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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere ein Hochvolt-Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs, und ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul und einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie. Ferner betrifft die Erfindung einen Controller, der zum Durchführen des Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist.
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Stand der Technik
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, dass zur Abschaltung von Überströmen bzw. Kurzschlussströmen in Batteriesystemen eine Kombination aus Schützen und Sicherungen eingesetzt wird. Bspw. wird an jedem Pol einer Batterie eines Batteriesystems ein Schütz verbaut, welches, getriggert durch einen Controller einer Überwachungselektronik, in einem Fehlerfall geöffnet wird. Treten in einem Kurzschlussfall zu hohe Ströme auf, die bspw. in einem Bereich von 2 kA bis 10 kA liegen, trennt eine mit den Schützen seriell geschaltete Sicherung nach 0,1 ms bis 2 s den Strom.
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Für ein Batteriesystem bzw. ein Hochvolt-Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs werden Sicherungen zum Schutz vor Überströmen für gewöhnlich in Reihe zu verschiedenen Batteriezellen einer Batterie eingesetzt. Im Falle eines Überstroms unterbricht die Sicherung eine Hochvoltleitung zwischen der Batterie und einem Verbraucher des Fahrzeugs. Eine herkömmliche Batteriesicherung, bspw. eine 250 A Sicherung, führt eine Überstromabschaltung bei 500 A in ca. 100 s, bei 1 kA in ca. 0,4 s und bei
6 kA in ca. 1 ms aus. Durch die lange Abschaltzeit im Falle eines Überstromes bis in den Sekundenbereich kann es aufgrund der maximal erreichbaren Ströme von bspw. 6 kA bis 10 kA zu einer Beschädigung des Batteriesystems kommen. Bei einer Beschädigung des Batteriesystems muss das komplette System getauscht werden und es entstehen entsprechend hohe Kosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, in welchem die Schaltzeiten, insbesondere beim Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul und einem Verbraucher, besonders kurz sind. Ferner ist es durch das vorgeschlagene Batteriesystem möglich, die Stromversorgung zwischen wenigstens einer Batterie und dem Verbraucher auch im Falle einer Fehlfunktion einer Batterie aufrecht zu erhalten. Außerdem werden vorliegend ein Verfahren gemäß Anspruch 8 zum Trennen des elektrischen Stromflusses mit dem vorliegenden Batteriesystem sowie ein Controller gemäß Anspruch 10, der zum Durchführen des Verfahrens ausgestaltet ist, zur Verfügung gestellt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Controller und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.
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Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem mit einer Stromunterbrechungsanordnung zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul des Batteriesystems und zumindest einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie zur Verfügung gestellt. Zum Trennen des Stromflusses weist die Stromunterbrechungsanordnung mehrere Leistungshalbleiter auf.
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Durch das Verwenden von Leistungshalbleitern anstelle von Schützen bzw. einer herkömmlichen Schützanordnung ist es vorteilhaft möglich, den Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie deutlich schneller zu trennen. Dadurch können Überströme bzw. Kurzschlüsse zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie entsprechend schnell abgeschaltet werden. Mithin kann vorteilhaft auch die Sicherheit für das Batteriesystem erhöht werden. Durch die Verwendung von mehreren Leistungshalbleitern kann vorteilhaft der Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der Batterie außerdem besonders flexibel getrennt werden. Darüber hinaus kann bei der Verwendung von mehreren Leistungshalbleitern einer Gefahr der Überhitzung eines einzelnen Leistungshalbleiters entgegengewirkt werden.
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Die wenigstens eine Batterie weist bevorzugt mehrere Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder auch parallel geschaltet sein können. Dabei weist das Batteriesystem bevorzugt auch mehrere Batterien auf. Unter dem Verbraucher ist vorliegend ein System zu verstehen, dass mit Strom und Spannung von der wenigstens einen Batterie versorgt wird bzw. versorgt werden kann. Der Verbraucher ist vorliegend bspw. ein Kraftfahrzeugnetz oder ein Elektromotor, der mit dem Kraftfahrzeugnetz verbunden ist.
