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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Verwalten von Energiespeichervorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Systeme und Verfahren zum Überwachen, Steuern und Schützen von wiederaufladbaren Batterien.
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Hintergrund
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Eine wiederaufladbare Hochleistungsbatterie ist eine Ansammlung von einzelnen Zellen, die zu Stapeln oder Blöcken von Zellen gruppiert sind, welche zur Bildung einer einzigen Batterie gestapelt werden können, so dass das obere Ende des Batteriestapels die höchste Spannung hat und die untere Zelle die geringste Spannung hat. Angesichts der zunehmenden Energiedichten von modernen leistungsstarken Batterien und eines noch rascher wachsenden Bedarfs an schneller Ladung ist es wahrscheinlich, dass Ereignisse, die ein sicheres Laden und Entladen von Strom, eine sichere Spannung, eine sichere Temperatur und andere Parameter überschreiten, zu einer dauerhaften Beschädigung von Schaltungen führen, zum Beispiel zu einer physischen Beschädigung, die durch überhitzte Zellen verursacht wird, was darauf zurückzuführen ist, dass Li-Ion-Zellen unter oder über von einem Hersteller empfohlenen Spannungsgrenzen geladen werden.
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Aus Gründen der Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit und der Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen wird das Laden und Entladen von Spannungen in der Regel überwacht, zum Beispiel als Teil einer redundanten Sicherheitsprüfung, um Betrieb innerhalb zulässiger Bereiche zu gewährleisten und somit ein Systemversagen, eine unbeabsichtigte Beschädigung oder einfach eine Beeinträchtigung der Leistung und der Batterielebensdauer zu verhindern.
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Ein weiterer Grund für die Überwachung von Batteriespannung besteht darin, dass verschiedene Zellen in einer Batterie nicht genau die gleiche Zellenchemie haben. Dies verursacht Schwankungen des inneren Widerstands, die zu ungleichen Ladezeiten und schwankenden Ausgangs- (das heißt Leerlauf-)Spannungen für ansonsten identische Zellen führen. Unter idealen Betriebsbedingungen ist jede Zelle in einem Block von Zellen bis genau zu der gleichen Kapazität voll aufladbar und erzeugt die gleiche höchstzulässige Leerlaufspannung, so dass die Ansammlung von Zellen in einem Batteriestapel die höchstmögliche Gesamtbatteriespannung aufrechterhält. Dies würde das Erfordernis einer Energieübertragung und Ladungsumverteilung überflüssig machen und eine optimale Ausnutzung der Kapazität einer Batterie gewährleisten.
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Aufgrund von Abweichungen bei der Herstellung ist es jedoch praktisch unmöglich, Zellen mit identischen elektrischen Eigenschaften zum Speichern und Bereitstellen der gleichen Höchstladungsmenge, die eine Batterie halten kann, herzustellen. Um identische Leerlaufspannungen zu erreichen, erfordert zum Beispiel eine Zelle mit einer hohen inneren Impedanz einen höheren Ladestrom als eine Zelle mit einer geringeren inneren Impedanz. Ebenso wird die schwächste (das heißt die am stärksten beeinträchtigste) Zelle in einer Kette von in Reihe geschalteten Zellen die geringste Kapazität (und Leerlaufspannung) aufweisen und somit die Ladezeit der gesamten Kette dominieren, was zu einer suboptimalen Batterieleistung führt.
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Durch Ladungsungleichgewicht verursachte Ineffizienzen werden im Laufe der Zeit durch sich ändernde Lastbedingungen (zum Beispiel Überladung bei kurzzeitiger Rekuperationsbremsung), Alterung (Zersetzung von elektrochemischem Material, die Kapazitätsverlust verursacht), Hysterese in einem Ladungszyklus und anderen Ereignissen, die letztendlich die Batterielebensdauer verringern, verstärkt.
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Deshalb wäre es wünschenswert, den Zustand aller Zellen, die eine Batterie bilden, in Echtzeit und mit minimaler Komplexität zu überwachen und zu konfigurieren, so dass Ladung zwischen Zellen so umverteilt werden kann, wie es zum Verhindern unerwünschter Überladungs- und Unterladungsbedingungen erforderlich ist.
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In vielen Anwendungen wird Batteriespannung durch ein Spannungsmesssystem überwacht, das sich auf einer PCB befindet, die einen eigens vorgesehenen Spannungs-Pin zum Erfassen der höchsten Spannung in einem Batteriestapel aufweist. Dieser Pin befindet sich außerhalb der Batterie selbst und ist mit dem oberen Ende des Batteriestapels verbunden. Da in Abhängigkeit von der Anwendung die Anzahl von Zellen in einem Stapel von Batterie zu Batterie variieren kann, verwenden herkömmliche Batterieüberwachungssysteme entweder verschiedene PCBs für verschiedene Batteriestapelkonfigurationen oder eine einzige PCB, die dann gemäß der Anzahl von Zellen in irgendeinem gegebenen Stapel manuell konfiguriert wird. Mit anderen Worten, jede Platine weist einen eigens vorgesehenen Spannungserfassungs-Pin auf, der gemäß der Anzahl von Zellen, die die Stelle der Höchstspannung in dem Stapel bestimmt, manuell konfiguriert werden muss.
