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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Leitungs-Trenneinrichtung, bei dem es sich bevorzugt um ein Batteriemodul einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug handeln kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
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Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) zum Antreiben eines Fahrzeugs weisen nach dem Stand der Technik meist ein metallisches Batteriegehäuse auf, in dem eine Mehrzahl von Batteriemodulen angeordnet ist. Das Batteriegehäuse dient einerseits zur Befestigung der Batterie im Fahrzeug und zum Schutz im Falle eines Unfalls und andererseits stellt es die Mediendichtheit und EMV-Schirmung bereit. Jedes der in der Batterie angeordneten Module weist seinerseits ein Batteriemodulgehäuse aus Metall und/oder Kunststoff auf, in dem eine Anzahl von Batteriezellen angeordnet und verspannt ist. Die eine Batterie ausbildenden Batteriemodule stellen im Normallfall die kleinsten funktionalen Einheiten dar, deren Lage, Position und Gesamtzahl beim Auslegen der Batterie angepasst wird. Die Batteriemodule einer Traktionsbatterie weisen üblicherweise einen gleichen Aufbau auf.
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Eine Traktionsbatterie in einem modernen Hybrid- oder Elektrofahrzeug liefert üblicherweise eine Spannung von 400 bis 800 Volt, wodurch sie auch als Hochvoltbatterie bezeichnet wird. Damit es im Falle eines Unfalls keine lebensgefährliche Hochspannung an Bauteilen außerhalb der Batterie anliegt, wodurch Fahrzeuginsassen und Rettungskräfte am Unfallort gefährdet werden können, sind in der Batterie Abschaltvorrichtungen vorgesehen. Diese sorgen dafür, dass die Traktionsbatterie bei einem Unfall oder bei Vorliegen einer gefährlichen Fehlfunktion automatisch abgeklemmt wird. Hierfür werden meist pyrotechnische Einrichtungen verwendet, auch als Pyro-Trenner oder Pyrofuse bezeichnet, die bei einem Unfall Teile der Verbindungsleitung zwischen Traktionsbatterie und der Leistungselektronik absprengen. So wird der potenziell lebensbedrohliche Stromkreis schnell und zuverlässig unterbrochen und das Fahrzeug damit stromlos geschaltet, wodurch die Gefahr eines Brandes oder eines Stromschlages erheblich reduziert werden kann.
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Bei heutzutage auf dem Markt erhältlichen Elektrofahrzeugen, die über beachtliche Antriebsleistungen verfügen, spielt neben ihrer Betriebssicherheit auch ein gutes Abwärmemanagement eine sehr wichtige Rolle. Eines der bekanntesten Risiken für Traktionsbatterien stellt das thermische Durchgehen einer Zelle (thermal runaway) dar. Die Ursache dafür liegt meist in einer Überschreitung der zulässigen Betriebsparameter, also beispielsweise einem zu hohen Lade- oder Entladestrom und einhergehend damit einer zu hohen Zellspannung. Durch diese Effekte kann die zulässige Betriebstemperatur der betroffenen Batteriezelle überschritten werden und es kann zu einem sehr raschen und unkontrollierten Erhitzen der Batteriezelle kommen. Zugleich kann es zu gefährlichen Überspannungen kommen, wenn für die Betriebssicherheit relevante Bauteile schmelzen.
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Druckschrift
US 2011/059341 A1 offenbart ein elektrisches Fahrzeug mit einem Zellspannungssensor und einem Zelltemperatursensor, die jeweils an einer Vielzahl von Batteriezellen einer Traktionsbatterie angebracht sind. Ferner sind in einem Entgasungskanal weitere Sensoren angeordnet. Wenn die von den Sensoren erfassten Batteriezustandswerte vorbestimmte Schwellenwerte überschreiten, wird die Traktionsbatterie als anormal eingestuft. Daraufhin wird eine kanalisierende Klappe geöffnet, ein Klimagebläse aktiviert und die Fensterscheibe abgesenkt, um den Fahrzeuginnenraum zu belüften. Dadurch wird ein von einer Lithium-Ionen-Batterie erzeugter Rauch schnell aus dem Inneren der Traktionsbatterie abgesaugt.