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Das vorliegende Batteriesystem ist bevorzugt zur Verwendung in einem Fahrzeug bzw. einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Hochvolt-Batteriesystem für einen Antriebsmotor in einem Elektrofahrzeug ausgestaltet. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Verwendung in einem Straßenfahrzeug beschränkt. So ist es vorteilhaft möglich, dass das Batteriesystem auch zur entsprechenden Verwendung in einem Schienenfahrzeug, in einem Wasserfahrzeug, in einem Luftfahrzeug und/oder in einem Roboter ausgestaltet ist. Darüber hinaus kann das Batteriesystem auch für die entsprechende Verwendung in einem stationären System ausgestaltet sein.
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Die Stromunterbrechungsanordnung ist bzw. die Leistungshalbleiter sind dabei bevorzugt in einem Hauptstrompfad des Batteriesystems zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie angeordnet. Unter dem Hauptstrompfad zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie ist ein Strompfad an einem positiven Terminal und einem negativen Terminal der wenigstens einen Batterie zu verstehen. Der Hauptstrompfad entspricht dabei einem Strompfad, in welchem üblicherweise die vorstehend zum Stand der Technik beschriebenen Schütze angeordnet sind.
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Unter einem Leistungshalbleiter ist bspw. ein Halbleiterbauelement zu verstehen, das bei der Verwendung in einer Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt ist, bspw. von mehr als 1 A bis zu mehreren kA und Spannungen von mehr als 24 V. Als Leistungshalbleiter können bspw. Transistoren mit geeigneten Schalt- und Leistungseigenschaften verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Batteriesystem die Leistungshalbleiter zum Trennen des Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie zueinander in Reihe geschaltet sind, insbesondere in Reihe abwechselnd zwischen in Reihe geschalteten Batteriezellen der wenigstens einen Batterie. D.h., die Leistungshalbleiter müssen nicht direkt hintereinander in Reihe geschaltet sein, sondern können auch durch wenigstens eine Batterie oder eine Batteriezelle in einer Batterie voneinander getrennt sein. Durch eine serielle Verteilung der Leistungshalbleiter in der wenigstens einen Batterie ist vorteilhaft eine schnelle und gezielte Abschaltung eines Überstroms zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie bzw. ein entsprechend schnelles und gezieltes Trennen eines zu hohen Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie möglich. Außerdem ist durch die serielle Verteilung der Leistungshalbleiter eine bevorzugte Temperaturaufteilung in oder an der wenigstens einen Batterie möglich. Darüber hinaus kann dadurch an der wenigstens einen Batterie eine besonders hohe Maximalspannung anliegen, bspw. eine Spannung von mehr als 650 V. Da die Spannungsfestigkeit eines verwendeten Leistungshalbleiters bspw. bei ca. 650 V liegt, ist durch die serielle Schaltung der Leistungshalbleiter der Einsatz einer höheren Batteriespannung möglich. Bei einer derartigen Batterietopologie mit seriell verteilten Leistungshalbleitern wird die Funktionalität des im Stand der Technik bekannten positiven Schützes, einer Vorladung (Vorladeschütz und Vorladewiderstand) und einer Batteriesicherung durch die Funktionalität der Leistungshalbleiter erfüllt. Die Leistungshalbleiter werden derart seriell zwischen in Reihe geschalteten Batterien oder Batteriezellen verbaut, dass durch die Leistungshalbleiter jeweils ein Hochvoltkreis geschlossen und geöffnet werden kann bzw. der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie getrennt werden kann. Kommt es im Falle eines internen Kurzschlusses, bspw. durch einen Unfall eines Kraftfahrzeugs mit dem Batteriesystem, zu einem Überstrom, kann dieser durch die seriell verteilen Leistungshalbleiter besonders schnell erkannt und abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann ein batterieschädigender Strom, bspw. in einem Bereich zwischen 1 kA und 1,2 kA, zuverlässig verhindert werden.