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Zum Reduzieren der Gesamtverdrahtung und der damit verbundenen Komplexität/Ineffizienzen verwenden viele bestehende Systeme mehrere verteilte Überwachungsschaltungen, zum Beispiel Platinen, die eine feste Anzahl von Pins haben, die eine feste Anzahl von Kanälen aufnehmen, welche eine feste Anzahl von Zellen, zum Beispiel 14 Zellen, kontrollieren. In der Praxis wird die Anzahl von Zellen, die eine Steuerplatine teilen, durch die Nennspannung der Platine bestimmt. Somit muss ein Batteriesystem, das Stapel von beispielsweise acht Zellen umfasst, eine Platine, die für acht Zellen maßgeschneidert ist, einen Kabelbaum, der für acht Zellen maßgeschneidert ist usw. verwenden, die zum genauen Überwachen und Steuern der Anzahl von Kanälen als die zu messenden Zellen ausgelegt sind.
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Alternativ kann der Benutzer einen Aufpreis für eine Ausführung einer einzigen Hochleistungsplatine, die der Spannung von mehr als acht Zellen, zum Beispiel 14 Zellen, widerstehen kann, bezahlen. Darüber hinaus muss die Platine jeglichen Hardware- und Software-Modifikationen unterzogen werden, die durch die Fehlanpassung zwischen der Anzahl von Zellen, für die die Platine ausgelegt ist, und der Anzahl von Zellen, mit der die Platine letztendlich betrieben wird, erforderlich werden. Solche Modifikationen umfassen Festverdrahtung von Schalt-Pins in die Platine oder die Verwendung von Schaltbrücken, die Kanäle physisch kurzschließen, um die zu steuernde Anzahl von Zellen einzustellen. Zusätzliche Anforderungen dieses alternativen Ansatzes umfassen das Abtasten aller Kanäle der Platine und dann das Ignorieren oder Maskieren von Daten von unerwünschten Kanälen als fehlerhafte Daten. Zusätzlich zu der erhöhten Komplexität neigen Schaltbrücken dazu, zu versagen, und eignen sich somit nicht für Anwendungen, die unter hohen Sicherheitsstandards betrieben werden, wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrts- und Elektrofahrzeuganwendungen.
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Zum Überwinden der Nachteile bestehender Ansätze sind demgemäß Überwachungssysteme und -verfahren erforderlich, die Flexibilität bei der Auswahl der Stelle, an der die höchste Spannung in einem Block von Zellen erfasst wird, um Steuerplatinen bei der Verbindung mit jeglicher Anzahl von Zellen zu unterstützen, bereitstellt, ohne dass umständliche Hardware-Modifikationen erforderlich sind bzw. die zusätzlichen Kosten für das Maßschneidern von Platinen zur Anpassung an verschiedene Anzahlen von Zellen in verschiedenen Ausführungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung stellen durch Software konfigurierbare Batterieüberwachungs- und -managementsysteme und -verfahren bereit, die Flexibilität bei der Auswahl der Stelle, an der die höchste Spannung in einem Block von Zellen erfasst wird, bereitstellen, um Steuerplatinen bei der Verbindung mit jeglicher Anzahl von Zellen, wie zum Beispiel elektrochemischen Zellen, zu unterstützen.
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Gemäß Aspekten der Anmeldung umfasst ein Verfahren zum Validieren der Spannung am oberen Ende eines Batteriestapels: Erhalten einzelner Zellenspannungen aus an einer oder mehreren Zellen in einem Block von Zellen in einem Batteriestapel durchgeführten Messungen; Bestimmen, ob der Batteriestapel eine Sammelschiene umfasst; Bestimmen einer Summe der einzelnen Zellenspannungen, einschließlich jeglicher Sammelschienenspannung; Vergleichen der Spannung am oberen Ende eines Batteriestapels, einschließlich jeglicher Sammelschiene, mit der Summe der einzelnen Zellenspannungen, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten, das zum Detektieren eines Fehlers in der Sammelschiene verwendet werden kann; und als Reaktion darauf, dass das Vergleichsergebnis einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, Anzeigen einer Maßnahme. Ferner kann das Verfahren Verwenden mindestens einer Spannung zwischen zwei benachbarten Zellen in dem Block von Zellen zum Bestimmen einer Position der Sammelschiene umfassen. Die einzelnen Zellenspannungen können nacheinander gemessen werden, um zu bestimmen, welche der einen oder mehreren Zellen mit dem Knoten gekoppelt ist, und ein Spannungsdifferenzial zwischen benachbarten Zellen zu bestimmen. Ferner kann eine die höchste Spannung in dem Batteriestapel aufweisende Zelle automatisch bestimmt werden.
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Gemäß Aspekten der Anmeldung umfasst ein durch Software konfigurierbares Batteriemanagementsystem: einen Multiplexer, der zwei oder mehr Batteriestapel mit einem Analog-Digital-Wandler koppelt; einen durch Software konfigurierbaren Batteriemanagementschaltkreis, der einen Batteriestapel umfassen kann, welcher Folgendes umfasst: mehrere Zellen, die zum Koppeln mit einem Spannungsknoten konfiguriert sind; eine Sammelschiene, die mit den mehreren Zellen gekoppelt ist, Schalter, die zum Koppeln einer oder mehrerer der mehreren Zellen mit dem Spannungsknoten konfiguriert sind; einen Verstärker, der mit dem Spannungsknoten gekoppelt ist, um einzelne Zellenspannungen der einen oder mehreren der mehreren Zellen und eine Spannung, die eine Spannung am oberen Ende des Batteriestapels darstellt, zu verstärken; eine Addierschaltung, die mit dem Verstärker gekoppelt ist, wobei die Addierschaltung eine Summe der einzelnen Zellenspannungen erzeugt; und einen Prozessor, der mit dem Verstärker gekoppelt ist, wobei der Prozessor Schritte durchführt, die Sammeln von Daten zum Bestimmen des Vorhandenseins und/oder der Position einer Sammelschiene in dem Batteriestapel und Vergleichen der Summe der einzelnen Zellenspannungen mit der Spannung am oberen Ende eines Batteriestapels zum Erhalt eines Vergleichsergebnisses umfassen.
