DE10293585B4

DE10293585B4 - Energiespeichervorrichtung

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Publication number: DE10293585B4
Application number: DE10293585T
Authority: DE
Inventors: Anton Heuberger; Martin März; Heiner Ryssel; Karl-Heinz Pettinger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: WO2003015237A1

Abstract

Energiespeichervorrichtung (10) mit folgenden Merkmalen: einer Speicherzelle (22, 22') mit einem Leistungsausgang (24, 26) zum Speichern von Energie; einem Spannungswandler (40) mit einem Leistungseingang (42, 44), der mit dem Leistungsausgang (24, 26) der Speicherzelle (22, 22') verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang (46, 48), zum Wandeln einer Ausgangßpannung (Vcn) der Speicherzelle (22, 22') in eine vorbestimmte Spannung (V0), und der ausgebildet ist, um die Ausgangsspannung (Vcn) der Speicherzelle (22, 22') in eine einstellbare vorbestimmte Spannung (V0) zu wandeln; einer Schnittstelle (110, 156; 176) zum Empfangen eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung (V0) darstellt; einem Leistungsanschluß (30, 32), der mit dem Leistungsausgang (46, 48) des Spannungswandlers (40) verbunden ist; und einem ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeichervorrichtung zur Versorgung eines Geräts mit elektrischer Leistung sowie auf ein Gerät bzw. eine Vorrichtung, in der die Energiespeichereinrichtung einsetzbar ist.
Mit der immer stärkeren Verbreitung elektronischer Schaltungen und Geräte in allen Bereichen des täglichen Lebens und insbesondere im Bereich der mobilen Informations- und Kommunikationssysteme finden wiederaufladbare elektrische Energiespeicher bzw. Akkumulatoren eine immer weitere Verbreitung. Für ein sehr breites Anwendungsspektrum steht heute eine Vielzahl von Akkumulatorsystemen zur Verfügung, beispielsweise Pb/PbSO₄, NiCd, NiMH, AgZn, Li-Ion, Li-Polymer und Li-Festkörper, die verschiedene Eigenschaften und Betriebsparameter aufweisen. Jedes dieser Systeme weist abhängig vom Ladezustand eine Ausgangsspannung in einem für das System spezifischen Bereich auf, der sich zwischen einer minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung erstreckt.
Der spezifische Bereich der Ausgangsspannung eines Akkumulators ist in den seltensten Fällen mit den Spannungsanforderungen einer elektronischen Schaltung bzw. eines Geräts kompatibel, das durch den Akkumulator mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Beispielsweise weisen die wegen ihrer hohen Leistungsdichte und ihrer hohen Ladungsdichte weit verbreiteten Li-Ionen-Akkumulatoren eine Ausgangsspannung zwischen 4,2 V (Ladeendspannung) und 3,0 V (minimale Entladespannung) auf, wohingegen Schaltkreise der Informations- und Kommunikationselektronik, beispielsweise Prozessoren, PLAs (PLA = programmable logic array = programmierbare Logikanordnung), ASICs (ASIC = application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), Nenn-Versorgungsspannungen von z. B. 5,0 V, 3,3 V, 1,65 V oder 0,8 V aufweisen. Dabei gibt es eine Tendenz zu immer kleineren Nenn-Versorgungsspannungen mit gleichzeitig immer höheren Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die Spannungspegel eingehalten werden müssen. Eine direkte Versorgung von Schaltkreisen aus einem Akkumulator ist deshalb in den meisten Fallen nicht möglich.
In der Regel wird ein Gerät bzw. eine elektronische Schaltung eines Geräts für den spezifischen Ausgangsspannungsbereich eines bestimmten Akkumulatortyps ausgelegt. Wenn ein Anwender später auf ein neues, verbessertes Akkumulatorsystem umrüsten will, ist dies in der Regel nicht möglich, da der Ausgangsspannungsbereich des neuen Akkumulatorsystems nicht mit dem Ausgangsspannungsbereich des Akkumulatorsystems, für das das Gerät ausgelegt ist, kompatibel ist.
