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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen und eine Hilfsbatterie zum Ansteuern von Heizeinrichtungen umfasst. Dabei weist jeder Batteriestrang eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodulen auf, und jedes Batteriemodul weist mindestens eine Batteriezelle auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Mehrere solche Batteriemodule werden, insbesondere seriell, zu einem Batteriestrang miteinander verschaltet. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete, und parallel miteinander verschaltete Batteriestränge.
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Lithium-Batteriezellen neuartiger Technologien weisen Festkörperelektrolyte auf und haben verhältnismäßig hohe Energiedichten. Die chemischen Bestandteile von solchen Lithium-Batteriezellen sind hoch aktiv, können aber nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, beispielsweise oberhalb von 70°C und unterhalb von 90°C, optimal betrieben werden. Batteriesysteme mit derartigen Lithium-Batteriezellen werden auch als Mitteltemperaturbatterien (Mid-T-Batterien) bezeichnet und haben außerhalb des besagten Temperaturbereichs einen verhältnismäßig hohen elektrischen Innenwiderstand. Deshalb können Mitteltemperaturbatterien außerhalb dieses Temperaturbereichs nicht optimal betrieben werden.
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Derartige in Elektrofahrzeugen eingesetzte Batteriesysteme sind bei niedrigen Temperaturen somit eingeschränkt. Dies gilt sowohl für einen Ladevorgang als auch für einen Entladevorgang der Batteriezellen des Batteriesystems. Die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batteriesysteme sollen aber auch bei niedrigen Temperaturen schnell für einen Ladevorgang sowie für einen Entladevorgang einsatzbereit sein.
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Die Dokumente
US 2014/0099523 A1 und
DE 10 2011 077 264 A1 offenbaren jeweils eine gattungsgemäße Energiespeichereinheit zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine. Die Energiespeichereinheit umfasst dabei mehrere parallel geschaltete Energieversorgungszweige, welche jeweils mehrere seriell geschaltete Energiespeichermodule mit jeweils mindestens einer Energiespeicherzelle aufweisen. Dabei ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, die mit Heizelementen zum Anwärmen der Energiespeicherzellen verbunden ist.
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Aus dem Dokument
US 2012/0187906 A1 ist ein Batteriesystem für ein Fahrzeug bekannt. Das Batteriesystem umfasst eine superkondensatorartige Batterie, welche von einer Heizeinrichtung beheizbar ist. Durch Erwärmen der superkondensatorartigen Batterie mittels der Heizeinrichtung sinkt deren Innenwiderstand.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Batteriesystem, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst dabei eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen. Jeder der besagten Batteriestränge weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, welche seriell miteinander verschaltetet sind. Dabei weist jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle auf. Wenn das Batteriemodul mehrere Batteriezellen aufweist, so können diese innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein.
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Die Batteriezellen des Batteriesystems sind vorzugsweise als sogenannte Mid-T-Batteriezellen oder Mitteltemperaturbatteriezellen ausgeführt und weisen Festkörperelektrolyte auf. Somit haben die Batteriezellen verhältnismäßig hohe Energiedichten, können aber nur innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 70°C bis 90°C optimal betrieben werden. Das Batteriesystem umfasst daher auch Heizeinrichtungen zum Beheizen der Batteriemodule und eine Hilfsbatterie zum Ansteuern von Heizeinrichtungen. Bei der Hilfsbatterie handelt es sich beispielsweise um eine konventionelle Blei-Säure-Batterie oder auch um eine Lithium-Ionen-Batterie, die auch bei geringen Temperaturen von unter 0°C betreibbar sind.
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Erfindungsgemäß ist jedem Batteriestrang des Batteriesystems eine separate Heizeinrichtung zum Beheizen aller Batteriemodule des Batteriestrangs zugeordnet. Dabei sind die Heizeinrichtungen der Batteriestränge derart mit der Hilfsbatterie verbunden, dass die Heizeinrichtung jedes Batteriestrangs unabhängig von den Heizeinrichtungen der übrigen Batteriestränge von der Hilfsbatterie ansteuerbar ist.
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In dem erfindungsgemäßen Batteriesystem können somit alle Batteriemodule innerhalb des gleichen Batteriestrangs gleichzeitig beheizt werden. Dabei können die einzelnen Batteriestränge separat voneinander, insbesondere zeitlich nacheinander, beheizt werden. Die Batteriestränge, die bereits eine ausreichende Temperatur aufweisen, können benutzt werden. Die übrigen Batteriestränge können zugeschaltet werden, sobald sie eine ausreichende Temperatur aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Balancingeinheit vorgesehen, mittels welcher elektrische Energie von Batteriemodulen eines Batteriestrangs auf Batteriemodule eines anderen Batteriestrangs übertragbar ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, elektrische Energie von den Batteriemodulen eines Batteriestrangs, welche gerade auf eine ausreichende Temperatur beheizt wurden und die noch eine verhältnismäßige hohe Ladung aufweisen, auf Batteriemodule eines anderen Batteriestrangs zu übertragen, die bereits in Betrieb sind und daher eine geringere Ladung aufweisen.