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Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglich, dass das Batteriesystem wenigstens zwei Batteriemodule aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jeder der wenigstens zwei Batterien zum Trennen des Stromflusses jeweils wenigstens ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist. Dadurch kann eine besonders hohe Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit des Batteriesystems gewährleistet werden. D.h., im Kurzschlussfall bzw. bei einem Überstrom zwischen einer der beiden Batterien und dem Verbraucher der beiden Batterien kann eine Batterie gezielt und dabei schnell abgeschaltet werden, während die andere der wenigstens zwei parallel geschalteten Batterien weiterhin betrieben werden kann. Außerdem ist dadurch eine selektive Nutzung der mehreren parallel geschalteten Batterien möglich, bspw. in Abhängigkeit von einem Reichweitebedarf eines Kraftfahrzeugs mit dem vorliegenden Batteriesystem. So kann eine zweite Batterie bspw. erst dann zugeschaltet werden, wenn die Kapazität der ersten Batterie zur Neige geht. Dadurch können die Batterien des Batteriesystems in demselben ressourcenschonend betrieben werden. Wie bereits vorher bezüglich der Reihenschaltung der Leistungshalbleiter beschrieben, wird auch bei einer Batterietopologie mit der vorliegend beschriebenen Parallelschaltung von Leistungshalbleitern die Funktionalität des im Stand der Technik bekannten positiven Schützes, der Vorladung (Vorladeschütz und Vorladewiderstand) und der Batteriesicherung durch die Funktionalität der Leistungshalbleiter erfüllt. Durch einen zweiten Leistungshalbleiter kann ein zweiter paralleler Batteriestrang zu- oder abgeschaltet werden. Entsprechend ist es bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorteilhaft möglich, dass die Leistungshalbleiter getrennt voneinander ansteuerbar sind.
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Von Vorteil ist es vorliegend weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem die Leistungshalbleiter zumindest Silizium, Siliziumcarbid und/oder Galliumnitrid aufweisen. Mit diesen Fertigungsmaterialien haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders gute Funktionseigenschaften für die Leistungshalbleiter ergeben.
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Hierbei kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem wenigstens einer der Leistungshalbleiter als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgestaltet sein. Wenn der Leistungshalbleiter als IGBT ausgestaltet ist, kann der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie besonders schnell und sicher getrennt werden. Ein IGBT weist außerdem besonders hohe Spannungs- und Stromgrenzen auf. D.h., Spannung von bspw. 1 kV und Ströme von bspw. 1,2 kA, bei einer Leistung von bspw. 1,2 MW, kann der IGBT zerstörungsfrei steuern und schalten. Außerdem ist durch den IGBT eine leistungslose oder im Wesentlichen leistungslose Ansteuerung möglich. Darüber hinaus weist der IGBT eine besonders hohe Impulsbelastbarkeit auf.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, dass wenigstens einer der Leistungshalbleiter als Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgestaltet ist. Wenn der Leistungshalbleiter als Leistungs-MOSFET ausgestaltet ist, kann der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie besonders schnell und sicher getrennt werden. Der Leistungs-MOSFET weist, ebenso wie der IGBT, besonders hohe Spannungs- und Stromgrenzen auf. Der Leistungs-MOSFET weist außerdem eine hohe Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen auf. Dadurch ist der Leistungs-MOSFET insbesondere gut für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie und einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie durch wenigstens einen Leistungshalbleiter in einem Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem beschrieben worden sind.
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Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Batteriesystem wenigstens zwei Batterien aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jeder der wenigstens zwei Batterien zum Trennen des Stromflusses jeweils wenigstens ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist, wobei im Falle einer Fehlfunktion bei einer der beiden Batterien der Stromfluss zwischen der einen der beiden Batterien und dem Verbraucher durch einen parallelen ersten Leistungshalbleiter getrennt wird und der Stromfluss zwischen der anderen der beiden Batterien und dem Verbraucher durch einen zweiten Leistungshalbleiter aufrechterhalten wird. Damit bringt diese erfindungsgemäße Weiterbildung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend mit Bezug auf die entsprechende Weiterbildung des Batteriesystems beschrieben worden sind.
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Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Controller für ein wie vorstehend beschriebenes Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei der Controller zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgestaltet ist. Zu diesem Zweck ist der Controller zumindest datentechnisch per Kabel und/oder Funk mit dem Batteriesystem verbunden. Damit bringt auch der erfindungsgemäße Controller die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
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1 ein Batteriesystem gemäß einer im Stand der Technik bekannten Ausführungsform,
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2 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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3 ein Batteriesystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein im Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 100 dargestellt. Das Batteriesystem 100 weist eine Batterie 30 und einen Verbraucher 200 der Batterie 30 auf. Ein Stromfluss zwischen der Batterie 30 und dem Verbraucher 200 kann durch ein erstes Schütz 10 und ein zweites Schütz 20 getrennt bzw. wiederhergestellt werden. Vor dem ersten Schütz 10, d.h., zwischen dem ersten Schütz 10 und einem positiven Pol der Batterie 30, ist in einem Hauptstrompfad eine Schmelzsicherung 60 angeordnet.