Zur Erzeugung der Nenn-Versorgungsspannung eines Geräts aus der (innerhalb des spezifischen Bereichs veränderlichen) Ausgangsspannung eines Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators oder einer Batterie, wird ein Spannungswandler, beispielsweise ein Linearregler oder ein getakteter Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, der zwischen den Energiespeicher und die durch den Energiespeicher mit elektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung geschaltet wird. Der Spannungswandler ist Bestandteil des Geräts und meist nahe der Last bzw. der zu versorgenden Schaltung angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß ohmsche und induktive Spannungsabfälle innerhalb der Zuleitung durch den Spannungswandler ahne weiteres ausgeregelt und die den Anforderungen der Schaltung entsprechende Spannung genau eingehalten werden kann.
Die DE 19928809 A1 beschreibt eine Energieversorgungseinheit bzw. Energiestation zur Versorgung von batteriegespeisten Kleingeräten mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und Anschlußeinrichtungen, die Solarzellen, Akkumulatoren und einen Spannungswandler umfaßt. Die Energiestation ist dafür vorgesehen, über ein gerätespezifisches Adapterkabel einem Gerät elektrische Leistung zuzuführen. Das geräteindividuelle Adapterkabel umfaßt eine elektronische Bauteilgruppe zur Erzeugung eines individuellen Programmiersignals, das bei einer Kopplung des Adapterkabels mit der Energiestation von einer Schaltsteuereinheit am Spannungswandler detektiert und entsprechend über den Spannungswandler in eine Einstellung der bereitzustellenden Ausgangsgrößen umgesetzt wird. Das Adapterkabel umfaßt ferner einen geräteindividuellen Ausgangsstecker für das Gerät. Die Bauteilgruppe umfaßt insbesondere zwei Widerstände, die in einen Spannungsteiler in der Energiestation 1 eingreifen bzw. diesen modifizieren. Die Energiestation umfaßt ferner vorzugsweise eine Ladersteuereinheit zum Vermeiden einer Beschädigung durch Überladen der Akkumulatoren.
Ein großer Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß dem Spannungswandler keine sicheren Informationen über Art und Ladezustand des Energiespeichers zur Verfügung stehen. Elektrogeräte dürfen daher in der Regel nur mit den vom Hersteller vorgeschriebenen Akkumulatoren ausgestattet werden, da nur dann die elektronische Schaltung und insbesondere der Spannungswandler die korrekten Betriebsparameter unterstellt.
Alternativ wird mittels einer oder mehreren Senseleitungen bzw. Tastleitungen eine Spannungsmessung an dem Akkumulator vorgenommen, um Rückschlüsse auf den Ladezustand des Akkumulators zu ziehen. Diese Spannung liefert jedoch nur ungenaue und unbefriedigende Ergebnisse, da verschiedene Entladecharakteristika von Akkumulatoren unter anderem auch eine Funktion des Innenwiderstands der Zellen und der augenblicklich anliegenden Last sind, und damit einer individuellen Streuung und Alterungseffekten unterworfen sind.
Um einen Akkumulator vor Schädigung durch eine Tiefentladung zu schützen, besitzen viele DC/DC-Wandler eine feste bzw. vorbestimmte Spannungsschwelle, bei deren Unterschreiten der Akkumulator von der Last getrennt wird. Diese vorbestimmte Abschaltschwelle stellt jedoch zwangsläufig eine Unterstellung eines bestimmten Akkumulatortyps dar und bedingt somit eine Einschränkung auf denselben. Alternative Lösungen stehen eine Schutzschaltung gegen Tiefentladung im Akkumulator selbst oder aber eine Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Akkumulator und dem System bzw. dem DC/AC-Wandler vor. Eine solche Kommunikationsschnittstelle weisen beispielsweise Batterien nach dem Smart-Battery Standard (SBS) auf, gemäß dem eine Batterie über eine serielle Schnittstelle beispielsweise mit einem Ladegerät kommuniziert und diesem Informationen über den Akkumulatortyp, den Ladezustand usw. übermittelt.
Die herkömmliche Schaltungsanordnung aus Energiespeicher, DC/AC-Wandler und Last bedingt somit entweder eine erhebliche Einschränkung der Flexibilität des Gesamtsystems oder einen erheblichen Mehraufwand für die Kommunikation zwischen dem Energiespeicher und dem DC/AC-Wandler.
