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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bei Verwendung von Lithium-Polymer-Akkus verschiedener Konfigurationen, wie Parallelschaltung und Serienschaltung, in Robotern oder Flugsystemen werden die Akkus zum Laden oder Entladen für gewöhnlich aus dem System entnommen. Um die einzelnen Zellen der Lithium-Polymer-Akkus kontrolliert laden zu können, werden in der Regel sogenannte Balancer zum Laden der Akkus eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Ladevorrichtung zum Laden von Batterien in einem batteriebetriebenen Objekt, ein batteriebetriebenes Objekt, ein Verfahren zum Laden von Batterien in einem batteriebetriebenen Objekt, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird eine Ladevorrichtung zum Laden von Batterien in einem batteriebetriebenen Objekt vorgestellt, wobei die Ladevorrichtung folgende Merkmale aufweist:
- ein Steuermodul zum Steuern eines Ladevorgangs einer in dem batteriebetriebenen Objekt befindlichen Batterie, wobei das Steuermodul einen mit einer externen Spannungsquelle koppelbaren Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Ladespannung an das Steuermodul und ein Schnittstellenmodul zum Übertragen von Parametern bezüglich des Ladevorgangs der Batterie aufweist; und
- zumindest ein Zusatzsteuermodul zum Steuern eines Ladevorgangs zumindest einer in dem batteriebetriebenen Objekt befindlichen Zusatzbatterie, wobei das Zusatzsteuermodul mit dem Steuermodul gekoppelt oder koppelbar ist, um die Zusatzbatterie unter Verwendung der Ladespannung laden zu können, und ein Zusatzschnittstellenmodul zum Übertragen von Zusatzparametern bezüglich des Ladevorgangs der Zusatzbatterie aufweist.
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Unter einer Ladevorrichtung kann eine in oder an dem Objekt angeordnete Ladeelektronik aus mehreren je einer Batterie zugeordneten und beispielsweise miteinander gekoppelten Steuer- und Schnittstellenmodulen verstanden werden. Bei dem batteriebetriebenen Objekt kann es sich beispielsweise um ein Fluggerät wie etwa eine Drohne, einen Roboter, ein Sportgerät oder ein Modellfahrzeug oder -flugzeug handeln. Auch kann es sich bei dem Objekt ohne Anspruch auf Vollständigkeit um einen eScooter, ein Quad, ein Trike, ein eWheely, ein Kickelec, ein eBike, ein Forklift, ein SmartWheel, ein AutoBod oder ein Elektroauto handeln. Unter einer Batterie oder Zusatzbatterie kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, insbesondere etwa ein Lithium-Polymer-Akkumulator, verstanden werden. Der Ansatz lässt sich dabei auch auf zukünftige Batterien anwenden, die die gleiche Ladeeigenschaften aufweisen. Bei dem Steuermodul oder dem Zusatzsteuermodul kann es sich beispielsweise um einen Steuerungscontroller in Form eines Balancers zur gleichmäßigen Ladungsverteilung zwischen verschiedenen Zellen der Batterie oder der Zusatzbatterie handeln. Das Steuermodul und das Zusatzsteuermodul können beispielsweise miteinander in Reihe geschaltet sein, sodass das Zusatzsteuermodul über das Steuermodul mit dem Versorgungsanschluss verbunden ist. Bei den Parametern oder Zusatzparametern kann es sich beispielsweise um eine Spannung, einen Strom, eine Kapazität oder einen Innenwiderstand der Batterie oder der Zusatzbatterie oder einzelner Zellen der Batterie oder der Zusatzbatterie handeln. Das Schnittstellenmodul oder das Zusatzschnittstellenmodul kann beispielsweise eine Komponente eines Bussystems, insbesondere eines CAN-Busses, zum Übertragen der Parameter oder der Zusatzparameter sein, insbesondere auch zum drahtlosen Übertragen. Die Parameter können dabei unter Verwendung eines geeigneten Schnittstellenprotokolls, beispielsweise in Form elektrischer Signale, übertragen werden. Auch das Schnittstellenmodul und das Zusatzschnittstellenmodul können beispielsweise miteinander in Reihe geschaltet sein. Das Steuermodul oder, alternativ oder zusätzlich, das Zusatzsteuermodul kann eine oder mehrere Schaltelemente zum Herstellen oder Trennen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Steuermodul und dem Zusatzsteuermodul aufweisen. Das Schaltelement kann beispielsweise unter Verwendung der Parameter oder der Zusatzparameter ansteuerbar sein, um ein paralleles oder versetztes Laden der Batterie und der Zusatzbatterie zu ermöglichen.