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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlerzustandes einer solchen Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrisch betriebene Vorrichtungen bekannt, welche mittels Batterien versorgt werden, die eine Gesamtspannung von unter 60 V bereitstellen, wodurch diese Batterien aufgrund der unkritischen Spannungslage keine speziellen Anforderungen hinsichtlich eines Berührungsschutzes erfüllen müssen.
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Unter solche Vorrichtungen fallen u. a. elektrisch angetriebene Fahrzeuge wie e-Bikes oder e-Roller, deren Batterien aufgrund möglicher einwirkender Umwelteinflüsse i. d. R. in ein schützendes Gehäuse eingebettet sind. Solche Gehäuse werden aus optischen und/oder haptischen und/oder Stabilitätsgründen häufig aus Metallen wie zum Beispiel Stahl und/oder Leichtmetallen wie Magnesium und/oder Aluminium gefertigt, wodurch solche Gehäuse entsprechend eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Ein im Inneren der Batterie angeordneter Zellpack, welcher elektrochemische Batteriezellen und mechanische und/oder elektrisch leitende Verbindungselemente aufweist, verfügt aus Platzgründen meist nur über einen geringen Luftspalt zu einem umgebenden Gehäuse. Da aufgrund der eingesetzten Spannung von kleiner 60 V keine zusätzlichen elektrischen Isolationsmaßnahmen erforderlich sind, besteht die Gefahr, dass aufgrund von Produktionsmängeln und/oder Beschädigungen des Batteriepacks (z. B. durch Belastungen im Betrieb) leitende Verbindungen (nachfolgend auch Fehlkontaktierungen genannt) zwischen dem Gehäuse und dem Batteriepack entstehen können, welche zu einer Beschädigung der Batterie führen können.
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Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein elektrisch leitendes Gehäuse solcher Batterien mit einem Massepotential der Batterie verbunden ist, um Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit zu erfüllen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie vorgeschlagen, welche insbesondere eingerichtet ist, elektrische Fehlkontaktierungen zwischen Batteriezellen der Batterie und einem elektrisch leitfähigen Gehäuse der Batterie zu ermitteln.
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Die Batterie umfasst wenigstens eine Batteriezelle, einen Gehäusekörper, eine Spannungsmessvorrichtung und eine Auswerteeinheit. Hinsichtlich einer zugrundeliegenden Technologie, einer Bauform und einer Zellspannung der einzelnen Batteriezelle liegen bezüglich der erfindungsgemäßen Batterie keine Einschränkungen vor. Beispielsweise ist die Batteriezelle eine als Rundzelle ausgebildete Lithium-Ionen-Zelle. Ferner umfasst die Batterie vorzugsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche beispielsweise in Form eines oder mehrerer Zellstapel zusammengefasst sind, in welchen die einzelnen Batteriezellen parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verbunden sind, so dass eine Gesamtspannung der Batterie bereitgestellt wird. Die elektrische Verbindung der einzelnen Batteriezellen untereinander erfolgt vorzugsweise mittels elektrisch leitender Zellverbinder, wobei auch eine davon abweichende elektrische Kontaktierung möglich ist (z. B. eine Verdrahtung usw.).
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Der Gehäusekörper ist vorzugsweise basierend auf einem Metall wie Stahl und/oder Magnesium und/oder Aluminium hergestellt, wobei auch davon abweichende Materialien wie z. B. ein Kunststoff und/oder ein Verbundstoff verwendbar sind. Eine konkrete Ausgestaltung der Spannungsmessvorrichtung ist grundsätzlich ebenfalls nicht eingeschränkt. Es ist denkbar, diese auf Basis eines Messwiderstandes und/oder einer komplexeren analogen und/oder digitalen Messschaltung auszubilden. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet. Ferner ist es möglich, die Auswerteeinheit als eigenständige Einheit oder als eine in eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Batterie integrierte Einheit auszugestalten. Als eine solche weitere Komponente der Batterie kommt beispielsweise eine Batteriemanagementeinheit in Frage, in welche die Auswerteeinheit in Form von Software- und/oder Hardware integriert ist. Der Gehäusekörper umgibt die wenigstens eine Batteriezelle und ist auf einer der wenigstens einen Batteriezelle zugewandten Innenseite des Gehäusekörpers elektrisch leitfähig.