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Figurenliste
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Es wird auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Figuren veranschaulicht sein können. Diese Figuren sollen als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung dienen. Obgleich die Erfindung im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen allgemein beschrieben wird, versteht sich, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf diese bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein soll.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Batteriemanagementsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Schaltkreises zum Validieren der Spannung am oberen Ende eines Batteriesatzes, der eine Sammelschiene umfassende Batteriestapel umfasst, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Schaltkreises zum Validieren der am oberen Ende eines Batteriestapels erzeugten Spannung, der eine Sammelschiene umfasst, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Validieren der Spannung am oberen Ende eines Batteriestapels gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zur Bereitstellung eines Verständnisses der Erfindung bestimmte Details angeführt. Es ist für einen Fachmann jedoch ersichtlich, dass die Erfindung ohne diese Details ausgeübt werden kann. Ferner erkennt ein Fachmann, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die unten beschrieben werden, auf verschiedenste Weise implementiert werden können, wie zum Beispiel ein Prozess, eine Einrichtung, ein System, eine Vorrichtung oder ein Verfahren auf einem greifbaren computerlesbaren Mediums.
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In Diagrammen dargestellte Komponenten oder Module veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und sollen die Erfindung übersichtlich halten. Ferner versteht sich, dass in der gesamten Besprechung Komponenten als getrennte funktionale Einheiten, die Untereinheiten umfassen können, beschrieben werden können, Fachleute erkennen jedoch, dass verschiedene Komponenten oder Teile davon in getrennte Komponenten unterteilt sein können oder miteinander integriert sein können, einschließlich in einem einzigen System oder einer einzigen Komponente integriert sein können. Es sei darauf hingewiesen, dass Funktionen oder Operationen, die hier besprochen werden, als Komponenten implementiert werden können. Komponenten können in Software, Hardware oder einer Kombination daraus implementiert werden.
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Des Weiteren wird nicht beabsichtigt, dass Verbindungen zwischen Komponenten oder Systemen innerhalb der Figuren auf direkte Verbindungen beschränkt sind. Stattdessen können Daten zwischen diesen Komponenten durch Zwischenkomponenten modifiziert, umformatiert oder anderweitig geändert werden. Außerdem können zusätzliche oder weniger Verbindungen verwendet werden. Es soll auch angemerkt werden, dass die Ausdrücke „gekoppelt“, „verbunden“ oder „kommunikativ gekoppelt“ so verstanden werden sollen, dass sie direkte Verbindungen, indirekte Verbindungen über eine oder mehrere Zwischeneinrichtungen und drahtlose Verbindungen beinhalten.
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In der Beschreibung bedeutet ein Bezug auf „eine Ausführungsform“, „bevorzugte Ausführungsform“ oder „Ausführungsformen“, dass eine spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur, eine spezielle Eigenschaft oder eine spezielle Funktion, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist und in mehr als einer Ausführungsform vorhanden sein kann. Außerdem bezieht sich jedes Vorkommen der oben angemerkten Formulierungen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht zwangsweise auf dieselbe Ausführungsform oder dieselben Ausführungsformen.
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Die Verwendung von bestimmten Ausdrücken an verschiedenen Stellen der Beschreibung dient der Veranschaulichung und sollte nicht als einschränkend ausgelegt werden. Ein Dienst, eine Funktion oder eine Ressource ist nicht auf einen einzigen Dienst, eine einzige Funktion oder eine einzige Ressource beschränkt; die Verwendung dieser Ausdrücke kann sich auf eine Gruppierung von in Beziehung stehenden Diensten, Funktionen oder Ressourcen beziehen, die verteilt oder aggregiert sein können. Ferner kann die Verwendung von Arbeitsspeicher, Datenbank, Informationsdatenbank, Datenspeicher, Tabellen, Hardware und dergleichen hierin zur Bezugnahme auf eine Systemkomponente oder mehrere Systemkomponenten dienen, in die Informationen eingegeben oder auf andere Weise aufgezeichnet werden können.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass: (1) bestimmte Schritte wahlweise durchgeführt werden können; (2) Schritte möglicherweise nicht auf die hierin angeführte spezielle Reihenfolge beschränkt sind; (3) bestimmte Schritte in verschiedenen Reihenfolgen durchgeführt werden können; und (4) bestimmte Schritte gleichzeitig erfolgen können.
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In dieser Schrift werden „Zelle“ und „Batteriezelle“ austauschbar verwendet. Ebenso können die Begriffe „Satz“, „Stapel“ und „Block“, wie in „Stapel von Zellen“, „Batteriesatz“, „Satz von Zellen“ oder „Block von Batteriezellen“ austauschbar verwendet werden. Es versteht sich, dass die Batteriemanagementsysteme und -verfahren der vorliegenden Offenbarung auf verschiedenste Energiequellen, wie zum Beispiel Hochleistungskondensatoren, Lithium-Ionen-Zellen, Kraftstoffzellen und andere elektrochemische und nichtchemische Zellen und Kombination daraus angewandt werden können.