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass die Batterien eines batteriebetriebenen Objekts, etwa eines Flugsystems oder eines Roboters mit mehreren Lithium-Polymer-Akkus, mithilfe einer entsprechenden Onboard-Ladetechnik, d. h. einer im Objekt platzierten Ladeelektronik, über nur eine Ladezuleitung parallel oder nacheinander ohne menschliche Hilfe geladen werden können. Als Ladezuleitung kann beispielsweise eine Spule verwendet werden. Dabei können die Ladevorgänge der einzelnen Batterien oder Batteriezellen durch Austausch entsprechender Parameter über ein Bussystem, etwa über einen CAN-Bus, genau überwacht und gesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Steuermodul zumindest zwei Zellenanschlüsse zum separaten Kontaktieren von zumindest zwei Batteriezellen der Batterie aufweisen und als Balancer zum Steuern einer Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen der Batterie realisiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Zusatzsteuermodul zumindest zwei Zusatzzellenanschlüsse zum separaten Kontaktieren von zumindest zwei Batteriezellen der Zusatzbatterie aufweisen und als Balancer zum Steuern einer Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen der Zusatzbatterie realisiert sein. Unter einem Balancer kann eine elektronische Ausgleichsregelschaltung zum gleichmäßigen Verteilen einer elektrischen Ladung in den beispielsweise durch Fertigungstoleranzen in ihrer Kapazität oder ihrem Innenwiderstand leicht voneinander abweichenden galvanischen Zellen innerhalb der Batterie oder der Zusatzbatterie verstanden werden. Der Balancer kann Teil eines Batteriemanagementsystems des batteriebetriebenen Objekts sein. Durch diese Ausführungsform kann annähernd die gesamte Kapazität der Batterie oder der Zusatzbatterie genutzt werden. Ferner kann dadurch einer alterungsbedingten zeitlichen Veränderung der einzelnen Zellen der Batterie oder der Zusatzbatterie effizient entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Steuermodul oder, zusätzlich oder alternativ, das Zusatzsteuermodul ausgebildet sein, um eine Kopplung des Zusatzsteuermoduls mit dem Steuermodul unter Verwendung der Parameter oder, zusätzlich oder alternativ, der Zusatzparameter zu trennen. Dadurch können die Batterie und die Zusatzbatterie separat, insbesondere nacheinander, aufgeladen werden. Je nach Ausführungsform kann dadurch beispielsweise eine Beschleunigung eines jeweiligen Ladevorgangs der Batterie oder der Zusatzbatterie erreicht werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Versorgungsanschluss als Teil einer Steckverbindung realisiert ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Versorgungsanschluss zumindest eine Spule zum drahtlosen Empfangen einer die Ladespannung repräsentierenden elektrischen Energie aufweisen. Durch diese Ausführungsform wird eine einfache, schnelle und sichere elektrische Kontaktierung der Ladevorrichtung des batteriebetriebenen Objekts ermöglicht.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Schnittstellenmodul oder das Zusatzschnittstellenmodul oder beide Schnittstellenmodule je als Bus-Schnittstellenmodul oder, zusätzlich oder alternativ als Schnittstellenmodul zur drahtlosen Datenübertragung realisiert sind. Dadurch wird eine besonders effiziente Datenübertragung ermöglicht. Ferner kann dadurch ein Verdrahtungsaufwand beim Laden der Batterien möglichst gering gehalten werden. Insbesondere kann dadurch die Gefahr eines Kurzschlusses oder einer Explosion durch sich berührende Kabel oder Stecker vermieden werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht in einem sogenannten „Smart Energy Management“ bei dem bei einem unterschiedlichen Ladestatus Batterien abgeschaltet werden können, um eine Tiefentladung zu vermeiden. Zudem kann die Sicherheit erhöht werden, da aufgrund eines Temperaturmanagements eine Überhitzung der Zellen oder Akkupacks vermieden werden kann. Dadurch kann die Lebenszeit der Batterien verlängert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit einer Skalierung. So kann unproblematisch skaliert werden, es sind also parallele und serielle Zusammenschaltungen möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Versorgungsanschluss über das Steuermodul mit dem Zusatzsteuermodul verbunden sein. Dadurch kann der Verdrahtungsaufwand zur Verschaltung der einzelnen Module innerhalb des batteriebetriebenen Objekts weiter gesenkt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein batteriebetriebenes Objekt mit einer Ladevorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen.