Aus der US 5892351 A ist eine Schaltung bekannt, die eine Energiespeichereinrichtung über eine Ansteuerschaltung ansteuert, um deren Ausgangsspannung einzustellen.
Aus der US 6014008 A ist bereits ein Batterieidentifikationssystem bekannt, bei dem eine Batterie mit einer Mehrzahl von Aktoren versehen ist, die dazu geeignet sind, Schalter innerhalb eines Gerätes zu betätigen, in das die Batterie eingesetzt wird. Die Aktoren definieren einen binären Batterieidentifikationscode, aufgrund dessen ein Spannungsteilernetzwerk innerhalb des Gerätes geschaltet wird.
Aus der DE 19928809 A1 ist bereits eine universelle Energieversorgungseinrichtung bekannt, die aus einer Energiestation mit integriertem Spannungswandler in Verbindung mit verschiedenen geräteindividuellen Adapterkabeln besteht. Aufgrund der Adapterkabel wird ein Programmierungssignal erzeugt, das bei Ankopplung des Adapterkabels an die Energiestation eine entsprechende Einstellung der Ausgangsgröße bewirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Energiespeichervorrichtung und ein Gerät, in dem die Energiespeichervorrichtung verwendbar ist, zu schaffen, die auf einfachere Weise eine große Flexibilität bei der Kombination der Energiespeichervorrichtung mit einem durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung zu versorgenden Gerät schafft.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfaßt eine Energiespeichervorrichtung eine Speicherzelle mit einem Leistungsausgang zum Speichern von Energie, einen Spannungswandler mit einem Leistungseingang, der mit dem Leistungsausgang der Speicherzelle verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang, zum Wandeln einer Ausgangsspannung der Speicherzelle in eine vorbestimmte Spannung, und ein Gehäuse, innerhalb dessen die Speicherzelle und der Spannungswandler angeordnet sind. Ferner umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen Leistungsanschluß, der an dem Gehäuse angeordnet und mit dem Leistungsausgang des Spannungswandlers verbunden ist. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist ausgebildet, um in ein Fach eines Geräts eingesetzt zu werden, wobei der Leistungsanschluß für ein Verbinden mit einem Leistungseingang des Geräts ausgebildet ist, um elektrische Leistung an das Gerät zu übertragen. Das Gehäuse kann Bestandteil der Speicherzelle bzw. mit einem Speicherzellengehäuse identisch sein.
Vorzugsweise ist der Leistungsanschluß der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung so an dem Gehäuse angeordnet und ausgebildet, daß er beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in das Fach des Geräts mit dem Leistungseingang des Geräts verbunden wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ferner eine Spule, die mit einem äußeren elektromagnetischen Wechselfeld koppelbar ist, um Leistung zum Laden der Speicherzelle zu empfangen. Die Spule ist vorzugsweise Bestandteil des Spannungswandlers. Der Spannungswandler ist ferner vorzugsweise so aufgebaut, daß die vorbestimmte Spannung, in die er die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, von der Ausgangsspannung der Speicherzelle unabhängig ist, wenn die Ausgangsspannung der Speicherzelle innerhalb eines vorbestimmten Intervalls, vorzugsweise zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung, liegt. Die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, ist ferner vorzugsweise einstellbar, wobei die Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle ein Signal empfängt, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt.
Ein Gerät bzw. eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Fach, in das eine Energiespeichervorrichtung mit einem Spannungswandler zum Erzeugen einer einstellbaren vorbestimmten Spannung einsetzbar ist, einen Leistungseingang, der mit einem Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung verbindbar ist, um elektrische Leistung von der Energiespeichervorrichtung zu empfangen, und eine Schnittstelle zum Senden eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Spannungswandler in einen Akkumulator oder eine Batterie bzw. in eine Energiespeichervorrichtung zu integrieren, um eine auf einen konstanten Wert geregelte, während der gesamten Entladung des Akkumulators bzw. der Batterie konstante und vorzugsweise von außen einstellbare bzw. auswählbare Ausgangsspannung zu erhalten. Eine über die gesamte Entladezeit konstante Ausgangsspannung bedeutet einen großen technischen Vorteil, da die durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgte elektronische Schaltung bzw. das durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgte Gerät für eine einzige feste Versorgungsspannung ausgelegt werden kann und nicht mehr wie herkömmlich Versorgungsspannungen innerhalb eines Intervalls zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung akzeptieren muß. Durch die erfindungsgemäße Integration des Spannungswandlers in die Energiespeichervorrichtung können Spannungswandler und Speicherzellen optimal aufeinander abgestimmt werden.