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Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, Mittel für eine Traktionsbatterie bereitzustellen, durch welche ein personeller und maschineller Schaden im Falle eines Unfalls des Elektrofahrzeugs und/oder eines in der Traktionsbatterie stattfindenden thermischen Durchgehens reduziert und im Optimalfall verhindert werden kann.
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Diese Aufgabe wird mittels des Batteriemoduls und des Verfahrens zum Betreiben desselben gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie bereitgestellt, wobei die entsprechende Hochvoltbatterie eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriemodulen aufweisen kann, die auf geeignete Art und Weise miteinander verschaltet sind. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ein Batteriemodulgehäuse auf, in dem eine Mehrzahl miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen angeordnet ist. Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul kann beispielsweise einen einzigen Strang aus 192 in Serie geschalteten Batteriezellen aufweisen, z.B. Lithiumionenzellen, wobei es dann als ein 192s1 p-Modul bezeichnet werden kann. Geht man bei einer Lithiumionenzelle von einer Ladespannung von ca. 4,2V aus, so ergibt sich für ein solches Batteriemodul eine Ladespannung von ca. 806V. Dieses Beispiel dient nur der Veranschaulichung und ist klarerweise für die vorliegende Erfindung keinesfalls einschränkend.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ferner einen Entgasungskanal auf, durch welchen ein Gasaustausch zwischen Innerem des Batteriemodulgehäuses und seiner Umgebung herbeigeführt werden kann. Ein Batteriemodul ist normalerweise hermetisch verschlossen, so dass während eines ordnungsgemäßen Betriebes sein Inneres gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. An der Gehäusewand des Entgasungskanals des erfindungsgemäßen Batteriemoduls kann ein Notentgasungselement angeordnet sein, welches bei Vorliegen eines geeigneten Ansteuersignals einen Luftweg zwischen dem Inneren des Batteriemodulgehäuses und der äußeren Umgebung freigibt. Das Notentgasungselement kann beispielsweise einer ansteuerbaren Klappe entsprechen, welche bei Bedarf geöffnet werden kann, um etwa ein heißes Gas aus dem Inneren des Batteriemodulgehäuses an die Umgebung abzugeben.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ferner eine Leitungs-Trenneinrichtung auf, welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Trennsignal eine Stromleitung zu trennen, welche einen Spannungsabgriff des Batteriemoduls mit den Batteriezellen verbindet. Die hier gemeinte Stromleitung bildet einen Strompfad aus, welcher zwischen den beiden Spannungsabgriffen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls die darin befindlichen Batteriezellen auf geeignete Art und Weise, also gemäß dem gewählten Verschaltungsschema, miteinander verbindet. Dabei kann die Leitungs-Trenneinrichtung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Batteriezellenstrangs im Batteriemodul angeordnet sein, beispielsweise zwischen zwei Batteriezellen in einem mittigen Bereich des Batteriezellenfeldes oder zwischen der letzten Batteriezelle und dem Spannungsabgriff des Batteriezellenmoduls.
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Letztere Möglichkeit kann den Vorteil haben, dass eine nah am Spannungsabgriff des Batteriezellenmoduls platzierte Leitungs-Trenneinrichtung einfacheren Zugang gewährt und so einfacher gewartet oder nach einer Auslösung wieder instandgesetzt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist ferner mindestens einen Sensor auf, welcher eingerichtet ist, einen Zustandsparameter innerhalb des Batteriemodulgehäuses zu ermitteln. Bei dem Zustandsparameter kann es sich beispielsweise um einen Druck und/oder eine Temperatur handeln.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist schließlich eine Steuerungseinrichtung auf, welche mit dem mindestens einen Sensor und der Leitungs-Trenneinrichtung gekoppelt ist und eingerichtet ist, das Trennsignal an die Leitungs-Trenneinrichtung auszugeben, wenn der von dem mindestens einen Sensor ermittelte Zustandsparameter oder ein davon abgeleiteter Parameter einen entsprechenden Schwellenwert überschreitet. Bei dem von dem Zustandsparameter abgeleiteten Parameter kann es sich beispielsweise um seine Änderung, also seine zeitliche Ableitung handeln. Der Schwellenwert kann so gewählt werden, dass bei seinem Überschreiten der Zustandsparameter bzw. der davon abgeleitete Parameter mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Vorliegen eines thermischen Durchgehens mindestens einer Batteriezelle ausgegangen werden kann. Bei der Detektion eines solchen Vorfalls wird die Leitungs-Trenneinrichtung ausgelöst bzw. aktiviert, wodurch die Spannungslage in dem erfindungsgemäßen Batteriemodul geteilt wird. Anders ausgedrückt wird der Strompfad innerhalb des Batteriemoduls unterbrochen, um das Batteriemodul spannungsfrei zu schalten. Die Auslösung bzw. Aktivierung des Leitungs-Trenneinrichtung, welche sich in oder an dem erfindungsgemäßen Batteriemodul befindet, erfolgt durch einen Auswertealgorithmus innerhalb der Steuerungseinrichtung, beispielsweise einer geeignet konfigurierten Schaltung oder eines geeignet konfigurierten Mikrocontrollers.
