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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, und wobei jedes Batteriemodul mindestens eine interne Balancingeinheit aufweist, mittels welcher Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls angleichbar sind, und mindestens eine externe Balancingeinheit, mittels welcher Ladungszustände der Batteriemodule angleichbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriesystems sowie ein Elektrofahrzeug, insbesondere eine Baumaschine, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, insbesondere auch Baumaschinen wie beispielsweise Bagger, zum Einsatz kommen werden. In solchen Elektrofahrzeugen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete und seriell als auch parallel miteinander verschaltete Batteriemodule.
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Baumaschinen, wie beispielsweise Bagger, benötigen Batteriesysteme, welche eine erhöhte Spannung sowie eine erhöhte Kapazität zur Speicherung einer höheren Menge an elektrischer Energie im Vergleich zu Batteriesystemen für Personenkraftwagen aufweisen. Während des Betriebs des Elektrofahrzeugs über einen längeren Zeitraum findet eine Alterung der Batteriezellen statt, was sich unter anderem in einer geringer werdenden Kapazität der Batteriezellen bemerkbar macht.
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Im Betrieb des Elektrofahrzeugs werden die Batteriezellen zum Antrieb des Elektrofahrzeugs und zur Versorgung weiterer Verbraucher entladen. Aber auch bei einem ruhenden Fahrzeug findet eine geringe Entladung der Batteriezellen in Form einer Selbstentladung statt. Die Entladung der Batteriezellen findet dabei nicht zwingend gleichmäßig statt. Die Ladungen der Batteriezellen weichen somit voneinander ab, und die Spannungen der Batteriezellen liegen nicht alle auf dem gleichen Niveau. Grund hierfür ist insbesondere eine unterschiedliche Alterung einzelner Batteriezellen. Mit zunehmender Alterung werden die Batteriezellen schneller entladen. Zum Betrieb eines solchen Batteriesystems in einem Elektrofahrzeug müssen die Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen annähernd gleich sein. In Elektrofahrzeugen findet daher regelmäßig ein Ausgleich der Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen statt. Ein solcher Ausgleich wird auch als Balancing bezeichnet.
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Aus den Dokumenten
US 2018/0109120 A1 und
DE 11 2016 002 218 T5 ist ein elektrisches Speichersystem bekannt, welches mehrere elektrische Speichermodule aufweist, die parallel geschaltet sind. Wenn eines der Speichermodule von einem neuen Speichermodul ersetzt wird, müssen die Spannungen der Speichermodule aneinander angepasst werden. Dazu weist jedes der Speichermodule eine Balancingeinheit auf.
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Das Dokument
US 2014/0354212 A1 offenbart ein elektrisches Speichersystem, welches mehrere Batteriemodule aufweist, wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen aufweist. Jedes Batteriemodul weist eine passive Balancingeinheit auf, mittels welcher Spannungen der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls angleichbar sind. Das Speichersystem weist ferner eine aktive Balancingeinheit auf, mittels welcher Spannungen der Batteriemodule angleichbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, insbesondere für eine Baumaschine wie beispielsweise einen Bagger, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Die Batteriemodule sind dabei innerhalb des Batteriesystems seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Die Batteriezellen sind innerhalb der Batteriemodule seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Das Batteriesystem weist eine Systemspannung von beispielsweise 800 V auf.
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Jedes Batteriemodul des Batteriesystems weist mindestens eine interne Balancingeinheit auf. Mittels der internen Balancingeinheit sind unterschiedliche Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls angleichbar. Unterschiedliche Ladungszustände der Batteriezellen können beispielsweise dadurch erkannt werden, dass die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls verschiedene Zellspannungen aufweisen.
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Das Batteriesystem umfasst ferner mindestens eine externe Balancingeinheit. Mittels der externen Balancingeinheit sind unterschiedliche Ladungszustände der Batteriemodule angleichbar. Unterschiedliche Ladungszustände der Batteriemodule können beispielsweise dadurch erkannt werden, dass die Batteriemodule innerhalb des Batteriesystems verschiedene Modulspannungen aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind die Batteriemodule des Batteriesystems auf einem Chassis angeordnet, wobei die einzelnen Batteriemodule separat und unabhängig voneinander von dem Chassis entnehmbar sind. Insbesondere ist es somit möglich, ein defektes Batteriemodul, oder ein Batteriemodul, dessen Batteriezellen verhältnismäßig stark gealtert sind, von dem Chassis zu entnehmen und durch ein neues Batteriemodul zu ersetzen. Die Batteriezellen des neu eingesetzten Batteriemoduls weisen dabei in der Regel eine geringere Alterung und eine höhere Kapazität auf als die Batteriezellen der bereits auf dem Chassis vorhandenen alten Batteriemodule.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine externe Balancingeinheit derart ausgebildet, dass mittels der externen Balancingeinheit elektrische Energie von einem Batteriemodul auf ein anderes Batteriemodul übertragbar ist. Die externe Balancingeinheit weist dazu beispielsweise einen Eingang und einen Ausgang auf. Elektrische Energie ist dabei von Batteriemodulen, die mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden sind, auf Batteriemodule, die mit dem Ausgang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden sind, möglich.