Für das mit Leistung zu versorgende Gerät bzw. die mit elektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung verhält sich die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine Spannungsquelle mit einer geregelten Ausgangsspannung.
Da der Spannungswandler direkt an der Speicherzelle angeordnet ist, kann er alle zellenspezifischen Parameter, beispielsweise den maximalen Entladestrom und die Entladeschlußspannung, ohne weiteres überwachen. Das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung mit elektrischer Leistung zu versorgende Gerät muß keine Rücksicht mehr auf die Technologie der Speicherzelle nehmen und muß keine Überwachungsfunktionen für die Parameter der Speicherzelle und Schutzfunktionen für die Speicherzelle aufweisen. Dadurch wird eine maximale Systemflexibilität erreicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die durch die Energiespeichervorrichtung erzeugte Versorgungsspannung für das Gerät von der Speicherzelle unabhängig ist. Eine Energiespeichervorrichtung kann nun ohne weiteres durch eine andere erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ersetzt werden, deren Wandler dieselbe Versorgungsspannung erzeugt, unabhängig davon, welche Ausgangsspannung die Speicherzellen der Energiespeichervorrichtungen aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit ohne weiteres einen Umstieg von einem Zellentyp auf einen anderen Zellentyp, der beispielsweise eine Neuentwicklung mit verbesserten Eigenschaften sein kann. Ferner ist auch eine Verwendung ein und derselben Energiespeichervorrichtung in verschiedenen Geräten, die verschiedene Versorgungsspannungen benötigen, möglich. Die Energiespeichervorrichtung erhält von dem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgen soll, über eine analoge oder digitale elektrische oder auch mechanische Schnittstelle ein Signal, das die von dem Gerät benötigte Versorgungsspannung darstellt. Diese Versorgungsspannung wird durch die Energiespeichervorrichtung eingestellt.
Die große Vielfalt von Akkumulatoren und Batterien, die sich in der Ausgangsspannung, in der Kapazität, im Innenwiderstand, im maximalen Ausgangsstrom, in der Lagerfähigkeit, im Preis, in den geometrischen Abmessungen, in der Masse und in anderen Parametern unterscheidenden, kann durch die vorliegende Erfindung ganz erheblich verringert werden. Insbesondere kann eine Energiespeichervorrichtung mit einem bestimmten Energieinhalt und bestimmten geometrischen Abmessungen für eine Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen eingesetzt werden. Die verringerte Vielfalt ermöglicht höhere Stückzahlen und eine vereinfachte Logistik und reduziert damit die Kosten für Entwicklung, Herstellung, Lagerhaltung und Handel.
Während herkömmliche Energiespeichervorrichtungen, beispielsweise Li-Ionen-Akkumulatoren oder andere Hochleistungsspeicher, innerhalb ihres Gehäuses bereits eine Schutz- und Ladekontrollelektronik aufweisen, die Fehlerfälle, wie Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, verhindern soll, weist die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen integrierten Spannungswandler auf, der vorzugsweise auch die Schutz- und Ladekontrollfunktionen bzw. entsprechende Schaltungen umfaßt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechen Form und Abmessungen des Gehäuses, Form, Abmessungen und Anordnung der Kontakte sowie die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, einer oder einem der durch IEC oder ISO standardisierten Batterien oder Akkumulatoren. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ist damit abwärtskompatibel, kann also wie eine herkömmliche Batterie oder ein herkömmlicher Akkumulator in einem herkömmlichen Gerät, das für eine Versorgungsspannung innerhalb eines Intervalls ausgebildet ist, eingesetzt werden. Darüberhinaus ist sie aber auch in einem Gerät verwendbar, das nur für eine feste vorbestimmte Versorgungsspannung ausgelegt bzw. ausgebildet ist, oder dessen Versorgungsspannung von der Spannung abweicht, die von einer Batterie bzw. einem Akkumulator abgegeben wird, der der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung in Form und Größe entspricht, wobei das Gerät der Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle die benötigte Versorgungsspannung mitteilt.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 1A;
2A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 2A;
3A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 3A;
4 ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine Energiespeichervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden mit einem Gerät zeigt;
5 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispiels;
6 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer dritten Variante des vierten Ausführungsbeispiels;
7 eine schematische Darstellung einer ersten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
9 eine schematische Darstellung einer dritten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
10 eine schematische Darstellung einer vierten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; und
11 eine schematische Darstellung eines Geräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in das eine Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist.