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Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere dann ausgeführt, wenn das Elektrofahrzeug für eine längere Zeitdauer, beispielsweise über Nacht, nicht benutzt wurde und die Batteriezellen des Batteriesystems daher auf eine Temperatur unter 70°C abgekühlt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei mindestens die nachfolgend genannten Schritte.
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Zunächst erfolgt ein Beheizen aller Batteriemodule eines ersten Batteriestrangs des Batteriesystems durch die dem ersten Batteriestrang zugeordnete Heizeinrichtung. Das Beheizen erfolgt solange, bis alle Batteriemodule des ersten Batteriestrangs eine vorgegebene Minimaltemperatur von beispielsweise 70°C erreicht haben. Der erste Batteriestrang ist nun bereit und das Elektrofahrzeug kann mit einer minimalen Leistung aus den Batteriemodulen des ersten Batteriestrangs betrieben werden.
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Anschließend erfolgt ein Beheizen aller Batteriemodule eines zweiten Batteriestrangs des Batteriesystems durch die dem zweiten Batteriestrang zugeordnete Heizeinrichtung. Das Beheizen erfolgt solange, bis alle Batteriemodule des zweiten Batteriestrangs eine vorgegebene Minimaltemperatur von beispielsweise 70°C erreicht haben. Auch der zweite Batteriestrang ist nun bereit und das Elektrofahrzeug kann mit einer höheren Leistung aus den Batteriemodulen des ersten Batteriestrangs und des zweiten Batteriestrangs betrieben werden.
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Danach erfolgt ein Herstellen einer elektrischen Parallelschaltung aus dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batteriestrang des Batteriesystems. Nun stehen zwei parallel geschaltete Batteriestränge zum Betrieb des Elektrofahrzeugs zur Verfügung.
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Bei jedem Neustart des Fahrzeugs übernimmt vorzugsweise ein anderer Batteriestrang die Funktion des ersten Batteriestrangs. Es wird also abwechselnd jeder der Batteriestränge bei einem Neustart des Fahrzeugs zuerst beheizt und in Betrieb genommen. Dadurch werden auf Dauer alle Batteriemodule in allen Batteriesträngen zumindest annähernd gleichmäßig belastet.
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Vorteilhaft wird das Beheizen der Batteriemodule des ersten Batteriestrangs beendet, wenn alle Batteriemodule des ersten Batteriestrangs die vorgegebene Minimaltemperatur erreicht haben. Dadurch wird insbesondere der Energieverbrauch der Hilfsbatterie reduziert.
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Vorzugsweise werden, nachdem alle Batteriemodule des zweiten Batteriestrangs die vorgegebene Minimaltemperatur erreicht haben und vor dem Herstellen der elektrischen Parallelschaltung aus dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batteriestrang eine erste Strangspannung des ersten Batteriestrangs und eine zweite Strangspannung des zweiten Batteriestrangs gemessen.
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Der zweite Batteriestrang ist noch nicht in Betrieb und daher verhältnismäßig voll geladen. Der erste Batteriestrang ist bereits in Betrieb und hat elektrische Energie abgegeben. Daher ist die zweite Strangspannung des zweiten Batteriestrangs voraussichtlich höher als die erste Strangspannung des ersten Batteriestrangs.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird elektrische Energie von den Batteriemodulen des zweiten Batteriestrangs auf die Batteriemodule des ersten Batteriestrangs übertragen, wenn eine Differenz aus der zweiten Strangspannung und der ersten Strangspannung eine vorgegebene Schwellspannung überschreitet. Dadurch wird ein Ausgleichsstrom, der zwischen dem zweiten Batteriestrang und dem ersten Batteriestrang fließt, vorteilhaft minimiert.
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Vorzugsweise werden, nachdem alle Batteriemodule des zweiten Batteriestrangs die vorgegebene Minimaltemperatur erreicht haben und vor dem Herstellen der elektrischen Parallelschaltung aus dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batteriestrang ein erster Ladezustand der Batteriemodule des ersten Batteriestrangs und ein zweiter Ladezustand der Batteriemodule des zweiten Batteriestrangs gemessen.