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Die Spannungsmessvorrichtung weist einen ersten Messanschluss auf, welcher elektrisch mit der leitfähigen Innenseite des Gehäusekörpers verbunden ist. Ferner weist die Spannungsmessvorrichtung einen zweiten Messanschluss auf, welcher elektrisch mit einem Bezugspotential der Batterie verbunden ist. Das Bezugspotential, welches vorteilhaft ein Massepotential ist, ist grundsätzlich ein beliebiges innerhalb der Batterie zur Verfügung stehendes Potential. Vorzugsweise ist das Bezugspotential das jeweils negativste Potential, welches innerhalb der erfindungsgemäßen Batterie vorhanden ist, ohne darauf eingeschränkt zu sein. Die Spannungsmessvorrichtung ist auf dieser Basis eingerichtet, eine Spannung zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss zu erfassen.
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Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, einen erfassten Spannungswert von der Spannungsmessvorrichtung zu empfangen. Hierfür ist ein analoger oder digitaler Dateneingang der Auswerteeinheit mittels einer Signalleitung informationstechnisch mit der Spannungsmessvorrichtung verbunden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, dass die Spannungsmessvorrichtung ein Bestandteil der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit selbst ist, so dass beispielsweise ein über einen Messwiderstand abfallende Spannung zwischen dem Gehäusekörper und dem Bezugspotential direkt an einen A/D-Eingang der Auswerteeinheit geführt wird, durch welchen ein Wert für die aktuell anliegende Spannung ermittelt wird. Vorteilhaft wird der Spannungswert während des aktives Betriebs der Batterie wiederkehrend erfasst und ausgewertet. Eine Erfassung der jeweiligen Spannungswerte erfolgt beispielsweise in regelmäßigen Abständen (z. B. einmal pro Sekunde, oder häufiger oder weniger häufig). Die Auswerteeinheit ist ferner eingerichtet, ein Signal repräsentierend einen Fehlerzustand der Batterie auszugeben, wenn ein Betrag des Spannungswertes einem ganzzahligen Vielfachen einer Zellspannung einer einzelnen Batteriezelle der Batterie entspricht.
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Mit anderen Worten bietet die erfindungsgemäße Batterie auf diese Weise den Vorteil, einen Gutzustand der Batterie von einem Fehlerzustand der Batterie zu unterscheiden, da im Gutzustand eine Spannung von 0 V zu erwarten ist, während in Fehlerfall, z. B. aufgrund einer Fehlkontaktierung wenigstens eines elektrischen Kontaktes wenigstens einer Batteriezelle der Batterie mit dem Gehäusekörper, eine davon abweichende Spannung zu erwarten ist. Um darüber hinaus potentiell von außen über das Gehäuse in die Batterie eingebrachten Spannungen von einem internen Defekt unterscheidbar zu machen, führen entsprechend nur die beschriebenen ganzzahligen Vielfachen einer einzelnen Zellspannung zu einer Ausgabe des Fehlersignals. Eine solche Fehlkontaktierung kann zum Beispiel durch einen Zellverbinder erzeugt werden, welcher eine Deformation aufweist und/oder sich zumindest teilweise von einer Sollposition gelöst hat. Darüber hinaus kann eine solche Fehlkontaktierung auch durch einen in das Gehäuse eingedrungenen elektrischen leitenden Feststoff und/oder durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit wie nicht destilliertes Wasser usw. verursacht werden. Durch eine Verwendung des Signals innerhalb und/oder außerhalb der Batterie ist es vorteilhaft möglich, eine geeignete Fehlerbehandlung für die Batterie und/oder für ein die Batterie nutzendes System zu initiieren.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den Fehlerzustand der Batterie auf Basis eines Wertes für die Zellspannung der Batteriezelle zu ermitteln, welcher in Abhängigkeit eines aktuellen Ladezustandes der Batterie ermittelt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass jeweils eine mit dem aktuellen Ladezustand der Batterie korrespondierende Zellspannung für den Abgleich mit der gemessenen Spannung verwendet wird, so dass eine potentielle Fehlkontaktierung der Batterie auch bei mehr oder weniger stark entladenen Batteriezellen zuverlässig ermittelbar ist. Ein jeweiliger Wert, welcher den jeweils aktuellen Ladezustand der Batterie repräsentiert wird vorteilhaft von einer Batteriemanagementeinheit der Batterie empfangen, welche diesen im Zuge einer Ladezustandsüberwachung Batterie ermittelt.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit darüber hinaus eingerichtet, beim Vergleichen des Betrages des durch die Spannungsmessvorrichtung erfassten Spannungswertes mit einem ganzzahligen Vielfachen der Zellspannung, einen vordefinierten Toleranzbereich für die Zellspannung zu berücksichtigen. Auf diese Weise lassen sich u. a. herstellungsbedingte und alterungsbedingte Abweichungen der Zellspannungen beim Ermitteln des Fehlerzustandes der Batterie kompensieren. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung eines solchen Toleranzbereichs auch eine Kompensation einer ggf. vorhandenen Abweichung zwischen dem ermittelten Ladezustand der Batterie bzw. der Batteriezellen und dem tatsächlichen Ladezustand der Batteriezellen. Obere und untere Grenzwerte für einen solchen vordefinierten Toleranzbereich sind beispielsweise in einer informationstechnisch an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt und sind aus dieser durch die Auswerteeinheit entsprechend abrufbar. Zusammenfassend bietet der vordefinierte Toleranzbereich den Vorteil, dass eine Zuverlässigkeit der Fehlerzustandserkennung für die Batterie erhöht wird.
