DE102022213805A1 - Batteriesystem - Google Patents
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Abstract
Batteriesystem umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher, einen Wechselrichter und eine Ladevorrichtung zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Batteriesystem sowie einer Verwendung des Batteriesystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
- Stand der Technik
- Die Batterie-Trenneinheit („BDU“, battery disconnect unit) ist ein Schlüsselelement für die Sicherheit von Fahrzeugen mit Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Traktionsbatterien. Hauptaufgabe der Batterie-Trenneinheit ist die Vermeidung eines thermischen Durchgehens der Batterie durch Überladung oder Kurzschluss.
- Nach dem Stand der Technik bestehen solche Systeme üblicherweise aus einem Relais und Sicherungen. Alternativ kann auch ein Pyroschalter oder eine Pyrosicherung verwendet werden.
- Üblicherweise verbindet die Batterie-Trenneinheit eine einzige Batterie mit dem Bordnetz des Fahrzeugs. Zusätzlich erfolgt der Anschluss für ein Aufladen der Batterie mit Gleichstrom über eine externe Stromquelle mittels in Reihe geschalteter zusätzlicher Schalter.
- Zusätzliche elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Heizung, Kompressor, die von der Hochvolt-Batterie versorgt werden sind durch eine zusätzliche Sicherung, beispielsweise ein pyrotechnischer Schalter oder ein Sicherungselement, geschützt.
- Relais für Hochspannungsanwendungen weisen üblicherweise große Abmessungen auf, haben eine begrenzte Lebensdauer und ein vergleichsweise schlechtes dynamisches Verhalten, so dass hohe Kurzschlussströme auf Systemebene nicht zuverlässig vermieden werden können. Bei noch höheren Spannungs- und Leistungsgrößen wird der Einsatz solcher Relais immer komplexer und teurer.
- „Vehicle to X“ (V2X) ist ein aufkommender Trend im Automobilmarkt, bei dem das Fahrzeug über ein integriertes AC- oder DC-Ladegerät mit einer externen Last („Vehicle to Load“, V2L), einer Heiminstallation („Vehicle to Home“, V2H), dem Stromnetz („Vehicle to Grid“, V2G) verbunden werden kann. Eine direkte Folge dieser Entwicklung ist eine massive Erhöhung der Betriebsstunden für das Ladegerät, das Energie in der Hochvolt-Batterie aufnimmt bzw. speichert.
- Das Dokument
DE 10 2013 111 463 A1 offenbart eine Schalteranordnung und Batterieanordnung. - Das Dokument
JP 2017 065 340 A - Das Dokument
DE 10 2020 215 035 A1 offenbart einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinheit und mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
- Offenbarung der Erfindung
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Batteriesystem folgende Komponenten umfasst:
- - mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher;
- - einen Wechselrichter, wobei ein erster Anschluss des Wechselrichters mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren, welche einen Mittelpunkt-Anschluss aufweist, mit einem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des Wechselrichters mittels eines ersten Schütz mit einem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist;
- - eine Ladevorrichtung zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers, wobei ein erster Anschluss der Ladevorrichtung mittels einer weiteren anti-seriellen Anordnung von Transistoren mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss der Ladevorrichtung mittels eines zweiten Schütz mit dem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist.
- Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Batteriesystem folgende Komponenten umfasst:
- - mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher;
- - einen Wechselrichter, wobei ein erster Anschluss des Wechselrichters mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren, welche einen Mittelpunkt-Anschluss aufweist, mit einem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des Wechselrichters mittels eines ersten Schütz mit einem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist;
- - eine Ladevorrichtung zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers, wobei ein erster Anschluss der Ladevorrichtung mittels eines zweiten Schütz über eine elektrische Sicherung mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss der Ladevorrichtung mittels eines dritten Schütz mit dem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Das Batteriesystem umfasst mindestens einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher, wobei ein erster Anschluss des Verbrauchers über einen Transistor mit dem ersten Anschluss dem Wechselrichter elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des Verbrauchers mit dem zweiten Anschluss des Wechselrichters elektrisch verbunden ist.
- In der anti-seriellen Anordnung der Transistoren und/oder der weiteren anti-seriellen Anordnung der Transistoren sind vorteilhafterweise die Source-Anschlüsse der Transistoren elektrisch verbunden.
- Das Batteriesystem umfasst ferner weitere elektrische Komponenten, wobei ein erster Anschluss der weiteren elektrischen Komponenten mit einem ersten Schalter mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers und/oder ein zweiter Anschluss der weiteren elektrischen Komponenten mit einem zweiten Schalter mit dem Minuspol des elektrochemischen Energiespeichers elektrisch verbindbar ist.