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1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Batteriemanagementsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein System 100 umfasst einen Batteriestapel 120, der wiederum Zellen 112-116, Schalter 124, Widerstände 132-134, einen Verstärker 130, einen Multiplexer (MUX) 160 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 162 umfasst.
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Die Zelle 112-116 ist eine beliebige Art von Energiequelle, die eine messbare Spannung erzeugt. In elektrochemischen Zellen ist die Zellenspannung, das heißt die Leerlaufspannung, allgemein eine Funktion der Fähigkeit der Zelle zum Halten von elektrischer Ladung. Bei Ausführungsformen sind die Zellen 112-116 Batteriezellen, die in einer Reihenkonfiguration elektrisch gekoppelt sind. Dies ist jedoch keine Einschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung. Für einen Fachmann wird ersichtlich sein, dass die Zellen 112-116 als irgendeine Kombination aus Reihen- und Parallelzellenkonfigurationen implementiert sein können.
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Bei Ausführungsformen sind die einzelnen Zellen (zum Beispiel 112-116) zum Bilden eines Batteriestapels 120 angeordnet, der eine bestimmte Anzahl von Zellen (zum Beispiel hier 14) umfasst, die eine Batterie mit einer Spannung versorgen, die gleich der Summe jeder der Spannungen der in Reihe verbundenen Zellen 112-116 ist, wie in 1 gezeigt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass obgleich hier nur Ausführungen mit von 8 bis 14 Zellen dargelegt werden, die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendende Ausführungen Stapel aufweisen können, die eine beliebige Anzahl von Zellen umfassen. Es können mehrere Batteriestapel 120 miteinander gestapelt sein.
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Im Betrieb kann jede Zelle 112 mit einem eigens vorgesehenen Schalter 124 gekoppelt sein, der das Abgreifen und Koppeln einzelner Zellen oder Gruppen von Zellen mit dem Knoten 136 gestattet. Wie in 1 dargestellt wird, ist auch der Widerstand 132, der zusammen mit dem Widerstand 134 einen Widerstandsteiler bildet, mit dem Knoten 136 gekoppelt. Der Widerstand 134 kann mit einem Bezugspotenzial, wie zum Beispiel Massepotenzial 150, gekoppelt sein. Bei Ausführungsformen unterstützt der Widerstandsteiler das Digitalisieren einer analogen Spannung, die zum Beispiel am oberen Ende des Batteriestapels 120 oder an irgendeiner der Zellen 112-116 gemessen wird.
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Bei Ausführungsformen sind die Widerstände 132-134 mit einem Verstärker 130, zum Beispiel einem Differenzialverstärker, der einen Spannungsabfall am Widerstand 134 misst und verstärkt, gekoppelt. Bei Ausführungsformen stellt der Spannungsabfall die durch den Batteriestapel 120 erzeugte höchste Spannung dar. Die verstärkte Spannung kann dem ADC 162 beispielsweise über den Multiplexer 160 zugeführt werden, der Spannungssignale von einer beliebigen Anzahl von Batteriezellen (hier zum Beispiel die Zellen 112-116) empfangen kann, um eine Gesamtbatteriespannung zu bestimmen. Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass der Multiplexer 160 eine beliebige Anzahl von zusätzlichen Signalen empfangen und multiplexen kann, zum Beispiel Diagnosesignale, die dann durch den ADC 162 umgewandelt und nach Bedarf weiterverarbeitet werden.
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Bei Ausführungsformen kann der Schalter 124 ein Transistor sein, der eine als Ergebnis eines Halbleiterprozesses gebildete innere Body-Diode umfasst. Es versteht sich, dass der Schalter 124 irgendeinen bekannten Schaltertreiber zum Ein- und Ausschalten verwenden kann. Wenn der Schalter 124 ein NMOS-Bauelement ist, kann er eine kleinflächige Ladungspumpe (nicht gezeigt) zum Schalten zwischen Ein- und Auszuständen verwenden.
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Bei einigen Ausführungsformen führt jede Zelle 112-116 eine Spannung (zum Beispiel 4, 2 V) zu, die detektiert werden kann, indem zum Beispiel der Verstärker 130 verwendet wird, um einzelne Zellenspannungen nacheinander zu messen und ein Spannungsdifferenzial zwischen beispielsweise benachbarten Zellen zu bestimmen. Wenn der Verstärker 130 dem ADC 162 die verstärkten Spannungen zugeführt hat, können Sie zum Beispiel durch eine Addierschaltung (nicht gezeigt) addiert werden, um eine Summe der Spannungen der einzelnen Zellen 112-116 zu erhalten. Bei Ausführungsformen kann diese Spannung dann mit der zum Beispiel am Knoten 136, der mit oderen Platte der Zelle 14 116 verbunden ist, gemessenen Gesamtspannung aller Zellen 120 verglichen werden, um die gemessene Gesamtspannung zu validieren. Bei Ausführungsformen wird diese Gesamtspannung unter Verwendung des Widerstands 134 detektiert, und ihr Wert kann in einem Register (nicht gezeigt) gespeichert werden. Der Wert in dem Register kann jedes Mal dann, wenn eine Spannungsabtastung an den Zellen 112-116 durchgeführt wird, aktualisiert werden. Um mit älteren Vorrichtungen kompatibel zu sein, kann der Schaltkreis 100 bei Ausführungsformen einen so genannten VBLOCK-Pin 128 (Spannungsblock-Pin) umfassen, der floatend gelassen werden kann, das heißt der nicht durch einen Schalter mit dem Rest des Schaltkreises 100 verbunden ist.