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Des Weiteren liegt eine Nennspannung einer einzelnen Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batterie vorteilhaft im Bereich von 1,2 V bis 3,7 V und bevorzugt bei 3,6 V, ohne einen möglichen Nennspannungsbereich für die Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie dadurch auf vorgenannte Werte zu beschränken. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Batterie beispielsweise eine Antriebsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bevorzugt eines elektrisch angetriebenen Zweirades und insbesondere bevorzugt eines elektrisch angetriebenen Fahrrades.
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Vorteilhaft weist der Gehäusekörper der Batterie wenigstens auf der Innenseite ein Metall und/oder eine leitfähige Beschichtung auf. Ferner ist es möglich, dass der Gehäusekörper selbst das Außengehäuse der Batterie darstellt oder ein Zwischengehäuse ist, welches wiederum durch das Außengehäuse der Batterie umgeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verfügt der Gehäusekörper auf der Innenseite über eine Mehrzahl elektrisch nicht miteinander verbundener, elektrisch leitfähiger Bereiche, welche jeweils über separate Spannungsmessvorrichtungen mit dem Bezugspotential der Batterie verbunden sind. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit eingerichtet, auf Basis einer Information über eine örtliche Nähe jeweiliger Batteriezellen zu jeweiligen elektrisch nicht verbundenen, elektrisch leitfähigen Bereichen des Gehäusekörpers im Fehlerfall diejenigen Batteriezellen zu ermitteln, welche den Fehlerzustand verursachen. Durch eine solche gezielte Identifizierung jeweiliger den Fehlerzustand verursachender Batteriezellen bzw. jeweiliger im Bereich der Batteriezellen angeordneter elektrischer und/oder mechanischer Verbindungselemente usw., ist es dementsprechend möglich, nachgelagert gezielte Fehlerbehandlungsmaßnahmen zu ergreifen. Die Information über die örtliche Nähe der Batteriezellen bzw. weiterer potentiell fehlerverursachender Elemente der Batterie bezüglich der jeweiligen elektrisch nicht verbundenen, elektrisch leitfähigen Bereiche, ist vorzugsweise ebenfalls in einer an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, auf Basis einer Höhe jeweiliger gemessener Spannungswerte in einem Fehlerfall diejenige Batteriezelle zu ermitteln, welche den Fehlerzustand verursacht. Wie vorstehend beschrieben, ist es durch eine solche Identifizierung der fehlerverursachenden Batteriezelle möglich, eine gezielte Fehlerbehandlungsmaßnahme für die erfindungsgemäße Batterie zu ergreifen.