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In weiteren Ausführungsformen des Batteriemoduls kann die Leitungs-Trenneinrichtung ein Schaltschütz aufweisen, welches zum Schalten großer Leistungen ausgelegt ist. Bei Vorliegen des Trennsignals am Steuereingang des Schaltschütz ist dieses eingerichtet, die stromführende Leitung innerhalb des Batteriemoduls zuverlässig zu unterbrechen.
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In weiteren Ausführungsformen des Batteriemoduls kann die Leitungs-Trenneinrichtung eine pyrotechnische Trenneinrichtung aufweisen. Die pyrotechnische Trenneinrichtung kann einen Pyro-Trenner oder Pyrofuse aufweisen, welcher bei seiner Aktivierung mittels einer kleinen Sprengladung die stromführende Leitung sicher und zuverlässig kappt.
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In weiteren Ausführungsformen des Batteriemoduls kann der mindestens eine Sensor einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor ist dann eingerichtet, eine Temperatur als Zustandsparameter zu erfassen. Der davon abgeleitete Parameter, welcher überwacht wird und bei Überschreiten eines Schwellenwertes einen Fehlerfall indizieren kann und somit zur Generierung des Trennsignals führen kann, kann den Temperaturgradienten aufweisen.
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Der Temperatursensor kann grundsätzlich überall im Batteriemodul angeordnet sein. Es kann jedoch von Vorteil sein, wenn der Temperatursensor im Entgasungskanal angeordnet ist. Bei Vorliegen eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle entweicht eine erhebliche Menge eines heißen Gases aus dieser heraus. Da das heiße Gas über den Entgasungskanal nach außen abgeführt wird, kann durch Platzieren des Temperatursensors im Entgasungskanal, also in einem Bereich, welcher im oder ausreichend nahe am fluidmechanischen Strömungsweg eines heißen aus dem Batteriegehäuse durch den Entgasungskanal nach außen strömenden Gases liegt, kann die Wahrscheinlichkeit einer schnellen und zuverlässigen Detektion eines thermischen Durchgehens im Batteriemodul, das einen schnellen Temperaturanstieg erzeugt, erhöht werden.
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In weiteren Ausführungsformen des Batteriemoduls kann der mindestens eine Sensor einen Drucksensor aufweisen. Der Drucksensor ist dann eingerichtet, einen Druck als Zustandsparameter zu erfassen. Der davon abgeleitete Parameter, welcher überwacht wird und bei Überschreiten eines entsprechenden Schwellenwertes einen Fehlerfall indizieren kann und somit zur Generierung des Trennsignals führen kann, kann den Druckgradienten aufweisen. Mittels des Drucksensors kann ein erhöhter Druck und/oder ein schneller Druckanstieg im Inneren des Batteriegehäuses detektiert werden, welcher durch einen Gasaustritt aus einer Batteriezelle hervorgerufen werden kann. Aus einem solchen Ereignis kann auf das Vorliegen eines thermischen Durchgehens geschlossen werden.
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Vorteilhafterweise können sowohl mindestens ein Drucksensor als auch mindestens ein Temperatursensor im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet sein, um ein engmaschiges Überwachungsnetz bereitzustellen zur Detektion eines Temperatur- und/oder eines Druckanstiegs. Generell kann der Temperatursensor bevorzugt im Entgasungskanal der HV-Batterie angeordnet sein, der Drucksensor kann alternativ dazu variabel innerhalb des Batteriemodulgehäuses positioniert werden.