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Bei Ausführungsformen kann ein Algorithmus zur Durchführung aufeinanderfolgender Messungen einzelner Zellenspannungen verwendet werden, beispielsweise durch Durchführen einer Messung an Zelle 14 116, dann Zelle 13 usw. bis zu Zelle 8 112, um zu bestimmen, welche Zellen 120 tatsächlich mit dem Knoten 136 gekoppelt sind.
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Bei Ausführungsformen sind mehrere Schalter 124 so angeordnet, dass, wenn die Schalter 124 geöffnet sind, eine Kombination aus entgegengesetzten Body-Dioden in den Schaltern 124 zum Sperren von Stromfluss durch den Knoten 136, das heißt zum Widerstandsteiler 132-134, wirkt. Bei Ausführungsformen teilt der Widerstandsteiler 132-134 die Spannung am Knoten 136 bis zu einem geeigneten Spannungswert, der durch den Verstärker 130 gemessen und durch den ADC 162 verarbeitet werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass auf diese Weise unter Verwendung eines einzigen ADCs 162 und eines einzigen Multiplexers 160 eine beliebige Anzahl von Batteriestapeln 120 bewertet werden kann.
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Wenn der Algorithmus die Stelle der Zelle, die die höchste Spannung führt, identifiziert, kann bei Ausführungsformen diese Stelle dazu verwendet werden, die durch den Batteriestapel 120 erzeugte höchste Spannung zu definieren. Dies bietet einem Benutzer die Flexibilität der Verwendung von Software zum Konfigurieren der Schalter 124 zur Auswahl der Stelle, an der die höchste Spannung in einem Block erfasst und überwacht werden sollte, sei es bei regulärem Betrieb als Teil eines Initialisierungsverfahrens oder als eine redundante Sicherheitsprüfung, um zum Beispiel den ordnungsgemäßen Betrieb der Zellen 112-116 zu verifizieren oder einen Fehlerzustand zu identifizieren.
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Bei Ausführungsformen wird eine ordnungsgemäße Ausrichtung durch Verwendung des ADC 162 oder einer ähnlichen Schaltung zum Vergleichen der höchsten bestimmten Spannung, zum Beispiel am Schalter VBLK 128 am oberen Ende des Batteriestapels, zum Beispiel an Stelle 140, mit der Summe der Spannungen der Zellen 112-116, zum Beispiel als eine Diagnosemessung zum Erfüllen von Sicherheitsanforderungen oder zum Bestimmen, ob die Differenz zwischen den beiden Werten einen vom Benutzer definierten Schwellenwert übersteigt, verifiziert. Wenn zum Beispiel die Summe der einzelnen Spannungen der Zellen 112-116 nicht mit der Spannung am Schalter VBLK 128 übereinstimmt, kann dies anzeigen, dass eine oder mehrere der Zellen 112-116 eine Fehlfunktion erfahren. Ist dies der Fall, kann bei Ausführungsformen ein Alarm oder eine Sicherheitsmeldung erzeugt und zum Beispiel dem Benutzer des Systems 100 kommuniziert werden.
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Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass das System 100 in einer einzigen integrierten Schaltung und mit anderen Systemen, zum Beispiel als Teil eines Fahrzeugmanagementsystems, implementiert sein kann. Es versteht sich, dass der Schalter 124 zwar unter Verwendung eines oder mehrerer Transistoren, die innere Body-Dioden ausnutzen, implementiert sein kann, wie in 2 ausführlicher besprochen wird, aber verschiedene Ausführungsformen andere Schalter, wie zum Beispiel mechanische Relais, zum Beispiel in Kombination mit externen Dioden oder anderen diskreten elektrischen Bauteilen, verwenden können. Ferner versteht sich, dass das System 100, obgleich dies in 1 nicht gezeigt wird, zusätzliche Bauteile, wie zum Beispiel eine Logikschaltung, die den Schalter 124 steuert, unabhängige Energiequellen und dergleichen umfassen kann, um Interoperabilität zwischen Elementen im System 100 zu erleichtern und zusätzliche Merkmale, wie zum Beispiel das Messen oder Berechnen des Energieverbrauchs basierend auf erhaltenen Zellenspannungen, bereitzustellen.
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2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Schaltkreises zum Validieren der Spannung am oberen Ende eines Batteriesatzes, der eine Sammelschiene umfassende Batteriestapel umfasst, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die gleichen Bezugszahlen wie in 1 dienen zur gleichen Bezeichnung. Der Kürze halber wird eine Beschreibung oder ihre Funktion hier nicht wiederholt.