- Der erste Schalter und/oder der zweite Schalter des erfindungsgemäßen Batteriesystems umfassen ein Schütz und/oder mindestens einen Transistor.
- Die Ladevorrichtung umfasst eine Gleichstromladevorrichtung und/oder die weiteren elektrischen Komponenten eine Wechselstromladevorrichtung.
- Der elektrochemische Energiespeicher umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher.
- Die Transistoren des Batteriesystems umfassten selbstsperrende n-Kanal MOSFETs.
- Das erfindungsgemäße Batteriesystem findet vorteilhafterweise Verwendung für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
- Kurzbeschreibung der Figuren
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.
- Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems gemäß einer ersten Ausführungsform; und -
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems gemäß einer dritten Ausführungsform. - Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 gemäß einer ersten Ausführungsform - Das erfindungsgemäße Batteriesystem 100 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 101 mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen, einen Wechselrichter 104, eine Ladevorrichtung 109 sowie zusätzliche elektrische Verbraucher 113.
- Der elektrochemische Energiespeicher 101 weist einen Pluspol 102 und einen Minuspol 103 auf.
- Ein erster Anschluss 105(1) des Wechselrichters 104 ist mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren 107, welche einen Mittelpunkt-Anschluss 108 aufweist, mit dem Pluspol 102 des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 105(2) des Wechselrichters 104 ist mittels eines ersten Schütz 106 mit dem Minuspol 103 des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar.
- Ein erster Anschluss 110(1) der Ladevorrichtung 109 ist mittels einer weiteren anti-seriellen Anordnung 111 mit dem Pluspol 102 des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 110(2) der Ladevorrichtung 109 ist mittels eines zweiten Schütz 112 mit dem Minuspol 103 des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar.
- Das Batteriesystem 100 umfasst mindestens einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher 113. Ein erster Anschluss 114(1) des Verbrauchers 113 ist über einen weiteren Transistor 115 mit dem ersten Anschluss 105(1) des Wechselrichters 104 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 114(2) des Verbrauchers 113 ist mittels des ersten Schütz 106 mit dem Minuspol 103 des Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar.
- In dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 sind die Ladevorrichtung 109 und der Wechselrichter 104 elektrisch parallelgeschaltet. Beide Strompfade zum Pluspol 102 des elektrochemischen Energiespeichers 101 sind durch die anti-serielle Anordnung von Transistoren 107, 111 geschützt. Die Source-Anschlüsse der Transistoren in den anti-seriellen Anordnungen 107, 111 sind vorteilhafterweise elektrisch verbunden.
- Beide Strompfade zum Minuspol 103 des elektrochemischen Energiespeichers 101 sind mittels des ersten Schütz 106 und des dritten Schütz 112 geschützt. Dadurch können vorteilhafterweise Verluste beim Laden reduziert werden, da der elektrische Strom nicht mehr durch Schutzelemente zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher 101 und dem Wechselrichter 104 fließen muss. Dieses Batteriesystem 100 bietet die Möglichkeit einen Stromfluss in alle Richtungen, also sowohl in Laderichtung als auch in Entladerichtung mittels der Anordnung der Transistoren 107, 111 abzuschalten. Mittels des weiteren Transistors 115 sind die zusätzlichen elektrischen Verbraucher 113 elektrisch verbindbar.
- Das erfindungsmäße Batteriesystem 100 bietet die Möglichkeit einen Stromfluss in alle Richtungen, also sowohl in Laderichtung, beispielsweise einen Rekuperationsstrom, als auch in Entladerichtung des Wechselrichters 104 mittels der anti-seriellen Anordnung der Transistoren 107 abzuschalten. Bei einem zu hohen Gleichstrom der Ladevorrichtung 109 wird der Stromfluss in Laderichtung mittels des zweiten Schütz 111 und des dritten Schütz 112 abgeschaltet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform - Das erfindungsgemäße Batteriesystem 200 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 201 mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen, einen Wechselrichter 204, eine Ladevorrichtung 209 sowie zusätzliche elektrische Verbraucher 213.
- Der elektrochemische Energiespeicher 201 weist einen Pluspol 202 und einen Minuspol 203 auf.
- Ein erster Anschluss 205(1) des Wechselrichters 204 ist mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren 207, welche einen Mittelpunkt-Anschluss 208 aufweist, mit dem Pluspol 202 des elektrochemischen Energiespeichers 201 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 205(2) des Wechselrichters 204 ist mittels eines ersten Schütz 206 mit dem Minuspol 203 des elektrochemischen Energiespeichers 201 elektrisch verbindbar.
