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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere ein Hochvolt-Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, und ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. eines Batteriemoduls und einem Verbraucher. 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 es bekannt, dass zur Abschaltung von Überströmen bzw. Kurzschlussströmen in Batteriesystemen eine Kombination aus elektromechanischen Schützen und Sicherungen eingesetzt wird. Beispielsweise 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 beispielsweise in einem Bereich von 2 kA bis 10 kA liegen, trennt eine mit den Schützen seriell geschaltete Sicherung nach typischerweise 0,1 ms bis 2 s den Strom.
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Bei Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge wird eine Lade- und Entladesicherung als eine elektrische oder elektromechanische Trenneinheit zwischen einer Batterie und einem Kraftfahrzeugnetz angeordnet. Um sämtliche Lade- und Entladeströme trennen zu können wird für gewöhnlich eine Kombination aus zwei Schützen (einem Schütz je Batteriepol) und einer Sicherung, beispielsweise in Form einer Schmelzsicherung, verwendet. Da eine Trennfähigkeit von Schützen auf einen Maximalstrom im Bereich von 1 kA beschränkt ist, wird die zusätzliche Sicherung verwendet, um auch Kurzschlussströme trennen zu können.
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Für Batteriesysteme 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 den Stromkreis zwischen der Batterie und einem Verbraucher des Fahrzeugs. Eine herkömmliche Batteriesicherung, beispielsweise 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 beispielsweise 6 kA bis 10 kA zu einer Schädigung des Batteriesystems kommen. Bei einer Beschädigung des Batteriesystems muss das komplette System getauscht werden und es entstehen entsprechend hohe Kosten. Außerdem besteht die Gefahr, dass Überströme in Richtung der Batterie zu Schäden an der Batterie, oder sogar zu einer Zerstörung der Batterie führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, in welchem Überströme in Richtung einer Batterie bzw. eines Batteriemoduls des Batteriesystems zuverlässig verhindert oder zumindest reduziert werden können. Außerdem werden vorliegend ein Verfahren gemäß Anspruch 8 zum zuverlässigen Trennen eines elektrischen Stromflusses in Richtung einer Batterie des Batteriesystems im Falle eines Überstromes in Richtung der Batterie, 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 wenigstens einer Stromunterbrechungsanordnung in einem Hauptstrompfad zwischen wenigstens einer Batterie des Batteriesystems und zumindest einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie zur Verfügung gestellt. Die Stromunterbrechungsanordnung ist zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher angeordnet und ausgestaltet. Außerdem ist eine Schalteinheit des Batteriesystems derart angeordnet und ausgestaltet, dass die Schalteinheit den Hauptstrompfad bei einem Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie kurzschließt.
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Dadurch, dass die Schalteinheit den Hauptstrompfad bei einem Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie vorteilhaft kurzschließt, können Ladeströme in diesem Fall nicht mehr in die wenigstens eine Batterie fließen, da der Strom vollständig oder im Wesentlichen vollständig über den erzeugten Kurzschluss im Hauptstrompfad fließt. Dadurch kann eine Beschädigung oder die Zerstörung der wenigstens einen Batterie verhindert werden.
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Die Stromunterbrechungsanordnung kann als elektrischer oder elektromechanischer Schalter ausgestaltet sein, der zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher ausgestaltet und angeordnet ist. 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 und die Schmelzsicherung angeordnet sind.
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Die wenigstens eine Batterie weist bevorzugt mehrere Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können. Dabei weist das Batteriesystem bevorzugt auch mehrere Batterien auf. Sowohl die Batteriezellen der Batterien als auch die Batterien selbst sind bevorzugt in Reihe geschaltet.
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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 beispielsweise ein Kraftfahrzeugnetz oder ein Elektromotor, der mit dem Kraftfahrzeugnetz verbunden ist.