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Das Übertragen von elektrischer Energie von einem Batteriemodul auf ein anderes Batteriemodul zum Angleichen von Ladungszuständen wird auch als aktives Balancing bezeichnet. Vorteilhaft verbleibt beim aktiven Balancing die elektrische Energie weitgehend in dem Batteriesystem und wird nur zu einem geringen Anteil in Wärmeenergie umgesetzt. Die mindestens eine externe Balancingeinheit ist somit als aktive Balancingeinheit ausgebildet.
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Ein neu eingesetztes Batteriemodul weist aufgrund der geringeren Alterung seiner Batteriezellen in der Regel eine höhere entnehmbare Energie und damit einen höheren Ladungszustand als die alten Batteriemodule auf. Das neu eingesetzte Batteriemodul wird daher vorteilhaft mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden, während die alten Batteriemodule mit dem Ausgang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden sind. Somit ist elektrische Energie von dem neu eingesetzten Batteriemodul auf die alten Batteriemodule übertragbar.
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Wenn im weiteren Betrieb des Batteriesystems ein weiteres defektes Batteriemodul, oder ein Batteriemodul, dessen Batteriezellen verhältnismäßig stark gealtert sind, durch ein neues Batteriemodul ersetzt wird, so wird das neu eingesetzte Batteriemodul mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden. Das Batteriemodul, das bisher mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden war, wird vorzugsweise dann mit dem Ausgang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden.
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Somit ist also vorzugsweise genau ein Batteriemodul mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden, und die übrigen Batteriemodule sind mit dem Ausgang der externen Balancingeinheit elektrisch verbunden. Es ist aber auch denkbar, mehrere Batteriemodule, deren Batteriezellen eine verhältnismäßig geringe Alterung aufweisen, mit dem Eingang der externen Balancingeinheit elektrisch zu verbinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine der internen Balancingeinheiten mindestens einen Verbraucher auf, mittels welchem elektrische Energie von einer Batteriezelle in Wärmeenergie wandelbar ist. Das Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie zum Angleichen von Ladungszuständen wird auch als passives Balancing bezeichnet. Die mindestens eine interne Balancingeinheit ist somit als passive Balancingeinheit ausgebildet. Passive Balancingeinheiten sind verhältnismäßig einfach aufgebaut und daher kostengünstig verfügbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine der internen Balancingeinheiten derart ausgebildet, dass mittels der internen Balancingeinheit elektrische Energie von einer Batteriezelle auf eine andere Batteriezelle übertragbar ist. Die mindestens eine interne Balancingeinheit ist somit als aktive Balancingeinheit ausgebildet. Die mindestens eine interne Balancingeinheit ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass elektrische Energie von jeder an die interne Balancingeinheit angeschlossenen Batteriezelle an jede der übrigen an die interne Balancingeinheit angeschlossenen Batteriezellen übertragbar ist.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei werden, beispielsweise mittels einer zentralen Überwachungseinheit des Batteriesystems, die Ladungszustände der Batteriezellen der Batteriemodule erfasst. Die Erfassung der Ladungszustände der Batteriezellen erfolgt beispielsweise durch Messung der Zellspannungen der Batteriezellen.
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Die Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls werden dann miteinander verglichen. Die Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls werden dabei als unterschiedlich erkannt, wenn sich die Ladungszustände von mindestens zwei Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls mindestens um einen vorgegebenen Schwellenwert unterscheiden.
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Nach Erkennen von unterschiedlichen Ladungszuständen von Batteriezellen in mindestens einem der Batteriemodule werden dann zunächst die Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb jedes der Batteriemodule mittels der internen Balancingeinheiten angeglichen. Nach diesem Schritt sind die Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb jedes der Batteriemodule zumindest annähernd gleich. Das Angleichen der Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule wird beispielsweise als passives Balancing durchgeführt.
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Es ist aber denkbar, dass nach diesem Schritt die Batteriemodule verschiedene Ladungszustände aufweisen. Die Erfassung der Ladungszustände der Batteriemodule erfolgt beispielsweise durch Messung der Modulspannungen der Batteriemodule. Anschließend werden daher die Ladungszustände der Batteriemodule mittels der mindestens einen externen Balancingeinheit angeglichen. Nach diesem Schritt sind die Ladungszustände der Batteriemodule des Batteriesystems zumindest annähernd gleich.