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In weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben des zur beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls bereitgestellt. Das Verfahren weist grundsätzlich zwei Hauptschritte bzw. Hauptphasen auf, nämlich Überwachen des mittels des mindestens einen Sensors innerhalb des Batteriemodulgehäuses ermittelten Zustandsparameters, und Ausgeben des Trennsignals an die Leitungs-Trenneinrichtung, wenn der ermittelte Zustandsparameter oder ein davon abgeleiteter Parameter einen Schwellenwert überschreitet, wodurch die die Batteriezellen mit den Spannungsabgriffen am Batteriemodul verbindende Stromleitung durchtrennt wird.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm, welches den Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriemoduls veranschaulicht.
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In 1 ist in einer stark vereinfachten Form ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 gezeigt, welches Teil einer Hochvoltbatterie sein kann. Das Batteriemodul 1 weist ein Batteriemodulgehäuse 2 auf, in dem eine Mehrzahl miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen 3 angeordnet ist. Die letzte Batteriezelle ist mittels einer Stromleitung 6 mit einem Spanungsabgriff 7 des Batteriemoduls 1 verbunden.
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In einem Bereich des Batteriemodulgehäuses 2 ist ein Entgasungskanal 4 vorgesehen, durch welchen ein Gasaustausch zwischen dem Inneren des Batteriemodulgehäuses 2 und seiner Umgebung herbeigeführt werden kann. Im normalen Betrieb kann der Gasaustausch unterbunden sein, so dass das Batteriemodulgehäuse 2 nach außen hermetisch abgeschlossen ist. Der Gasaustausch kann durch Aktivieren eines Notentgasungselements 10 herbeigeführt werden, welches ein Ventil bzw. eine Klappe und zusätzlich einen Lüfter aufweisen kann, welcher den Gasaustausch aktiv unterstützen kann. Der Entgasungskanal 4 kann fließend in das Batteriemodulgehäuse 2 übergehen bzw. einem Teil davon entsprechen. Gegebenenfalls kann sich das Batteriemodulgehäuse 2 im Bereich des Entgasungskanals 4 zum Notentgasungselement 10 hin verjüngen.
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Im Inneren des Batteriemodulgehäuses 2 ist eine Leitungs-Trenneinrichtung 5 angeordnet, welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Trennsignal die Stromleitung 6 zu trennen, welche den Spannungsabgriff 7 des Batteriemoduls 1 mit den Batteriezellen 3 verbindet. Die Stromleitung 6 verläuft hierbei durch die Leitungs-Trenneinrichtung 5. Es sei drauf hingewiesen, dass Position der Leitungs-Trenneinrichtung 5 in 1, obgleich zweckmäßig, nur beispielhaft ist, so dass diese auch an jeder anderen Stelle zwischen dem Spannungsabgriff 7 und dem Strang aus Batteriezellen 3 angeordnet sein kann. Hierbei soll auch der Fall abgedeckt sein, dass die Leitungs-Trenneinrichtung 5 innerhalb des Strangs aus Batteriezellen 3 angeordnet ist, also zwischen zwei Batteriezellen 3. Es ist einzig wichtig, dass die Leitungs-Trenneinrichtung 5 im Auslösefall den Strompfad zwischen dem ersten Spannungsabgriff 7 und dem zweiten Spannungsabgriff (nicht explizit in 1 gezeigt) innerhalb des Batteriemoduls 1 trennen kann.
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Im Inneren des Batteriemodulgehäuses 2 ist ferner ein Sensor 8 angeordnet, welcher eingerichtet ist, einen Zustandsparameter innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 zu ermitteln. Wie bereits erläutert, kann es sich bei dem Sensor 8 um einen Druck- und/oder Temperatursensor handeln, wobei insgesamt mehrere Sensoren in einer beliebigen Zusammenstellung (also Druck- oder Temperatur messend) innerhalb des Batteriemodulgehäuses 2 angeordnet sein können. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann der Sensor 8 einem Temperatursensor entsprechen. Der Temperatursensor ist hier im Entgasungskanal 4 angeordnet, um im eingeleiteten Entgasungsfall einen Temperaturanstieg im Inneren des Batteriemodulgehäuses 2, verursacht durch einen heißen am Temperatursensor vorbeiströmenden Gasstrom, schnell und zuverlässig detektieren zu können.