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Das vorliegende Batteriesystem ist bevorzugt als Hochvolt-Batteriesystem zur Verwendung in einem Fahrzeug bzw. einem Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Antriebsmotor in einem Elektrofahrzeug ausgestaltet. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Verwendung in einem Straßenfahrzeug beschränkt. So ist es möglich, dass das Batteriesystem auch zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug, in einem Wasserfahrzeug, in einem Luftfahrzeug, Maschine und/oder in einem Roboter ausgestaltet ist. Darüber hinaus kann das Batteriesystem auch für die Verwendung in einem stationären System ausgestaltet sein.
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Unter einem Überstrom ist ein Strom in einer definierten Höhe bzw. über einem definierten Schwellenwert zu verstehen, der bei einer Weiterleitung an die wenigstens eine Batterie zu einer Beschädigung oder Zerstörung derselben führen könnte. Die Schalteinheit ist dabei bevorzugt derart angeordnet und ausgestaltet, dass sie den Hauptstrompfad bei einem Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie, der höher als 300 A, bevorzugt höher als 500 A ist, kurzschließt.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Schalteinheit einen Leistungshalbleiter aufweist oder als der Leistungshalbleiter ausgestaltet ist. Durch vorteilhafte Verwendung eines Leistungshalbleiters kann der Hauptstrompfad besonders schnell kurzgeschlossen werden. Unter einem Leistungshalbleiter ist ein Halbleiterbauelement zu verstehen, das bei der Verwendung in einer Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt ist, beispielsweise von mehr als 300 A bis zu mehreren 1000 A und Spannungen von mehr als 24 V. Als Leistungshalbleiter können beispielsweise Transistoren mit geeigneten Schalt- und Leistungseigenschaften verwendet werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn bei einem Batteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung der Leistungshalbleiter als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgestaltet ist. Wenn der Leistungshalbleiter als IGBT ausgestaltet ist bzw. die Schalteinheit wenigstens einen IGBT aufweist oder als ein solcher ausgestaltet ist, kann der Hauptstrompfad besonders schnell und zuverlässig kurzgeschlossen werden und mithin der Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie entsprechend schnell und zuverlässig verhindert oder im Wesentlichen verhindert werden. Der IGBT weist ferner besonders hohe Spannungs- und Stromgrenzen auf. D.h., Spannung von beispielsweise 700 V und Ströme von beispielsweise 4 kA, bei einer Leistung von beispielsweise 10 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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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem der Leistungshalbleiter als Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgestaltet ist. Wenn der Leistungshalbleiter als Leistungs-MOSFET ausgestaltet ist bzw. die Schalteinheit wenigstens einen Leistungs-MOSFET aufweist oder als ein solcher ausgestaltet ist, kann der Hauptstrompfad durch die schnelle Schaltzeit desselben besonders schnell und zuverlässig kurzgeschlossen werden und mithin der Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie entsprechend schnell und zuverlässig verhindert oder im Wesentlichen verhindert 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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Außerdem ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass bei einem Batteriesystem die Schalteinheit eine pyrotechnische Schalteinheit aufweist oder als die pyrotechnische Schalteinheit ausgestaltet ist. Die pyrotechnische Schalteinheit ist insbesondere als pyrotechnischer Schließer bzw. als eine pyrotechnische Sicherung ausgestaltet, die bei einem Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie den Hauptstrompfad, d.h., die beiden Strompfade an den Polen der wenigstens einen Batterie, kurzschließt. Durch die explosionsartige Auslösung der pyrotechnischen Schalteinheit kann der Hauptstrompfad besonders schnell kurzgeschlossen werden. Entsprechend schnell kann dadurch die wenigstens eine Batterie vor dem unerwünschten Überstrom geschützt werden. Ein besonderer Vorteil der pyrotechnischen Schalteinheit ist es, dass diese nicht altert. Die pyrotechnische Schalteinheit weist bevorzugt einen pyrotechnischen Zünder auf, der ausgebildet ist, die pyrotechnische Schalteinheit für den herzustellenden Kurzschluss des Hauptstrompfades bzw. zwischen den Strompfaden an den Polen der wenigstens einen Batterie zu aktivieren.