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Vorteilhaft weist die Batterie zumindest ein Unterbrechungselement auf, welches eingerichtet ist, ein oder mehrere Batteriezellen der Batterie von einem Energieentnahmeanschluss der Batterie elektrisch zu entkoppeln. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung umfasst ein Unterbrechungselement für jede einzelne Batteriezelle der Batterie, wobei auch die Möglichkeit einer Entkopplung einzelner Gruppen von Batteriezellen vom Energieentnahmeanschluss eine vorteilhafte Eingriffsmöglichkeit zur Fehlerbehandlung der Batterie bietet. Insbesondere eine Entkopplung jeweiliger fehlerverursachender Batteriezellen und/oder Gruppen von Batteriezellen vom Energieentnahmeanschluss der Batterie bei einer gleichzeitigen Weiterverwendungsmöglichkeit der verbleibenden Batteriezellen stellt eine bevorzugte Verwendung der Unterbrechungselemente dar. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Batterie zumindest für einen gewissen Zeitraum weiterhin einsatzbereit ist. Die Unterbrechungselemente sind vorzugsweise in Form von Relais oder Halbleiterrelais ausgebildet, ohne darauf eingeschränkt zu sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Zweirad (z. B. ein e-Bike) vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Batterie gemäß obiger Beschreibung umfasst. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Darüber hinaus ist das Fahrzeug auf Basis der erfindungsgemäßen Batterie eingerichtet, einen Hinweis an einen Benutzer (z. B. Fahrer) des Fahrzeugs auszugeben und/oder das Fahrzeug in einen abgesicherten Zustand zu versetzen. Eine Ausgabe des Hinweises erfolgt beispielsweise akustisch (z. B. eine Ausgabe eines Warntons oder einer spezifischen Warntonfolge, optisch (z. B. eine Textausgabe in einem Display des Fahrzeugs) oder haptisch (z. B. eine Lenkradvibration). Ein Abgesicherter Zustand des Fahrzeugs ist beispielsweise ein Zustand, in welchem eine verminderte Energieentnahme aus der erfindungsgemäßen Batterie und/oder eine Unterbrechung der Energieentnahme aus der Batterie erfolgt, zum Beispiel nach Erreichen eines sicheren Parkzustandes des Fahrzeugs.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlerzustandes der Batterie vorgeschlagen. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Spannung zwischen einem ersten Messanschluss und einem zweiten Messanschluss einer Spannungsmessvorrichtung der Batterie erfasst, wobei die Batterie wenigstens eine Batteriezelle aufweist, wobei ein Gehäusekörper der Batterie, welcher wenigstens auf einer Innenseite elektrisch leitfähig ist, die wenigstens eine Batteriezelle umgibt und wobei der erste Messanschluss elektrisch mit der leitfähigen Innenseite des Gehäusekörpers der Batterie verbunden ist, wobei der zweite Messanschluss elektrisch mit einem Bezugspotential der Batterie verbunden ist. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein durch die Spannungsmessvorrichtung gemessener Spannungswert in einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit empfangen. In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der Auswerteeinheit ein Signal repräsentierend einen Fehlerzustand der Batterie ausgegeben, wenn ein Betrag des Spannungswertes einem ganzzahligen Vielfachen einer Zellspannung einer einzelnen Batteriezelle der Batterie entspricht.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Batterie in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Batterie in einer zweiten Ausführungsform; und
- 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Zweirades.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Übersicht eine erfindungsgemäße Batterie in einer ersten Ausführungsform. Die Batterie weist einen Gehäusekörper 20 auf, welcher hier ein Aluminium aufweisendes Außengehäuse der Batterie repräsentiert. Innerhalb der Gehäusekörpers 20 ist eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 angeordnet, welche mittels jeweiliger Zellverbinder 15 seriell miteinander verbunden sind. Aufgrund einer Beschädigung weist einer der Zellverbinder 15 einen Fehlkontakt 90 (elektrischer Kontakt) mit der elektrisch leitfähigen Wandung des Gehäusekörpers 20 auf.
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Die Batterie umfasst ferner ein Batteriemanagementsystem 70, welches eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit 40 aufweist. Die Auswerteeinheit 40 ist über eine Signalleitung 50 informationstechnisch mit einer Spannungsmessvorrichtung 30 verbunden, welche über einen ersten Messanschluss 32 elektrisch mit dem elektrisch leitenden Gehäusekörper 20 und über einen zweiten Messanschluss 34 elektrisch mit einem Massepotential M der Batterie verbunden ist. Ferner weist die Batterie einen Energieentnahmeanschluss 60 auf, über welchen ein externer Verbraucher (nicht gezeigt) mit elektrischer Energie versorgt wird. Auf diese Weise ist die Auswerteeinheit 40 eingerichtet, durch die Spannungsmessvorrichtung 30 erfasste Spannungswerte zu empfangen, welche eine Spannung zwischen dem Massepotential M und der Wandung des Gehäuses repräsentieren. Die Messung erfolgt beispielsweise zyklisch mit einer Taktung von 1 Messung pro Sekunde.