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2 zeigt ein Batteriesystem 100a gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 2 dargestellte Batteriesystem 100a unterscheidet sich zunächst dadurch von dem in 1 dargestellten Batteriesystem 100, dass kein erstes Schütz 10 und keine Schmelzsicherung 60 im Hauptstrompfad angeordnet sind. Dafür weist das in 2 dargestellte Batteriesystem 100a eine Stromunterbrechungsanordnung 1a zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie 30a des Batteriesystems 100a und einem Verbraucher 200 der Batterie 30a auf, wobei die Stromunterbrechungsanordnung 1a zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter 10a, 20a aufweist. Genauer gesagt sind die beiden Leistungshalbleiter 10a, 20a in Reihe abwechselnd zwischen in Reihe geschalteten Batteriezellen 31a der Batterie 30a angeordnet. Das in 2 dargestellte Schütz ist optional.
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Außerdem weist das Batteriesystem 100a einen Controller 50 auf, der zum Steuern und/oder Regeln des Batteriesystems 100a konfiguriert ist. Die in 2 dargestellten Leistungshalbleiter 10a, 20a sind vorliegend als IGBTs ausgestaltet und durch den Controller 50 getrennt voneinander ansteuerbar.
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In 3 ist ein Batteriesystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das in 3 dargestellte Batteriesystem 100b weist eine Stromunterbrechungsanordnung 1b zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer ersten Batterie 30b des Batteriesystems 100b, einer zweiten Batterie 40b des Batteriesystems 100b und einem Verbraucher 200 der ersten Batterie 30b und der zweiten Batterie 40b auf. Die erste Batterie 30b und die zweite Batterie 40b sind parallel zueinander geschaltet. Die erste Batterie 30b weist mehrere in Reihe geschaltete erste Batteriezellen 31b auf und die zweite Batterie weist mehrere in Reihe geschaltete zweite Batteriezellen 41b auf. Die Stromunterbrechungsanordnung 1b weist ferner zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter 10b, 20b auf. Genauer gesagt weist die Stromunterbrechungsanordnung 1b einen ersten Leistungshalbleiter 20b und einen zum ersten Leistungshalbleiter 20b parallel geschalteten zweiten Leistungshalbleiter 10b auf. Dabei ist zum Trennen des Stromflusses zwischen den beiden Batterien 30b, 40b der erste Leistungshalbleiter 20b in Reihe zu der ersten Batterie 30b geschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 10b in Reihe zu der zweiten Batterie 40b geschaltet. Das in 3 dargestellte Schütz ist optional.
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Außerdem weist das Batteriesystem 100b einen Controller 50 auf, der zum Steuern und/oder Regeln des Batteriesystems 100b konfiguriert ist. Die in 3 dargestellten Leistungshalbleiter 10b, 20b sind vorliegend als IGBTs ausgestaltet und durch den Controller 50 getrennt voneinander ansteuerbar.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. So ist bspw. auch eine Kombination der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen möglich, bei welcher sowohl in Reihe geschaltete als auch parallel zueinander geschaltete Leistungshalbleiter zwischen verschiedenen Batterien bzw. Batteriezellen angeordnet sind.
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Mit Bezug auf 3 wird anschießend ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen den beiden Batterien 30b, 40b und dem Verbraucher 200 der Batterien 30b, 40 mittels der beiden Leistungshalbleiter 10b, 20b beschrieben. In einem ersten Schritt wird dabei eine Fehlfunktion bei einer der beiden Batterien 30b, 40b erkannt. Liegt bspw. in der ersten Batterie 30b eine Fehlfunktion vor bzw. wurde dort erkannt, wird in einem zweiten Schritt der Stromfluss zwischen der ersten Batterie 30b und dem Verbraucher 200 durch den ersten Leistungshalbleiter 20b getrennt. Der Stromfluss zwischen der zweiten Batterie 40b und dem Verbraucher 200 wird in diesem Fall über den zweiten Leistungshalbleiter 10b aufrechterhalten. Der in 2 dargestellte Controller 50 ist zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert, der über Kabel und/oder drahtlos mit dem Batteriesystem 100 verbunden ist.