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Zudem schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Laden von Batterien in einem batteriebetriebenen Objekt mittels einer Ladevorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Übertragen der Parameter und/oder der Zusatzparameter; und
- Steuern des Ladevorgangs der Batterie unter Verwendung der Parameter und/oder der Zusatzparameter und/oder Steuern des Ladevorgangs der Zusatzbatterie unter Verwendung der Parameter und/oder der Zusatzparameter.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ladesystems zum Laden von Batterien mittels externer Ladeeinrichtungen;
- 2 eine schematische Darstellung eines Fluggeräts mit Anschlussleitungen zum Anschließen eines Ladesystems aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung eines batteriebetriebenen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung eines Versorgungsanschlusses in einer Ladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ladesystems 100 zum Laden von Batterien 102 mittels externer Ladeeinrichtungen 106, die je ein Ladegerät 110 und einen Balancer 112 umfassen, etwa einen Lithium-Polymer-Balancer. Beispielsweise soll ein Fluggerät, das mittels vier Batterien 102 vom Typ 6S1P betrieben wird, automatisch ohne menschliche Hilfe geladen werden. Das Fluggerät landet dazu beispielsweise auf einer Plattform, wird zentriert und kontaktiert. Dabei werden alle Leitungen 114 der jeweiligen Zellen der Batterien 102 zum jeweiligen Balancer 112 geführt. Gemäß dem in 1 gezeigten Beispiel sind das pro Batterie sechs Zellen, somit insgesamt acht Leitungen 114. Da das Fluggerät insgesamt vier Batterien 102 aufweist, werden zum Laden insgesamt 32 Leitungen 114 benötigt, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fluggeräts 200 mit Anschlussleitungen 202 zum Anschließen des Ladesystems aus 1. Beispielsweise weist das Fluggerät 200 entsprechend der Anzahl der verwendeten Batterien und entsprechend der jeweiligen Zellenanzahl der Batterien 32 Anschlussleitungen 202 auf, was einen hohen Verdrahtungsaufwand bedeutet. Mittels des hier vorgestellten Ansatzes kann der Verdrahtungsaufwand zum Laden eines derartigen batteriebetriebenen Objekts hingegen auf ein Minimum reduziert werden, indem die entsprechende Ladeelektronik im Objekt mitgeführt wird, wie dies nachfolgend anhand von 3 verdeutlicht wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Ladevorrichtung 300 ist ausgebildet, um eine Batterie 302 und zumindest eine Zusatzbatterie 304 in einem batteriebetriebenen Objekt zu laden. Hierzu umfasst die Ladevorrichtung 300 ein Steuermodul 306 zum Steuern eines Ladevorgangs der Batterie 302 sowie zumindest ein Zusatzsteuermodul 308 zum Steuern eines jeweiligen Ladevorgangs der Zusatzbatterien 304. In 3 sind beispielhaft lediglich zwei von mehreren möglichen Zusatzbatterien 304 mit ihren jeweiligen Zusatzsteuermodulen 308 gezeigt. Je nach Ausführungsbeispiel umfasst das batteriebetriebene Objekt etwa nur zwei oder auch vier oder mehr als vier Batterien.