- Ein erster Anschluss 210(1) der Ladevorrichtung 209 ist mittels eines zweiten Schütz 211 über eine elektrische Sicherung 216 mit dem Pluspol 202 des elektrochemischen Energiespeichers 201 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 210(2) der Ladevorrichtung 209 ist mittels eines zweiten Schütz 212 mit dem Minuspol 203 des elektrochemischen Energiespeichers 201 elektrisch verbindbar.
- Das Batteriesystem 200 umfasst mindestens einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher 213. Ein erster Anschluss 214(1) des Verbrauchers 213 ist über einen weiteren Transistor 215 mit dem ersten Anschluss 205(1) des Wechselrichters 204 elektrisch verbindbar. Ein zweiter Anschluss 214(2) des Verbrauchers 213 ist mittels des ersten Schütz 206 mit dem Minuspol 203 des Energiespeichers 201 elektrisch verbindbar.
- In dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 200 sind die Ladevorrichtung 209 und der Wechselrichter 204 elektrisch parallelgeschaltet. Beide Strompfade zum Pluspol 202 des elektrochemischen Energiespeichers 201 sind durch die anti-serielle Anordnung von Transistoren 207 und den zweiten Schütz 211 mit der elektrischen Sicherung 216 geschützt. Die Source-Anschlüsse der Transistoren in der anti-seriellen Anordnung 207 sind vorteilhafterweise elektrisch verbunden. Beide Strompfade zum Minuspol 203 des elektrochemischen Energiespeichers 201 sind mittels des ersten Schütz 206 und des dritten Schütz 212 geschützt. Dadurch können vorteilhafterweise Verluste beim Laden reduziert werden, da der elektrische Strom nicht mehr durch Schutzelemente zwischen elektrochemischen Energiespeicher 201 und Wechselrichter 204 fließen muss. Dieses Batteriesystem 200 bietet die Möglichkeit einen Stromfluss in alle Richtungen, also sowohl in Laderichtung als auch in Entladerichtung mittels der Anordnung der Transistoren 207 abzuschalten. Mittels des weiteren Transistors 215 sind die zusätzlichen elektrischen Verbraucher 213 elektrisch verbindbar.
- Das erfindungsmäße Batteriesystem 200 bietet die Möglichkeit einen Stromfluss in alle Richtungen, also sowohl in Laderichtung, beispielsweise einen Rekuperationsstrom, als auch in Entladerichtung des Wechselrichters 204 mittels der anti-seriellen Anordnung der Transistoren 207 abzuschalten. Bei einem zu hohen Gleichstrom der Ladevorrichtung 209 wird der Stromfluss in Laderichtung mittels des zweiten Schütz 211 und des dritten Schütz 212 abgeschaltet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. - Das Batteriesystem 300 umfasst das Batteriesystem 100 sowie eine weitere elektrische Komponente 301, beispielsweise eine Wechselstromladevorrichtung, wobei ein erster Anschluss 302(1) der weiteren elektrischen Komponenten 301 mit einem ersten Schalter 303, in der gezeigten Ausführungsform ein Schütz, mit dem Pluspol 102 des elektrochemischen Energiespeichers 101 und/oder ein zweiter Anschluss 302(2) der weiteren elektrischen Komponenten 301 mit einem zweiten Schalter 304, in der gezeigten Ausführungsform ein Transistor, mit dem Minuspol 103 des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbindbar ist.
- Durch eine direkte elektrische Verbindung der weiteren elektrischen Komponenten 301, beispielsweise Hochvolt-Hilfskomponenten oder einer Wechselstromladevorrichtung, mit dem elektrochemischen Energiespeicher 101 können elektronische Komponenten wie der Wechselrichter 104 im Störungsfall besser geschützt werden. Die elektrische Verbindung kann durch Schütze 303, Sicherungen oder Transistoren 304, in unidirektionaler oder bidirektionaler Sperranordnung, in jedem Anschluss 302(1), 302(2) erfolgen.
- Die genaue Anordnung ist abhängig vom Sicherheitskonzept auf Bordnetzebene, so können mögliche Kombinationen ein Relais an einem der Anschlüsse 302(1), 302(2), eine Sicherung an einem der Anschlüsse 302(1), 302(2) oder ein Relais an beiden Anschlüssen 302(1), 302(2) oder ein Relais an einem der Anschlüsse 302(1), 302(2) und ein Transistor (wahlweise uni- oder bidirektional sperrbar) an einem der Anschlüsse 302(1), 302(2) oder ein Transistor (mit ein- oder bidirektionaler Sperrfähigkeit) an einem der Anschlüsse 302(1), 302(2).