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Der zweite Batteriestrang ist noch nicht in Betrieb und daher verhältnismäßig voll geladen. Der erste Batteriestrang ist bereits in Betrieb und hat elektrische Energie abgegeben. Daher ist der zweite Ladezustand der Batteriemodule des zweiten Batteriestrangs voraussichtlich höher als der erste Ladezustand der Batteriemodule des ersten Batteriestrangs.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird elektrische Energie von den Batteriemodulen des zweiten Batteriestrangs auf die Batteriemodule des ersten Batteriestrangs übertragen, wenn eine Differenz aus dem zweiten Ladezustand und dem ersten Ladezustand einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dadurch wird ein Ausgleichsstrom, der zwischen dem zweiten Batteriestrang und dem ersten Batteriestrang fließt, vorteilhaft minimiert.
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Bevorzugt wird das beschriebene Verfahren entsprechend fortgesetzt bis alle Batteriemodule von allen Batteriesträngen eine erforderliche Minimaltemperatur haben und zugeschaltet sind. Nach dem Herstellen der elektrischen Parallelschaltung aus dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batteriestrang werden also alle Batteriemodule eines weiteren Batteriestrangs durch die dem weiteren Batteriestrang zugeordnete Heizeinrichtung beheizt bis alle Batteriemodule des weiteren Batteriestrangs eine vorgegebene Minimaltemperatur erreicht haben. Danach erfolgt ein Herstellen einer elektrischen Parallelschaltung mindestens aus dem ersten Batteriestrang, dem zweiten Batteriestrang und dem weiteren Batteriestrang, bis eine elektrische Parallelschaltung aus allen Batteriesträngen hergestellt ist.
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Nun sind alle Batteriestränge des Batteriesystems in Betrieb und stehen zum Betrieb des Elektrofahrzeugs zur Verfügung. Das Elektrofahrzeug kann nun mit einer maximalen Leistung aus den Batteriemodulen von allen Batteriesträngen betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine entsprechende Meldung erzeugt, wonach ein Betrieb des Batteriesystems mit einer minimalen Leistung möglich ist, wenn alle Batteriemodule des ersten Batteriestrangs die vorgegebene Minimaltemperatur erreicht haben, und/oder es wird eine entsprechende Meldung erzeugt, wonach ein Betrieb des Batteriesystems mit einer höheren Leistung möglich ist, wenn die elektrische Parallelschaltung aus dem ersten Batteriestrang und dem zweiten Batteriestrang hergestellt ist, und/oder es wird eine entsprechende Meldung erzeugt, wonach ein Betrieb des Batteriesystems mit einer maximalen Leistung möglich ist, wenn eine elektrische Parallelschaltung aus allen Batteriesträngen hergestellt ist.
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Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein schnelles Aufwärmen des erfindungsgemäßen Batteriesystems nach langen Standzeiten möglich, wenn die Batteriemodule des Batteriesystems abgekühlt sind. Dadurch wird ein schnelles Erreichen der Fahrbereitschaft des Elektrofahrzeugs erreicht. Ein abwechselndes Beheizen der Batteriestränge führt zu einer gleichmäßigen Alterung der Batteriemodule. Daraus resultiert eine Verlängerung der Lebensdauer der Batteriemodule des Batteriesystems, es gibt weniger Asymmetrien der Strangspannungen, und es entsteht ein geringerer Balancingbedarf. Ein optimales Ausnutzen der verfügbaren Energie der Hilfsbatterie führt zu einem schnellen Aufwärmen der Batteriemodule des Batteriesystems. Das Elektrofahrzeug kann frühzeitig gestartet werden und zur Fortbewegung des Elektrofahrzeugs stehen stufenweise höhere Leistungen bereit. Dadurch bleibt insbesondere ein gewohnter Fahrspaß auch bei niedrigen Außentemperaturen erhalten. Durch ein aktives Balancing, wodurch elektrische Energie von Batteriemodulen eines Batteriestrangs auf Batteriemodule eines anderen Batteriestrangs übertragen wird, entsteht nur ein sehr geringer Energieverlust, welcher nur zu unwesentlichen Reichweiteneinbußen führt.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen und
- 2 eine schematische Darstellung eines Batteriestrangs mit mehreren Batteriemodulen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 für ein Elektrofahrzeug mit mehreren Batteriesträngen 6. Jeder der Batteriestränge 6 des Batteriesystems 10 umfasst mehrere Batteriemodule 5, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Ferner umfasst jeder der Batteriestränge 6 eine Heizeinrichtung 51 zum direkten Beheizen der Batteriemodule 5 des Batteriestrangs 6.
