betrieben werden, beispielsweise um auf einer Autobahn den nächstgelegenen Parkplatz zu erreichen. Durch die so vorhandene Redundanz kann das erfindungsgemäße Antriebssystem auch die Anforderungen für autonomes Fahren erfüllen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems und
- 2 eine schematische Darstellung einer Schalteinheit aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist ein Antriebssystem 10 für ein Fahrzeug schematisch dargestellt. Das Antriebssystem 10 umfasst eine Batterie 14 zur Speicherung von elektrischer Energie, welche eine Mehrzahl von Batteriesträngen 12 aufweist. Vorliegend weist die Batterie 14 drei Batteriestränge 12 auf, welche parallel geschaltet sind. Im Betrieb des Antriebssystems 10 fließt jeweils ein Batteriestrom IB durch jeden Batteriestrang 12.
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Jeder der parallel geschalteten Batteriestränge 12 weist mehrere Batteriezellen 2 auf, welche seriell verschaltet sind. Es sind derart viele Batteriezellen 2 seriell verschaltet, dass eine Ausgangsspannung des Batteriestrangs 12 einen gewünschten Wert hat. Die Batteriestränge 12 können gleichartige Batteriezellen 2 aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass einer der angeschlossenen Batteriestränge 12 Batteriezellen 2 mit einer hohen Energiedichte aber einer geringen Leistungsdichte aufweist, und dass ein anderer der Batteriestränge 12 Batteriezellen 2 mit einer hohen Leistungsdichte aber einer geringen Energiedichte aufweist.
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Das Antriebssystem 10 umfasst auch eine Schalteinheit 40, welche mehrere Eingänge 38 aufweist. Jeder der Batteriestränge 12 der Batterie 14 ist an einen separaten Eingang 38 der Schalteinheit 40 angeschlossen. Mittels der Schalteinheit 40 kann jeder der angeschlossenen Batteriestränge 12 separat zugeschaltet sowie abgeschaltet werden. Wenn ein Batteriestrang 12 zugeschaltet ist, so ist der Batteriestrang 12 mit einem Ausgang 36 der Schalteinheit 40 elektrisch verbunden.
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Das Antriebssystem 10 umfasst ferner einen Verbraucher 30, welcher beispielsweise ein Wechselrichter oder ein Inverter ist und zur Ansteuerung eines hier nicht dargestellten Antriebsmotors des Fahrzeugs dient. Der als Wechselrichter oder Inverter ausgestaltete Verbraucher 30 entnimmt der Batterie 14 im Betrieb des Fahrzeugs elektrische Energie und wandelt eine von der Batterie 14 gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Ansteuerung des Antriebsmotors um.
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Das Antriebssystem 10 umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator 16. Der Zwischenkreiskondensator 16 ist parallel zu dem Verbraucher 30 geschaltet. Im Betrieb des Fahrzeugs fällt über dem Zwischenkreiskondensator 16 eine Kondensatorspannung ab, welche der von der Batterie 14 gelieferten Gleichspannung entspricht.
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Das Antriebssystem 10 umfasst einen ersten Hauptschalter 21, welcher mit dem Ausgang 36 der Schalteinheit 40 sowie mit dem Zwischenkreiskondensator 16 und dem Verbraucher 30 verbunden ist. Über den ersten Hauptschalter 21 ist die Schalteinheit 40 somit mit dem Zwischenkreiskondensator 16 und dem Verbraucher 30 verbindbar. Auch umfasst das Antriebssystem 10 einen zweiten Hauptschalter 22, welcher mit der Batterie 14 sowie mit dem Zwischenkreiskondensator 16 und dem Verbraucher 30 verbunden ist. Wenn die Hauptschalter 21, 22 geschlossen sind, so kann ein Antriebsstrom IA von der Batterie 14 zu dem Verbraucher 30 fließen.
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Das Antriebssystem 10 umfasst auch einen Vorladeschalter 20 und einen Vorladewiderstand 25. Der Vorladeschalter 20 und der Vorladewiderstand 25 sind miteinander seriell verschaltet und sind parallel zu dem ersten Hauptschalter 21 geschaltet. Über den Vorladeschalter 20 und den Vorladewiderstand 25 ist die Schalteinheit 40 somit mit dem Zwischenkreiskondensator 16 und dem Verbraucher 30 verbindbar. Der Vorladeschalter 20 und der Vorladewiderstand 25 dienen zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators 16 beim Starten des Fahrzeugs. Der Vorladewiderstand 25 begrenzt einen Ladestrom beim Vorladen des Zwischenkreiskondensators 16. Wenn der Zwischenkreiskondensator 16 eine ausreichende Vorladung aufweist wird der erste Hauptschalter 21 geschlossen und der Vorladeschalter 20 geöffnet.
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Das Antriebssystem 10 umfasst ferner ein Batteriemanagementsystem 50. Die Schalteinheit 40 ist über eine Kommunikationsleitung 52 mit dem Batteriemanagementsystem 50 verbunden. Die Kommunikationsleitung 52 ist Teil eines in dem Fahrzeug vorhandenen Bussystems, beispielsweise eines CAN-Bus. Die Schalteinheit 40 kommuniziert über die Kommunikationsleitung 52 mit dem Batteriemanagementsystem 50. Das Batteriemanagementsystem 50 dient unter anderem zur Ansteuerung der Hauptschalter 21, 22 und des Vorladeschalters 20.