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Vorteilhaft wird im Betrieb des Batteriesystems, beispielsweise mittels der zentralen Überwachungseinheit des Batteriesystems, auch die Alterung der Batteriezellen der Batteriemodule erfasst. Die Erfassung der Alterung der Batteriezellen erfolgt beispielsweise durch Bestimmung der entnehmbaren Energie der Batteriezellen. Ein als defekt erkanntes Batteriemodul, oder ein Batteriemodul, dessen Batteriezellen verhältnismäßig stark gealtert sind, wird dann vorteilhaft von dem Chassis des Batteriesystems entnommen, und anschließend wird ein neues Batteriemodul auf dem Chassis angeordnet. Das defekte Batteriemodul wird also durch ein neues Batteriemodul ersetzt. Die Batteriezellen des neu eingesetzten Batteriemoduls weisen dabei in der Regel eine geringere Alterung und eine höhere entnehmbare Energie auf als die Batteriezellen der bereits auf dem Chassis vorhandenen alten Batteriemodule.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Angleichen der Ladungszustände der Batteriemodule mittels der mindestens einen externen Balancingeinheit elektrische Energie von einem Batteriemodul auf ein anderes Batteriemodul übertragen. Es findet also bevorzugt ein aktives Balancing zwischen den Batteriemodulen statt. Vorteilhaft verbleibt beim aktiven Balancing die elektrische Energie weitgehend in dem Batteriesystem und wird nur zu einem geringen Anteil in Wärmeenergie umgesetzt.
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Ein neu eingesetztes Batteriemodul weist, wie bereits erwähnt, aufgrund der geringeren Alterung seiner Batteriezellen in der Regel einen höheren Ladungszustand als die alten Batteriemodule auf. Daher wird elektrische Energie in der Regel von dem neu eingesetzten Batteriemodul auf die alten Batteriemodule übertragen.
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Auch beim aktiven Balancing wird ein, wenn auch geringer, Anteil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgesetzt. Beim Angleichen der Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule, welches beispielsweise als passives Balancing durchgeführt wird, wird ebenfalls elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt. Mittels der so erzeugten Wärmeenergie kann vorteilhaft ein Flüssigkeitskreislauf des Elektrofahrzeugs temperiert werden.
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Es wird auch ein Elektrofahrzeug, insbesondere eine Baumaschine, beispielsweise ein Bagger, vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug umfasst dabei mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine externe Balancingeinheit derart angeordnet, dass mit von der Balancingeinheit erzeugter Wärmeenergie ein Flüssigkeitskreislauf des Elektrofahrzeugs temperierbar ist. Auch mindestens eine der internen Balancingeinheiten, vorzugsweise alle internen Balancingeinheiten, der Batteriemodule ist derart angeordnet, dass mit von der Balancingeinheit erzeugter Wärmeenergie ein Flüssigkeitskreislauf des Elektrofahrzeugs beheizbar ist.
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Bei dem Flüssigkeitskreislauf kann es sich beispielsweise um einen Temperierkreislauf des Elektrofahrzeugs handeln. Der Flüssigkeitskreislauf kann aber auch Teil eines hydraulischen Systems des als Arbeitsmaschine ausgebildeten Elektrofahrzeugs sein. Dieser kann beispielsweise zum Temperieren des Hydrauliköls der Hydraulikzylinder dienen.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem ermöglicht das Erreichen einer längeren Betriebsdauer durch effektive Nutzung des höheren Energieinhalts des neu eingesetzten Batteriemoduls. Wenn eines der Batteriemodule defekt ist, so ist nur ein Austausch des defekten Batteriemoduls nötig, und kein Austausch des kompletten Batteriesystems. Die externe Balancingeinheit muss nicht zwingend bereits bei der Herstellung des Elektrofahrzeugs in das Batteriesystem eingebaut werden. Es ist denkbar, die externe Balancingeinheit erstmalig in das Batteriesystem einzubauen, wenn erstmalig ein defektes Batteriemodul in dem Batteriesystem ersetzt wird. Bei jedem weiteren Austausch eines Batteriemoduls kann dieses dann an die bereits vorhandene externe Balancingeinheit angeschlossen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insbesondere, die elektrische Energie eines neu eingesetzten Batteriemoduls, welches aufgrund seiner geringeren Alterung und seiner höheren Kapazität eine größere Menge an elektrischer Energie speichern kann als die alten Batteriemodule, effektiv zu nutzen und an die alten Batteriemodule zu übertragen. Dadurch werden Wärmeverluste, die beim Balancing entstehen, minimiert.
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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 Elektrofahrzeugs in Form einer Baumaschine mit einem Batteriesystem und
- 2 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems.
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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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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 1 in Form einer Baumaschine. Bei der Baumaschine handelt es sich vorliegend um einen Bagger. Das Elektrofahrzeug 1 umfasst unter anderem ein Batteriesystem 10, welches vorliegend eine Systemspannung von 800 V aufweist. Das Batteriesystem 10 liefert unter anderem elektrische Energie für einen Traktionsmotor zum Antrieb des Elektrofahrzeugs 1.