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Bei den Batterien 302, 304 handelt es sich beispielsweise um baugleiche Akkumulatoren aus jeweils einer Mehrzahl, beispielsweise sechs Batteriezellen, insbesondere etwa um Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Dabei sind die Batteriezellen der Batterie 302 separat über je eine Zellenleitung 310 mit entsprechenden Zellenanschlüssen 311 des Steuermoduls 306 verbunden.
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Ebenso sind auch die jeweiligen Batteriezellen der Zusatzbatterien 304 separat über je eine Zellenleitung 310 mit entsprechenden Zusatzzellenanschlüssen 312 der jeweiligen Zusatzsteuermodule 308 verbunden. Zum Anlegen einer Ladespannung ist die Batterie 302 zusätzlich über zwei Ladeleitungen 313 mit dem Steuermodul 306 verbunden. Ebenso sind auch die Zusatzbatterien 304 je über zwei solcher Ladeleitungen 313 mit ihrem jeweiligen Zusatzsteuermodul 308 verbunden. Somit sind die Batterien gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel je über insgesamt acht Leitungen mit ihrem jeweiligen Steuermodul verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Zellenleitungen 310 zum Erfassen der Parameter der über die Zellenleitungen 310 an die jeweiligen Module 306, 308 angekoppelten Batteriezellen der Batterien 302, 304 verwendet. Zusätzlich oder alternativ können die Batteriezellen unter Verwendung der Zellenleitungen 310 geladen werden.
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Das Steuermodul 306 weist einen Versorgungsanschluss 314 zum Anlegen der Ladespannung zum Laden der Batterien 302, 304 auf. Bei dem Versorgungsanschluss 314 handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um den einzigen externen Anschluss über den der Ladevorrichtung 300 die Ladespannung zum Laden der Batterien 302, 304 zugeführt wird.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind das Steuermodul 306 und die Zusatzsteuermodule 308 über entsprechende Verbindungsleitungen 315 miteinander in Reihe geschaltet, sodass die Zusatzsteuermodule 308 über das Steuermodul 306 mit der Ladespannung beaufschlagbar sind und diese zum Laden der Zusatzbatterien 304 verwenden können. Je nach Ausführungsbeispiel können die Steuermodule 306, 308 jedoch auch in anderen Konstellationen miteinander verschaltet sein.
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Eine elektrisch leitfähige Kopplung zwischen je zwei der Steuermodule, in 3 etwa zwischen dem Steuermodul 306 und einem direkt daran angeschlossenen Zusatzsteuermodul 308 oder auch zwischen zwei Zusatzsteuermodulen 308, ist beispielsweise durch Ansteuern entsprechender Schaltelemente, die Komponenten der Steuermodule sein können, trennbar, sodass beispielsweise die Ladespannung nur an der Batterie 302 anliegt, solange diese noch nicht vollständig geladen ist.
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Des Weiteren weist das Steuermodul 306 ein Schnittstellenmodul 316 zum Übertragen von Parametern bezüglich des Ladevorgangs der Batterie 302 wie etwa eines Innenwiderstands oder einer Spannung auf. Analog dazu sind auch die Zusatzsteuermodule 308 je mit einem entsprechenden Zusatzschnittstellenmodul 318 zum Übertragen entsprechender Zusatzparameter bezüglich eines jeweiligen Ladevorgangs der Zusatzbatterien 304 ausgestattet. Die Schnittstellenmodule 316, 318 sind insbesondere als Komponenten eines Bussystems, hier eines CAN-Busses, ausgebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Schnittstellenmodule 316, 318 analog zu den Steuermodulen 306, 308 über entsprechende Schnittstellenverbindungsleitungen 320 miteinander in Reihe geschaltet.