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Darüber hinaus ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung von Vorteil, wenn bei einem Batteriesystem die Schalteinheit parallel zu der wenigstens einen Batterie geschaltet ist. D.h., die Schalteinheit ist zwischen den Strompfaden an den Polen der wenigstens einen Batterie parallel zur der wenigstens einen Batterie geschaltet. Dadurch kann die Schalteinheit den Hauptstrompfad bei einem Überstrom in Richtung der wenigstens einen Batterie besonders einfach kurzschließen.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es zudem möglich, dass bei einem Batteriesystem die Stromunterbrechungsanordnung einen Leistungshalbleiter aufweist, der bevorzugt einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode oder einen Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) aufweist oder entsprechend ausgestaltet ist. Der IGBT sowie der Leistungs-MOSFET weisen dabei dieselben Vorteile und Merkmale auf, wie sie bereits vorstehend im Detail beschrieben worden sind. Dadurch ist es möglich, dass eine Stromunterbrechung zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher besonders schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann. Durch die Verwendung des Leistungshalbleiters für das Trennen des elektrischen Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher kann eine Bauteilanzahl im Batteriesystem im Vergleich zu einem System, das aus Schützen und Schmelzsicherung besteht, reduziert werden. Dies führt zu einer entsprechend verringerten Komplexität des Batteriesystems.
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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 in einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei im Falle eines Überstroms in Richtung der wenigstens einen Batterie der Hauptstrompfad durch die Schalteinheit kurzgeschlossen wird. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind.
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Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass in einem Verfahren nach einer definierten Zeitdauer, insbesondere in einem Bereich zwischen 10 µs und 100 µs, bevorzugt ca. 50 µs, nachdem der Hauptstrompfad durch die Schalteinheit kurzgeschlossen wurde, der Hauptstrompfad durch die Stromunterbrechungsanordnung geöffnet wird. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass ein Kurzschlussstrom auf einen Wert ansteigt, der für die wenigstens eine Batterie bzw. auf Batteriezellen oder Verbinder der Batterie schädliche oder zerstörerische Auswirkungen haben könnte. Durch das Öffnen der Stromunterbrechungsanordnung nach einer geeigneten kurzen Zeit kann ferner ein Kurzschluss der wenigstens einen Batterie verhindert werden.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Controller für ein wie vorstehend im Details beschriebenes Batteriesystem bereitgestellt, wobei der Controller zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgestaltet und konfiguriert ist. Zu diesem Zweck ist der Controller zumindest datentechnisch per Kabel und/oder Funk mit dem Batteriesystem und/oder der Stromunterbrechungsanordnung 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 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:
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1 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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2 ein Batteriesystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 100a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Batteriesystem 100a weist eine Stromunterbrechungsanordnung 10 in Form eines IGBTs in einem Hauptstrompfad 60 bzw. an einem positiven Pol einer Batterieanordnung auf. Die Batterieanordnung weist zwei in Reihe geschaltete Batterien 30, 40 auf, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Die Stromunterbrechungsanordnung 10 ist zwischen der Batterieanordnung und einem Verbraucher 200 der Batterieanordnung im Hauptstrompfad 60 angeordnet. Die Stromunterbrechungsanordnung 10 ist entsprechend zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen der Batterieanordnung bzw. den zwei Batterien 30, 40 und dem Verbraucher 200 angeordnet und ausgestaltet. Das in 1 dargestellte Batteriesystem 100a weist ferner eine Schalteinheit 50a auf. Die Schalteinheit 50a ist ebenfalls als IGBT ausgestaltet. Ferner ist die Schalteinheit 50a derart angeordnet und ausgestaltet, dass die Schalteinheit 50a den Hauptstrompfad 60 bei einem Überstrom in Richtung der beiden Batterien 30, 40 kurzschließt. Die Schalteinheit 50a ist parallel zu der Batterieanordnung angeordnet.