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Das Batteriesystem 10 liefert auch elektrische Energie zum Antrieb von Stellelementen des Elektrofahrzeugs 1. Beispielsweise versorgt das Batteriesystem 10 eine Hydraulikpumpe mit elektrischer Energie, um einen erforderlichen Betriebsdruck in einem hydraulischen System des als Arbeitsmaschine ausgebildeten Elektrofahrzeugs 1 einzustellen. Mittels einer in dem hydraulischen System unter Betriebsdruck stehenden Flüssigkeit werden beispielsweise Hydraulikzylinder 20 angesteuert.
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Es ist auch denkbar, dass das als Arbeitsmaschine ausgebildete Elektrofahrzeug 1 kein hydraulisches System aufweist. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine vollständig elektrisch betrieben werden. Bei den Stellelementen des Elektrofahrzeugs 1 handelt sich in diesem Fall um Elektromotoren, insbesondere um Stellmotoren.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 für das in 1 dargestellte Elektrofahrzeug 1. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Mehrzahl von, vorliegend acht, Batteriemodulen 5. Die besagten Batteriemodule 5 können seriell und/oder parallel verschaltet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass jedes der Batteriemodule 5 eine Modulspannung von 800 V aufweist, und dass alle Batteriemodule 5 parallel verschaltet sind. Ebenso ist es denkbar, dass jedes der Batteriemodule 5 eine Modulspannung von 100 V aufweist, und dass alle Batteriemodule 5 seriell verschaltet sind. Je nach Modulspannung sind auch Kombinationen aus serieller sowie paralleler Verschaltung möglich.
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Die Batteriemodule 5 des Batteriesystems 10 sind auf einem hier nicht dargestellten Chassis angeordnet. Dabei sind die einzelnen Batteriemodule 5 separat und unabhängig voneinander von dem Chassis entnehmbar. Insbesondere können so defekte Batteriemodule 5 entnommen und durch neue Batteriemodule 5 ersetzt werden.
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Jedes der Batteriemodule 5 des Batteriesystems 10 umfasst eine Mehrzahl von, hier nicht explizit dargestellten, Batteriezellen. Die Batteriezellen 2 können innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls 5 sowohl parallel als auch seriell miteinander verschaltet sein. Vorliegend sind alle Batteriemodule 5 des Batteriesystems 10 identisch ausgebildet.
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Jedes Batteriemodul 5 weist eine interne Balancingeinheit 30 auf. Mittels der internen Balancingeinheit 30 sind Ladungszustände der Batteriezellen innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls 5 angleichbar. Die internen Balancingeinheiten 30 sind vorliegend als passive Balancingeinheiten ausgestaltet, mittels welchen elektrische Energie der Batteriezellen in Wärmeenergie wandelbar ist. Dazu weisen die internen Balancingeinheiten 30 vorliegend jeweils einen Verbraucher in Form eines Widerstandes auf.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine externe Balancingeinheit 40. Mittels der externen Balancingeinheit 40 sind Ladungszustände der Batteriemodule 5 angleichbar. Die externe Balancingeinheit 40 ist vorliegend als aktive Balancingeinheit ausgestaltet, mittels welcher elektrische Energie von einem Batteriemodul 5 auf ein anderes Batteriemodul 5 übertragbar ist. Die externe Balancingeinheit 40 weist dazu beispielsweise eine induktive Übertragungseinheit in Form eines Transformators auf.
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Die externe Balancingeinheit 40 weist vorliegend einen Eingang 41 und einen Ausgang 42 auf. Elektrische Energie ist dabei von dem Eingang 41 zu dem Ausgang 42 übertragbar. In der hier gezeigten Darstellung umfasst das Batteriesystem 10 sieben alte Batteriemodule 5 und ein neu eingesetztes Batteriemodul 5.
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Die alten Batteriemodule 5 sind mit dem Ausgang 42 der externen Balancingeinheit 40 elektrisch verbunden, und das neu eingesetzte Batteriemodul 5 ist mit dem Eingang 41 der externen Balancingeinheit 40 elektrisch verbunden. Somit kann elektrische Energie von dem neu eingesetzten Batteriemodul 5 auf die alten Batteriemodul 5 übertragen werden.
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Vorliegend ist genau ein Batteriemodul 5 mit dem Eingang 41 der externen Balancingeinheit 40 elektrisch verbunden. Es ist aber auch denkbar, mehrere Batteriemodule 5, deren Batteriezellen eine verhältnismäßig geringe Alterung aufweisen, mit dem Eingang 41 der externen Balancingeinheit 40 elektrisch zu verbinden.
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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 2018/0109120 A1 [0005]
- DE 112016002218 T5 [0005]
- US 2014/0354212 A1 [0006]