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Die über das Bussystem übertragenen Parameter sind beispielsweise von einer externen Vorrichtung über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise auch zur drahtlosen Kommunikation, auslesbar, wobei die externe Vorrichtung die übertragenen Parameter beispielsweise zur Fehleranalyse verwendet. Die Steuerung der Ladevorgänge erfolgt zusätzlich oder alternativ mittels zumindest eines der Steuermodule 302, 304 unter Verwendung der über die jeweiligen Schnittstellenmodule ausgetauschten Batterieparameter.
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Je nach Ausführungsbeispiel ist die Ladevorrichtung 300 ausgebildet, um beim Anlegen der Ladespannung als Eingangsspannung die Batterien 302, 304 mittels der Steuermodule 306, 308 automatisch nacheinander oder parallel aufzuladen. Dabei synchronisieren sich die Steuermodule 306, 308 für die einzelnen Batterien untereinander und geben die Ladespannungen für die einzelnen Zellen über die Schnittstellenmodule 316, 318 frei, hier beispielhaft über CAN-Bus, über den etwa Fehler bezüglich einzelner Zellen der Batterien 302, 304 ausgelesen werden. Optional weisen die Eingangsanschlüsse der Batterien 302, 304 eine Rückwärtsstrom-Abschaltung auf. Beispielsweise wird bei defekter Batterie oder bei einem Kurzschluss die betreffende Batterie 302, 304 vom System getrennt. Der Start der Ladung wird über den Bus freigegeben. Wenn das System nicht mit Ladespannung versorgt wird, liegt keine Spannung an den Kontakten oder Kabeln an.
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Aufgrund der miteinander verschalteten Steuermodule und des Versorgungsanschlusses der Ladevorrichtung 300 ist nur noch eine Zuleitung, die entweder kabelgebunden oder in Induktionstechnik realisiert ist, zum Anlegen der Ladespannung für alle zu ladenden Batterien 302, 304 erforderlich. Zwei weitere Leitungen dienen beispielsweise zur Kommunikation über das Bussystem. Alternativ erfolgt die Kommunikation auch drahtlos über Funk, Wifi oder Bluetooth.
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Sollen die Batterien hintereinander geladen werden, so werden diese beispielsweise mittels zumindest eines der Steuermodule 306, 308 voneinander entkoppelt und anschließend im Betrieb wieder miteinander gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen das Steuermodul 306 und/oder zumindest eines der Zusatzsteuermodule 308 je zumindest ein Schaltelement zum gesteuerten Unterbrechen der Verbindungsleitungen 315 und/oder zum gesteuerten Abkoppeln der mit dem jeweiligen Modul 306, 308 gekoppelten Ladeleitungen 313 auf. Durch ein entsprechendes Abkoppeln der Ladeleitungen 313 kann eine Batterie 302, 304 überbrückt werden, so dass diese Batterie 302, 304 von dem Ladevorgang zumindest zeitweise ausgeschlossen wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines batteriebetriebenen Objekts 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Objekt 400, hier eine Drohne, weist eine Ladevorrichtung gemäß einem vorangehend anhand von 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel auf. Gezeigt ist der Versorgungsanschluss 314, der hier beispielhaft als Komponente einer zweipoligen Steckverbindung zum Anschließen einer externen Spannungsquelle 402 realisiert ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Versorgungsanschlusses 314 in einer Ladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 4 erfolgt die Kontaktierung zwischen Spannungsquelle 402 und Versorgungsanschluss 314 gemäß diesem Ausführungsbeispiel induktiv, also drahtlos, mittels zweier Spulen 500.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 zum Laden von Batterien in einem batteriebetriebenen Objekt kann beispielsweise unter Verwendung von Steuermodulen und Schnittstellenmodulen gemäß einem vorangehend anhand der 3 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 610 die Parameter oder, zusätzlich oder alternativ, die Zusatzparameter mittels der Schnittstellenmodule übertragen. In einem weiteren Schritt 620 werden die übertragenen Parameter oder Zusatzparameter zur Steuerung der Ladevorgänge der Batterien oder Zusatzbatterien verwendet. Dies erfolgt mithilfe der jeweiligen Steuer- oder Zusatzsteuermodule der Ladevorrichtung.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