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Die Batteriestränge 6 sind vorliegend elektrisch parallel verschaltbar. Eingangsseitig sind die Batteriestränge 6 elektrisch miteinander verbunden. Ausgangsseitig ist jeder der Batteriestränge 6 mit einem separaten Hauptschalter 61 elektrisch verbunden. Durch Schließen der Hauptschalter 61 sind die Batteriestränge 6 auch ausgangsseitig elektrisch miteinander verbunden. Bei geschlossenen Hauptschaltern 61 sind die Batteriestränge 6 somit elektrisch parallel verschaltet.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine Hilfsbatterie 20 zum Ansteuern der Heizeinrichtungen 51 der Batteriestränge 6. Jedem der Batteriestränge 6 ist dabei ein separater Hilfsschalter 63 zugeordnet. Durch Schließen des jeweiligen Hilfsschalters 63 wird die Heizeinrichtung 51 des Batteriestrangs 6 von der Hilfsbatterie 20 angesteuert, also elektrisch mit der Hilfsbatterie 20 verbunden. Dadurch wird in der Heizeinrichtung 51 Wärme erzeugt und die Batteriemodule 5 des Batteriestrangs 6 werden beheizt.
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Die Hilfsschalter 63 sind separat und unabhängig voneinander betätigbar. Die Heizeinrichtungen 51 der Batteriestränge 6 sind also mittels der Hilfsschalter 63 derart mit der Hilfsbatterie 20 verbunden, dass die Heizeinrichtung 51 jedes Batteriestrangs 6 unabhängig von den Heizeinrichtungen 51 der übrigen Batteriestränge 6 von der Hilfsbatterie 20 ansteuerbar ist.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine Balancingeinheit 30. Mittels der Balancingeinheit 30 ist elektrische Energie von Batteriemodulen 5 eines Batteriestrangs 6 auf Batteriemodule 5 eines anderen Batteriestrangs 6 übertragbar. Ein Balancing, also eine Übertragung von elektrischer Energie von Batteriemodulen 5 eines Batteriestrangs 6 auf Batteriemodule 5 eines anderen Batteriestrangs 6, findet insbesondere dann statt, wenn die Batteriemodule 5 des einen Batteriestrangs 6 einen höheren Ladungszustand aufweisen als die Batteriemodule 5 des anderen Batteriestrangs 6.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriestrangs 6 des in 1 gezeigten Batteriesystems 10. Der Batteriestrang 6 weist mehrere seriell verschaltete Batteriemodule 5 auf. Vorliegend sind alle Batteriestränge 6 des in 1 gezeigten Batteriesystems 10 identisch ausgebildet.
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Jedes Batteriemodul 5 des Batteriestrangs 6 weist mehrere Batteriezellen 2 auf. Die Batteriezellen 2 sind innerhalb des Batteriemoduls 5 vorliegend elektrisch seriell verschaltet. Jede Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche jeweils eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode der Elektrodeneinheit ist mit einem negativen Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode der Elektrodeneinheit ist mit einem positiven Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Zur seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
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Die Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 weisen jeweils Festkörperelektrolyte auf und sind als Mitteltemperaturbatterien, beziehungsweise Mid-T-Batterien, ausgebildet. Die besagten Batteriezellen 2 sind nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, beispielsweise oberhalb von 70°C und unterhalb von 90°C, optimal betreibbar.
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Die Heizeinrichtung 51 des Batteriestrangs 6 umfasst vorliegend mehrere Heizelemente 55. Jedes Heizelement 55 ist beispielsweise in Form eines elektrisch betreibbaren Heizwiderstands ausgeführt. In der hier gezeigten Darstellung ist jedem Batteriemodul 5 ein separates Heizelement 55 zugeordnet. Die Heizelemente 55 sind dabei elektrisch derart miteinander verschaltet, dass stets alle Heizelemente 55 der Heizeinrichtung 51 gleichzeitig angeschaltet oder gleichzeitig ausgeschaltet sind. Es ist auch denkbar, dass die Heizeinrichtung 51 nur ein Heizelement 55 aufweist, welches dann allen Batteriemodulen 5 zugeordnet ist.
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Wenn die Heizeinrichtung 51 des Batteriestrangs 6 von der in 1 gezeigten Hilfsbatterie 20 angesteuert wird, also elektrisch mit der Hilfsbatterie 20 verbunden wird, so fließt ein Strom durch die Heizeinrichtung 51 wodurch Wärme erzeugt wird. Durch die so erzeugte Wärme werden die Batteriemodule 5 des Batteriestrangs 6 beheizt.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0099523 A1 [0005]
- DE 102011077264 A1 [0005]
- US 2012/0187906 A1 [0006]