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Das Batteriemanagementsystem 50 wird aus einem Bordnetz 54 mit Energie versorgt, welches als Niederspannungsbordnetz mit einer Nennspannung von beispielsweise 12 V ausgelegt ist. Das Bordnetz 54 wird über einen hier nicht dargestellten Gleichspannungswandler von der Batterie 14 gespeist, also mit elektrischer Energie versorgt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinheit 40 aus 1. Die Schalteinheit 40 ist vorliegend als „ePDU“ (Enclosure Power Distribution Unit) ausgestaltet. Wie bereits erwähnt, umfasst die Schalteinheit 40 mehrere Eingänge 38 und einen Ausgang 36. Die Eingänge 38 sind jeweils mittels eines Strompfads 48 mit dem Ausgang 36 verbunden. Die Schalteinheit 40 stellt vorliegend eine bauliche Einheit dar.
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Jeder Strompfad 48 weist einen Schalter 42 auf, welcher beispielsweise als MOSFET ausgestaltet ist. Die Schalter 42 sind dabei unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Schalteinheit 40 umfasst somit mehrere Schalter 42 zum separaten Zuschalten sowie zum separaten Abschalten der an die Eingänge 38 angeschlossenen Batteriestränge 12.
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Jeder Strompfad 48 weist auch einen Stromsensor 44 auf. Jeder Stromsensor 44 dient zum Messen eines in dem Strompfad 48 fließenden Stroms. Die Schalteinheit 40 umfasst somit mehrere Stromsensoren 44 zum separaten Messen von in den angeschlossenen Batteriesträngen 12 fließenden Batterieströmen IB.
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Die Schalteinheit 40 umfasst ferner ein Steuermodul 46. Das Steuermodul 46 ist mit den Schaltern 42 sowie mit den Stromsensoren 44 der einzelnen Strompfade 48 verbunden. Die Schalteinheit 40 nimmt Messwerte der Batterieströmen IB von den Stromsensoren 44 auf und steuert die Schalter 42 an. Auch umfasst die Schalteinheit 40 eine Kommunikationsschnittstelle 32. An die Kommunikationsschnittstelle 32 ist die Kommunikationsleitung 52 angeschlossen. Die Kommunikationsschnittstelle 32 ist ebenfalls mit dem Steuermodul 46 verbunden.
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Im regulären Betrieb des Fahrzeugs und des Antriebssystems 10 sind die Schalter 42 der Schalteinheit 40 und die beiden Hauptschalter 21, 22 geschlossen. Der Vorladeschalter 20 ist offen. Von jedem Batteriestrang 12 der Batterie 14 fließt ein Batteriestrom IB in die Schalteinheit 40 hinein. Dabei können die einzelnen Batterieströme IB verschiedene Werte haben. Der Antriebsstrom IA fließt von der Schalteinheit 40 zu dem Verbraucher 30. Der Zwischenkreiskondensator 16 ist voll geladen. Der Antriebsstrom IA ergibt sich als Summe der Batterieströme IB.
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Die die in den einzelnen Batteriesträngen 12 fließenden Batterieströme IB durchfließen die Strompfade 48 der Schalteinheit 40 und werden von den Stromsensoren 44 der Schalteinheit 40 separat gemessen. Die Messwerte der Stromsensoren 44 werden von dem Steuermodul 46 aufgenommen. Das Steuermodul 46 vergleicht die aufgenommenen Messwerte der Stromsensoren 44 mit vorgegebenen Grenzwerten.
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Wenn in einem der Batteriestränge 12 und damit in einem der Strompfade 48 ein Batteriestrom IB fließt, der den zugeordneten Grenzwert überschreitet, so öffnet das Steuermodul 46 den Schalter 42 in dem entsprechenden Strompfad 48. Dadurch wird der entsprechende Batteriestrang 12 abgeschaltet. Die übrigen Batteriestränge 12, deren Batterieströme IB den zugeordneten Grenzwert nicht überschreiten, bleiben zugeschaltet.
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Jedem Batteriestrang 12 ist vorliegend ein separater Grenzwert zugeordnet, welcher unter anderem von einem inneren Aufbau oder einer Ausgestaltung des Batteriestrangs 12 abhängig ist. Das Batteriemanagementsystem 50 überträgt die den einzelnen Batteriesträngen 12 zugeordneten Grenzwerte über die Kommunikationsleitung 52 und die Kommunikationsschnittstelle 32 zu der Schalteinheit 40 und zu dem Steuermodul 46. Es ist auch denkbar, dass die Grenzwerte in dem Steuermodul 46 fest vorgegeben sind.
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Es ist denkbar, dass jedem Batteriestrang 12 statisch ein Grenzwert zugeordnet ist. In diesem Fall werden die Grenzwerte beispielsweise beim Starten des Antriebssystems 10 und des Fahrzeugs einmalig von dem Batteriemanagementsystem 50 zu dem Steuermodul 46 übertragen. Vorliegend werden die den Batteriesträngen 12 zugeordneten Grenzwerte von dem Batteriemanagementsystem 50 dynamisch ermittelt und zu dem Steuermodul 46 übertragen. Die Übertragung der Grenzwerte kann dabei zyklisch oder ereignisgesteuert erfolgen.
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Ein Grenzwert für einen Batteriestrang 12 wird somit während des Betriebs des Antriebssystems 10 und des Fahrzeugs bei geänderten Bedingungen von dem Batteriemanagementsystem 50 neu ermittelt. Solche Bedingungen, die eine Änderung eines Grenzwerts bewirken, sind beispielsweise eine Temperatur oder ein Ladezustand von mindestens einer der Batteriezellen 2 des betreffenden Batteriestrangs 12.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0088201 A1 [0005]
- US 2012/0091964 A1 [0006]