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Die Auswerteeinheit 10 ist ferner eingerichtet zu ermitteln, ob ein Betrag der empfangenen Spannungswerte unter Berücksichtigung eines vordefinierten Toleranzbereichs und unter Berücksichtigung eines aktuellen Ladezustandes der Batterie (welcher durch die Batteriemanagementeinheit 70 ermittelt wird) einem ganzzahligen Vielfachen einer Zellspannung (hier 3,6 V) einer einzelnen Batteriezelle 10 der Batterie entspricht. Aufgrund der hier vorliegenden Fehlkontaktierung 90 liegt in der Auswerteeinheit 40 entsprechend ein gemessener Spannungswert vor, welcher von 0 V abweicht. Auf Basis dieser Abweichung ist die Auswerteeinheit 40 eingerichtet, einen Fehlerzustand für die Batterie zu identifizieren und ein Signal, welches diesen Fehlerzustand repräsentiert über eine Kommunikationsschnittstelle (nicht gezeigt) an eine Komponente außerhalb der Batterie zu übertragen.
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2 zeigt eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Batterie in einer zweiten Ausführungsform. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur die Unterschiede zu 1 beschrieben werden. Der Gehäusekörper 20 ist hier derart ausgebildet, dass er über eine Mehrzahl elektrisch nicht verbundener, elektrisch leitfähiger Bereiche 25 verfügt, welche jeweils mittels einer oben beschriebenen Spannungsmessvorrichtung 30 elektrisch verbunden sind, um jeweils separate Spannungsmessungen zwischen den jeweiligen elektrisch leitfähigen Bereichen 25 und einem Massepotential M der Batterie durchzuführen. Dadurch ist die Auswerteeinheit 40, welche hier ein Mikrocontroller ist, über eine Mehrzahl von Signalleitungen 50 mit den jeweiligen Spannungsmessvorrichtungen 30 elektrisch verbunden. Des Weiteren verfügt die erfindungsgemäße Batterie in der hier vorliegenden zweiten Ausführungsform über eine Mehrzahl von Unterbrechungselementen 55, welche hier als elektromechanische Relais ausgebildet sind. Diese Relais sind eingerichtet, die elektrischen Verbindungen im Ansprechen auf eine Ansteuerung durch die Auswerteinheit 40 zwischen den jeweiligen Batteriezellen 10 zu unterbrechen. Durch die Verwendung einer Mehrzahl elektrisch nicht verbundener, elektrisch leitender Bereiche 25 ist die Auswerteeinheit 40 entsprechend eingerichtet, eine potentielle Fehlkontaktierung innerhalb der Batterie zu lokalisieren. Auf Basis dieser Information ist die Auswerteeinheit 40 weiter eingerichtet, diejenigen Unterbrechungselemente 55 anzusteuern, welche mit dem jeweiligen elektrischen Bereich 25 korrespondieren, in dem der Fehlerzustand verursacht wird. Mittels einer gleichzeitigen Überbrückung der verbleibenden, nicht fehlerbehafteten Batteriezellen 10 durch ein (nicht dargestelltes) Überbrückungselement (welches beispielsweise eine zusätzliche Funktion des Unterbrechungselementes ist), ist es auf diese Weise möglich, die Batterie unter Ausschluss der fehlerhaften Batteriezelle(n) weiter zu betreiben.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Zweirades. Das Zweirad, konkret ein e-Bike, umfasst neben der erfindungsgemäßen Batterie, welche durch hier durch den Gehäusekörper 20 nach außen repräsentiert wird, einen Elektromotor, welcher ein Antriebsmotor des e-Bikes ist und welcher elektrisch mit der erfindungsgemäßen Batterie verbunden ist. Ferner weist das e-Bike ein Display 80 auf, welches informationstechnisch mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit 40 der Batterie verbunden ist und welches eingerichtet ist, einen durch die Auswerteinheit 40 der Batterie ermittelten Fehlerzustand über ein durch die Auswerteeinheit 40 an das Display 80 übertragenes Fehlersignal zu registrieren und im Ansprechen darauf einen Warnhinweis innerhalb eines Anzeigebereichs anzuzeigen.