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Der Schaltkreis 200 umfasst einen Batteriestapel 210, 212 und einen Schaltkreis 220, 222, die jeweils eine Hochspannungsmultiplexschalterbank (HVMux Switch Bank) 208, einen Niederspannungssignalverstärker (LS Amp) 204, eine Niederspannungsmultiplexschalterbank (LVMux Switch Bank) 260 und einen ADC 262 umfassen. Bei Ausführungsformen kann jeder Batteriestapel 210, 212 seine eigene Sammelschiene 214 umfassen, die als ein elektrischer Draht, der die Batteriestapel 210, 212 miteinander verbindet, implementiert sein kann. Die Sammelschiene (zum Beispiel 216) kann mit dem oberen Pin 218 gekoppelt sein, wie in 2 gezeigt wird. Bei Ausführungsformen können einzelne Batteriestapel 210, 212, die eine Last, wie zum Beispiel einen Elektromotor einer elektrischen Maschine, mit Energie versorgen, über Sammelschienen (zum Beispiel 214), die intrinsische Widerstände haben, miteinander verbunden sein.
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Bei Ausführungsformen kann der ADC 262 dazu implementiert sein, im Bipolar-Modus zu arbeiten, der bipolare Messungen durchführt, die es gestatten, negativen Spannungswerten Rechnung zu tragen. Der ADC 262 kann alternativ dazu konfiguriert sein, zwischen einem Bipolar-Modus und einem Unipolar-Modus, der Messungen in einem Null-Voll-Maßstabsbereich gestattet, zu wechseln.
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Da die Sammelschiene 214, 216 eine Impedanz hinzufügt, die sich störend auf die Zellspannungsmessungen auswirken würde, ist die Sammelschiene 214, 216 im Betrieb idealerweise von Spannungsmessungen ausgeschlossen, die die höchste Spannung in dem Stapel 210, 212 selbst bestimmen. Deshalb wäre es von Vorteil zu wissen, ob der Stapel 210, 212 eine Sammelschiene 214, 216 umfasst und wo sich diese befindet, das heißt, zu wissen, wo der Stapel 210, 212 endet.
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Wenn die obere Zelle mit einem Pin (zum Beispiel 218), der mit einer Sammelschiene (zum Beispiel 216) gekoppelt ist, verbunden ist, kann diese Zelle bei Ausführungsformen einer bipolaren Messung unterzogen werden, um zum Beispiel eine Messung einer sich aus einem in eine Batterie fließenden Strom ergebenden negativen Spannung zu ermöglichen. Würde statt einer bipolaren Messung eine unipolare Messung verwendet werden, würde die Messung eine Spannung von null anstatt irgendeine negative Spannung, die vorhanden sein könnte, anzeigen, was somit zu einer fehlerhaften Messung der tatsächlichen Spannung, die am oberen Ende des Batteriestapels 210 besteht, führt. Mit anderen Worten, das Versäumnis der Messung einer negativen Spannung würde eine Diskrepanz zwischen Messungen der Summe der Spannungen der Zellen 112 und der Sicherheitsmessung verursachen. Deshalb wird bei Ausführungsformen die Kenntnis der Position der Sammelschiene (zum Beispiel 216) dazu verwendet, zu bestimmen, ob der ADC 262 eine bipolare Messung anstatt eine unipolare Messung am Pin 218 durchführen sollte.
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Bei Ausführungsformen kann eine Spannung zwischen benachbarten Zellen bestimmt und dazu verwendet werden, zwischen dem Vorhandensein einer Sammelschiene (zum Beispiel 216) und einer Zelle zu unterscheiden. Zum Beispiel kann durch Kenntnis dessen, dass eine Sammelschiene in der Regel selbst unter Spitzenstromlastbedingungen nicht zu einem Spannungsabfall, der zum Beispiel 500 mV übersteigt, führt und ferner Kenntnis dessen, dass eine Zellenspannung in Abhängigkeit von der Zellenchemie und -art in der Regel zum Beispiel 1,5 V nicht übersteigt, eine Sammelschiene relativ leicht von einer Zelle unterschieden werden.
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Ferner gestattet der Einbezug der Sammelschiene 216 in Spannungsmessungen vorteilhafterweise das Detektieren bestimmter Fehler in der Sammelschiene 216 selbst. In Szenarien, in denen die Sammelschiene 216 einen Leerlaufzustand erfährt, bewirkt zum Beispiel die sich ergebende Änderung der Impedanz der Widerstandskette eine Spannungsmessung am Pin 218 zur Anzeige des Leerlaufzustands.
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Bei Ausführungsformen verwendet der Schaltkreis 200 in 2 einen Multiplexer 206, um die Zellenspannungen an den einzelnen Zellen 112 nacheinander zu messen und ein Spannungsdifferenzial zwischen beispielsweise benachbarten Zellen zu bestimmen. Es kann zum Beispiel durch eine mit dem Schaltkreis 200 gekoppelte Mikrosteuerung ein Vergleich und eine Summierung von Zellenspannungen durchgeführt werden. Sobald die Position aller oberen Zellen und Sammelschienen bekannt ist, misst eine anschließende Abtastung von Zellenspannungen Spannungen an Pins (zum Beispiel 218), die tatsächlich mit einer Zelle (zum Beispiel der Zelle 112) oder mit einer Sammelschiene (zum Beispiel der Sammelschiene 216) verbunden sind, während Pins, die nicht derart verbunden sind, ausgeschlossen werden. Vorteilhafterweise spart dies Zeit und liefert eine effizientere Abtastung.