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Zum Ansteuern bzw. Auslösen der Schalteinheit 50a weist das Batteriesystem 100a einen Controller 70 auf.
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In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das dargestellte Batteriesystem 100b weist eine Stromunterbrechungsanordnung 10 in Form eines IGBTs in einem Hauptstrompfad 60 bzw. an einem positiven Pol einer Batterieanordnung auf. Die Batterieanordnung weist zwei in Reihe geschaltete Batterien 30, 40 auf, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Die Stromunterbrechungsanordnung 10 ist dabei zwischen der Batterieanordnung und einem Verbraucher 200 der Batterieanordnung im Hauptstrompfad 60 angeordnet. Die Stromunterbrechungsanordnung 10 ist entsprechend zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen der Batterieanordnung bzw. den zwei Batterien 30, 40 und dem Verbraucher 200 angeordnet und ausgestaltet. Das in 2 dargestellte Batteriesystem 100b weist ferner eine Schalteinheit 50b auf. Die Schalteinheit 50b ist gemäß 2 als eine pyrotechnische Schalteinheit 51b ausgestaltet. Darin liegt das Hauptunterscheidungsmerkmal zu der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform. Ferner ist die in 2 dargestellte Schalteinheit 50b derart angeordnet und ausgestaltet, dass die Schalteinheit 50b bzw. die pyrotechnische Schalteinheit 51b den Hauptstrompfad 60 bei einem Überstrom in Richtung der beiden Batterien 30, 40 kurzschließt. Die Schalteinheit 50b ist parallel zu der Batterieanordnung angeordnet.
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Normalerweise muss bei einem halbleiterbasierten Trennsystem für jede Stromrichtung ein Halbleiterbaustein verwendet werden, da diese nur in eine Richtung den Strom trennen. Bei dem vorliegend beschriebenen Batteriesystem 100a, 100b reicht jedoch ein einzelner Halbleiterbaustein im Hauptstrompfad aus. Im Gegensatz zu einer bidirektionalen Abschaltung von Strömen durch Halbleiter kann durch die unidirektionale Stromabtrennung im Hauptstrompfad die Verlustleistung halbiert werden.
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Zum Ansteuern bzw. Auslösen der Schalteinheit 50b weist das Batteriesystem 100b einen Controller 70 auf.
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Mit Bezug auf 2 wird anschließend ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt in dem dargestellten Batteriesystem eine Stromstärke in Richtung der beiden Batterien 30, 40 gemessen. Wenn festgestellt wird, dass die Stromstärke in Richtung der beiden Batterien 30, 40 über einem definierten Schwellenwert liegt, d.h., einem Überstrom entspricht, wird der Hauptstrompfad durch die pyrotechnische Schalteinheit 51b kurzgeschlossen. D.h., durch die pyrotechnische Schalteinheit 51b wird ein Kurzschluss zwischen dem Strompfad am positiven Pol der Batterieanordnung und dem Strompfad am negativen Pol der Batterieanordnung hergestellt. In einem nächsten Schritt wird innerhalb von 50 µs nachdem der Hauptstrompfad 60 durch die Schalteinheit 50b bzw. die pyrotechnische Schalteinheit 51b kurzgeschlossen wurde der Hauptstrompfad 60 durch die Stromunterbrechungsanordnung 10 geöffnet. Der Controller 70 ist zum Durchführen dieses Verfahrens konfiguriert, der über Kabel und/oder drahtlos mit dem Batteriesystem 100 und/oder der Stromunterbrechungsanordnung 10 verbunden ist.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. So kann die Stromunterbrechungsanordnung 10 beispielsweise auch in einem Strompfad am negativen Pol der Batterieanordnung angeordnet sein. Außerdem können die in den Figuren dargestellten IGBTs auch durch Leistungs-MOSFETs oder andere Leistungshalbleiter ersetzt werden.