- Der Wechselrichter 104 ist bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 300 vorteilhafterweise von der weiteren elektrischen Komponente 301 getrennt, wodurch zusätzliche Belastungen, beispielsweise durch V2X, keinen direkten Einfluss auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Batteriesystems 100, beispielsweise durch Korrosionseffekte oder Ausfall des Wechselrichters 104 durch kosmische Strahlung, haben.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013111463 A1 [0008]
- JP 2017065340 A [0009]
- DE 102020215035 A1 [0010]
Claims (10)
- Batteriesystem (100) umfassend - mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (101); - einen Wechselrichter (104), wobei ein erster Anschluss (105(1)) des Wechselrichters (104) mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren (107), welche einen Mittelpunkt-Anschluss (108) aufweist, mit einem Pluspol (102) des elektrochemischen Energiespeichers (101) elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (105(2)) des Wechselrichters (104) mittels eines ersten Schütz (106) mit einem Minuspol (103) des elektrochemischen Energiespeichers (101) elektrisch verbindbar ist; - eine Ladevorrichtung (109) zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers (101), wobei ein erster Anschluss (110(1)) der Ladevorrichtung (109) mittels einer weiteren anti-seriellen Anordnung von Transistoren (111) mit dem Pluspol (102) des elektrochemischen Energiespeichers (101) elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (110(2)) der Ladevorrichtung (109) mittels eines zweiten Schütz (112) mit dem Minuspol (103) des elektrochemischen Energiespeichers (103) elektrisch verbindbar ist.
- Batteriesystem (200) umfassend - mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (201); - einen Wechselrichter (204), wobei ein erster Anschluss (205(1)) des Wechselrichters (205) mittels einer anti-seriellen Anordnung von Transistoren (207), welche einen Mittelpunkt-Anschluss (208) aufweist, mit einem Pluspol (202) des elektrochemischen Energiespeichers (101) elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (205(2)) des Wechselrichters (204) mittels eines ersten Schütz (206) mit einem Minuspol (203) des elektrochemischen Energiespeichers (201) elektrisch verbindbar ist; - eine Ladevorrichtung (209) zum Laden des elektrochemischen Energiespeichers (201), wobei ein erster Anschluss (210(1)) der Ladevorrichtung (209) mittels eines zweiten Schütz (211) über eine elektrische Sicherung (216) mit dem Pluspol (202) des elektrochemischen Energiespeichers (201) elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (210(2)) der Ladevorrichtung (209) mittels eines dritten Schütz (212) mit dem Minuspol (203) des elektrochemischen Energiespeichers (201) elektrisch verbindbar ist;
- Batteriesystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (100, 200) mindestens einen zusätzlichen elektrischen Verbraucher (113, 213) umfasst, wobei ein erster Anschluss (114(1), 214(2)) des Verbrauchers (113, 213) über einen weiteren Transistor (115, 215) mit dem ersten Anschluss (105(1), 205(1)) mit dem Wechselrichter (104, 204) elektrisch verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss (114(2), 214(2)) des Verbrauchers (113, 213) mit dem zweiten Anschluss (105(2), 205(2)) des Wechselrichters (104, 204) elektrisch verbunden ist.
- Batteriesystem (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Source-Anschlüsse der Transistoren in der anti-seriellen Anordnung (107, 207) und/oder der weiteren anti-seriellen Anordnung (211) elektrisch verbunden sind.
- Batteriesystem (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend weitere elektrische Komponenten (301), wobei ein erster Anschluss (302(1)) der weiteren elektrischen Komponenten (301) mit einem ersten Schalter (303) mit dem Pluspol (102) des elektrochemischen Energiespeichers (101) und/oder ein zweiter Anschluss (302(2)) der weiteren elektrischen Komponenten (301) mit einem zweiten Schalter (304) mit dem Minuspol (103) des elektrochemischen Energiespeichers (101) elektrisch verbindbar sind.
- Batteriesystem (100, 200, 300) nach
Anspruch 5 , wobei der erste Schalter (303) und/oder der zweite Schalter (304) ein Schütz und/oder mindestens einen Transistor umfassen. - Batteriesystem (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladevorrichtung (109, 209) eine Gleichstromladevorrichtung und/oder die weiteren elektrischen Komponenten (301) eine Wechselstromladevorrichtung umfassen.
- Batteriesystem (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrochemische Energiespeicher (101, 201) einen Hochvolt-Energiespeicher umfasst.
- Batteriesystem (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transistoren (107, 207, 111, 115, 215) selbstsperrende n-Kanal MOSFETs umfassen.
- Verwendung eines Batteriesystem (100, 200, 300) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis9 für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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