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Es versteht sich, dass der Batteriestapel 210, 212 bei Ausführungsformen als ein Niederspannungs(z. B. ein 48-V)-Schaltkreis implementiert sein kann, der keine Sammelschiene verwendet, so dass der obere Pin (zum Beispiel 218) mit der oberen Zelle in dem Batteriestapel direkt verbunden sein kann, wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht wird.
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3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften durch Software konfigurierbaren Schaltkreises zum Validieren der am oberen Ende eines Batteriestapels erzeugten Spannung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Übersicht halber werden Komponenten, die den in 1 in 2 gezeigten ähneln, auf die gleiche Weise bezeichnet. Der Schaltkreis 300 umfasst Spannungs-Pins 312-316, den Spannungsblock-Pin 128, Schalter 324, die Widerstände 132-134, den Verstärker 130 und eine Schutzschaltung 340, die eine ESD-Diode oder irgendein anderes Bauelement, das eine beliebige Anzahl von Bauteilen und Schnittstellen des Schaltkreises 300 schützt, sein kann.
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Der Verstärker 130 kann zum Messen eines Spannungsabfalls über den Widerstand 134, der die höchste durch den Schaltkreis 300 erzeugte Spannung darstellt, verwendet werden. Bei Ausführungsformen kann die verstärkte Spannung mit anderen Spannungen gemultiplext werden, bevor sie einem ADC (in 3 nicht gezeigt) zugeführt wird, der dann eine Summe der an den Spannungs-Pins 312-316 vorhandenen Spannungen berechnen kann. Bei Ausführungsformen kann jeder Spannungs-Pin 312-116 mit einer Zelle, wie zum Beispiel einer Batteriezelle, die als eine Konstantspannungsquelle dient, gekoppelt sein.
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Bei Ausführungsformen kann der Schalter 324 eine Transistorschaltung sein, die Transistoren 302, 306 umfasst, welche jeweils eine innere Body-Diode 304 bzw. 308 umfassen. Bei Ausführungsformen weisen innere Body-Dioden 304, 308 eine gemeinsam elektrische Verbindung, zum Beispiel einen gemeinsamen Source-Pin der Transistoren 302, 306, auf.
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Wenn die Transistoren 302, 306 so konfiguriert sind, dass der Schalter 324 geöffnet ist und die inneren Body-Dioden 304, 308 in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet sind, verhindern die inneren Body-Dioden 304, 308 im Betrieb einen Stromfluss durch den Schalter 324, da unabhängig davon, an welches Ende des Schalters 324 eine höhere (oder geringere) Spannung angelegt ist, eine der Body-Dioden 304, 308 in Sperrrichtung vorgespannt ist, so dass für den Zustand, dass der Schalter ausgeschaltet ist, ein Stromfluss durch den elektrischen Pfad, der die beiden Dioden 304, 308 umfasst, verhindert wird, die Pins 312-316 sogar voneinander isoliert werden und eine durch Software konfigurierbare Messung einzelner Pins (und Sammelschienen) ohne Kurzschließen von Zellen miteinander gestattet wird.
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Vorteilhafterweise wird dadurch der Widerstandsteiler 132-134 als eine Last am Batteriestapel entfernt. Vor allem wird eine am Pin 312-116 empfangene Spannung am Widerstand 134 ohne Stromfluss durch den Schalter 324, das heißt ohne jeglichen zusätzlichen Spannungsabfall, der ansonsten IR-Verluste, die sich störend auf die Genauigkeit der Spannungsmessung auswirken, verursachen würde, messbar. An den Spannungs-Pin 312-116 angelegte Spannungen (abzüglich jeglichen Spannungsabfalls an den inneren Body-Dioden 304, 308) kann durch den Verstärker 130 detektiert werden. Bei Ausführungsformen bestimmt der Verstärker 130 Spannungen zwischen den Spannungs-Pins 312-316, aus denen eine Spannung an dem bestimmten Spannungs-Pin 312-316 bestimmt werden kann.
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Bei Ausführungsformen teilt der Widerstandsteiler 132-134 die Spannung bis zu einem geeigneten Spannungswert, der, wie zuvor erwähnt wurde, durch den Verstärker 130 gemessen und als ein analoges Spannungssignal 138, das durch einen ADC digitalisiert und weiterverarbeitet werden kann, ausgegeben werden kann.
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Im Gegensatz zu bestehenden Ausführungen, die eigens vorgesehene Pins verwenden, welche an einer zur Festverdrahtung zum Überwachen einer festen Anzahl von Zellen ausgelegten Platine befestigt sind, verschaffen hierin vorgestellte Ausführungsformen einem Benutzer Flexibilität zum Bestimmen, welche Zelle in einem Block von Zellen als das obere Ende des Blocks zu behandeln ist, ohne dass irgendetwas extern mit dem Pin 128 verbunden werden muss und ohne dass jede Zelle mit dem Pin 128 festverdrahtet werden muss. Ein Benutzer kann die Stelle des Pins 128, an der die höchste Spannung in einem Block erfasst wird, auswählen.
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Basierend auf der Bestimmung der Stelle der höchsten Spannung, zum Beispiel bei Normalbetrieb oder als Teil eines Initialisierungsverfahrens, kann diese Stelle bei Ausführungsformen dazu verwendet werden, ein Diagnoseverfahren, zum Beispiel eine redundante Diagnosesicherheitsmessung, durchzuführen, die verifiziert, dass alle Zellen, die mit den Spannungs-Pins 312-316 verbunden sind, wie erwartet arbeiten. Bei Ausführungsformen kann der Spannungs-Pin 128 ungenutzt, das heißt auf einem elektrisch floatenden Potenzial, gelassen werden, indem die Auswahl einer Option von einem Konfigurationsmenü aufgehoben wird.