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Ferner weist das erfindungsgemäße Batteriemodul 1 eine Steuerungseinrichtung 9 auf, welche mit dem mindestens einen Sensor 8 und der Leitungs-Trenneinrichtung 5 gekoppelt ist und eingerichtet ist, das Trennsignal an die Leitungs-Trenneinrichtung 5 auszugeben (wodurch die Stromleitung 6 unterbrochen wird), wenn der von dem mindestens einen Sensor 8 ermittelte Zustandsparameter oder ein davon abgeleiteter Parameter, beispielsweise der Gradient des Zustandsparameters, einen Schwellenwert überschreitet.
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2 zeigt ein Flussdiagramm 20 zur Erläuterung des Betriebs des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Hochvoltbatterie. In einem ersten Bereich 21 des Flussdiagramms ist eine Betriebsüberwachung einer übergeordneten Hochvoltbatterie veranschaulicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und daher nicht im großen Detail beschrieben wird. Die Betriebsüberwachung der HV-Batterie basiert auf der Erfassung diverser Parameter auf Batterieebene, etwa einer Übertemperatur (d.h. Ist-Temperatur liegt über Temperaturschwellenwert), eines Temperaturgradienten, einer Unterspannung oder des Vorliegens eines Temperatur- oder Spannungssensorfehlers. Entsprechende Fehlersignale werden durch Vergleich der erfassten IST-Werte mit entsprechenden Schwellenwerten generiert. Auch ein Kommunikationsabbruch innerhalb der elektronischen Bauteile der Hochvoltbatterie wird als interner Fehler gewertet und im Fehleralgorithmus berücksichtigt. Diese erfassten Parameter und auf deren Basis im Einzelnen erzeugte Fehlersignale werden mit einer geeignet konfigurierten Logik, hier veranschaulicht durch UND- und ODER-Gatter verarbeitet. Im Abschließenden Schritt werden im gezeigten Beispiel die unterschiedlichen Fehler mittels eines ODER-Gatters 211 ausgewertet, so dass am Ende ein zentrales Fehlersignal 212 ausgegeben wird. Bei dem zentralen Fehlersignal 212 kann es sich um ein Fehlersignal auf Ebene des BMS (battery management system - zentrales Steuergerät einer Batterie) handeln.
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Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 in einer Hochvoltbatterie kann der Algorithmus zur Betriebsüberwachung um den zweiten Bereich 22 erweitert werden. Der zweite Bereich 22 repräsentiert eine Überwachung mindestens eines Zustandsparameters 23 (zum Beispiel Temperatur und/oder Druck) und seines Gradienten 24 als eines von dem Zustandsparameter 23 abgeleiteten Parameters auf Ebene eines Batteriemoduls 1, also sozusagen auf der Ebene einer Untereinheit der Hochvoltbatterie. Überschreitet der überwachte Zustandsparameter 23 oder sein Gradient 24 jeweils einen entsprechenden vorbestimmten Schwellenwert, so kann ein solches Ereignis als Fehler gewertet werden und mittels eines ODER-Gatters 25 weiterverarbeitet werden, um beispielsweise wie in 2 gezeigt in einem finalen Logikblock der übergeordneten Hochvoltbatterie, im gezeigten Beispiel dem ODER-Gatter 211, verarbeitet zu werden. Das von dem ODER-Gatter 25 ausgegebene (Fehler-)Signal kann auch zur Ansteuerung der Leitungs-Trenneinrichtung 5 des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 verwendet werden und somit als Trennsignal fungieren.
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Der im Flussdiagramm 20 veranschaulichte zweite Bereich 22, welcher Prozesse auf Ebene des erfindungsgemäßen Batteriemoduls abbildet, stellt eine Erweiterung des aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Verfahrens zur Überwachung des Betriebs einer Hochvoltbatterie dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Erfassung der Zustandsparameter zur Fehlerdetektion, insbesondere des Vorliegens eines thermischen Durchgehens, auf die Ebene des Batteriemoduls verlagert, was eine schnellere Detektion eines schädigenden Ereignisses innerhalb der HV-Batterie als Ganzes betrachtet ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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