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Bei Ausführungsformen kann der Spannungs-Pin 128 dazu verwendet werden, älteren Schaltkreisen Rechnung zu tragen und die Platine vollkommen rückwärtskompatibel zu machen, um Spannungsmessungen an bestehenden Systemen, die in Erwartung des Spannungs-Pins 128 ausgelegt sind, zu unterstützen. Bei diesen Ausführungsformen kann der Spannungs-Pin 128 wie irgendein anderer Eingangs-Pin 312, 316 behandelt werden.
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Bei Ausführungsformen kann der Spannungs-Pin 128 selektiv mit einer Sammelschiene verbunden werden, wie unter Bezugnahme auf 2 besprochen wurde. Eine Sammelschiene kann in der Messung der höchsten Spannung im Schaltkreis 300 in 3 mit einbezogen sein, um zum Beispiel dem Benutzer zu gestatten, die Spannung, die über die Impedanz der Sammelschiene entsteht, zu erhalten und zu verfolgen. Deshalb kann der Spannungs-Pin 128 bei Ausführungsformen zum Beinhalten der Sammelschiene verbunden sein. Wenn zum Beispiel ein Kabelbaum, der nur acht Drähte hat, für eine Platine, die zur Aufnahme von 14 Kanälen ausgelegt ist, verwendet wird, können die oberen fünf Pins (Pins 9-14) der Platine floatend gelassen werden, der Spannungs-Pin 128 kann mit der Zelle 9 gekoppelt werden, um die Sammelschiene mit einzubeziehen, während der Energieeingang mit der Zelle 8 verbunden werden kann, um die Sammelschiene auszuschließen.
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Der in 3 gezeigte Schaltkreis ist nicht auf die darin gezeigten oder in dem begleitenden Text beschriebenen Konstruktionsdetails beschränkt. Wie für Fachleute ersichtlich ist, kann ein geeignetes Überwachungssystem zum Beispiel einige oder alle Spannungen bestimmen, indem stattdessen Strom gemessen wird und das Ergebnis dann in Spannungsinformationen umgewandelt wird.
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4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Validieren der Spannung am oberen Ende eines Batteriestapels gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Validierungsprozess 400 beginnt bei Schritt 402, wenn bei Ausführungsformen zum Beispiel über eine ADC-Messung, die Spannungen an Spannungsknoten misst, die gegebenenfalls mit einer Zelle gekoppelt sein können, einzelnen Zellen in einem Block von Zellen in einem Batteriestapel zugehörige Spannungen bestimmt werden.
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Bei Schritt 404 kann die ADC-Messung dazu verwendet werden, das Vorhandensein und die Position einer Sammelschiene, zum Beispiel bezüglich der Zellen in dem Block und als Teil einer Diagnosemessung, zu bestimmen. Bei Ausführungsformen kann eine Hilfsschaltung dazu verwendet werden, die höchste Spannung in dem Block von Zellen oder eine mit der höchsten Spannung in Beziehung stehende Spannung automatisch zu lokalisieren.
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Die höchste Spannung kann an einem eigens vorgesehenen Stift gefunden werden, der mit irgendwelchen der Zellen in dem Block von Zellen gekoppelt ist, oder wenn der Block von Zellen eine Sammelschiene umfasst, dann ist der Stift mit der Sammelschiene gekoppelt.
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Bei Schritt 406 wird eine Summe von Spannungen der einzelnen Zellen, einschließlich jeglicher eventuell vorhandener Sammelschienenspannung, bestimmt.
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Bei Schritt 408 kann die Summe von Spannungen der einzelnen Zellen mit der Spannung am oberen Ende des Batteriestapels, einschließlich jeglicher Sammelschienenspannung, verglichen werden, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten.
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Schließlich kann bei Schritt 410, wenn das Ergebnis einen Schwellenwert, zum Beispiel einen von einem Benutzer wählbaren Schwellenwert, übersteigt, das Ergebnis des Vergleichs verwendet werden, um zum Beispiel eine Sicherheitswarnung auszulösen, die ein Notfallverfahren einleitet. Es sei darauf hingewiesen, dass zusätzliche Schritte Ausschalten eines Teils des Schaltkreises zu bestimmten Zeiten, um den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren, umfassen können.
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Ein Fachmann wird erkennen, dass kein Datenverarbeitungssystem oder keine Programmiersprache für die Ausübung der vorliegenden Erfindung entscheidend ist. Ein Fachmann wird auch erkennen, dass mehrere der oben beschriebenen Elemente physisch und/oder funktionell in Untermodule getrennt oder miteinander kombiniert werden können.
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Für Fachleute wird auf der Hand liegen, dass die vorstehenden Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft sind und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken. Es wird beabsichtigt, dass alle Permutationen, Erweiterungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen dazu, die für Fachleute beim Lesen der Patentschrift und genauer Betrachtung der Zeichnungen ersichtlich sind, im wahren Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sind. Es sei auch angemerkt, dass Elemente beliebiger Ansprüche unterschiedlich angeordnet sein können, wobei sie auch mehrere Abhängigkeiten, Konfigurationen und Kombinationen aufweisen können.