1A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Gehäuse 20 sind n in Serie geschaltete Speicherzellen 22, 22' angeordnet, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Speicherzellen 22, 22' sind Primärzellen (nichtwiederaufladbare Batteriezellen) oder vorzugsweise Sekundärzellen (wiederaufladbare Akkumulatorzellen), in denen auf elektrochemische Weise Energie gespeichert ist. Der Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und der Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' bilden einen Leistungsausgang der Speicherzellen, über den diese elektrische Leistung abgeben können. Falls es sich bei den Speicherzellen 22, 22' um Sekundärzellen handelt, bilden der Pluspol 24 und der Minuspol 26 gleichzeitig einen Leistungseingang, über den den Speicherzellen 22, 22' beim Ladevorgang elektrische Leistung zugeführt wird. Zwischen dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' liegt eine Ausgangsspannung V_cn, die vom Ladezustand bzw. dem Energieinhalt der Speicherzellen 22, 22' abhängt und das n-fache der Spannung V_c an einer einzelnen Speicherzelle 22, 22' beträgt, V_cn = nV_c.
An dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 sind Kontakte 30, 32 angeordnet, die einen Leistungsanschluß bilden, über den die Energiespeichervorrichtung 10 elektrische Leistung an ein elektrisches Gerät bzw. eine elektronische Schaltung abgeben kann.
Darüber hinaus ist in dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 ein Spannungswandler 40 mit einem ersten Eingangsanschluß 42, einem zweiten Eingangsanschluß 44, einem ersten Ausgangsanschluß 46 und einem zweiten Ausgangsanschluß 48 angeordnet. Der erste Eingangsanschluß 42 und der zweite Eingangsanschluß 44 sind mit dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 bzw. dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' verbunden und bilden einen Leistungseingang des Spannungswandlers 40. Der erste Ausgangsanschluß 46 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind mit den Kontakten 30, 32 am Gehäuse 20 verbunden und bilden einen Leistungsausgang des Spannungswandlers 40.
Der Spannungswandler 40 ist ausgebildet, um die Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' in eine vorbestimmte Spannung V₀ am Leistungsanschluß 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 zu wandeln.
Der Spannungswandler 40 umfaßt eine Spule 52 und eine Diode 54, die in Serie zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 geschaltet sind, wobei eine Anode 56 der Diode 54 mit der Spule 52 und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 verbunden sind. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind miteinander kurzgeschlossen. Der Spannungswandler 40 umfaßt ferner einen Feldeffekttransistor (FET) 60, der als Schalter dient und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET bzw. ein selbstsperrender p-Kanal-MOSFET ist. Ein erster Anschluß 62 des FET 60 ist mit der Anode 56 der Diode 54 bzw. der Spule 52 verbunden, ein zweiter Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Source-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 ist der Source-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, die mit zwei Eingangsanschlüssen 74, 76 parallel zu einem Kondensator 80 zwischen die Kathode 58 der Diode 54 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits geschaltet ist.
Die Steuerung 72 erzeugt an ihrem Steuerausgang 70 eine zyklische Steuerspannung, welche über den Gate-Anschluß 66 den FET 60 bzw. dessen Kanal zwischen dem ersten Anschluß 62 und dem zweiten Anschluß 64 abwechselnd sperrt und leitfähig schaltet. Dabei steuert die Steuerung 72 das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der An- und Auszeiten des FET 60, und die Wiederholungsfrequenz des An-/Aus-Zyklus des FET 60 so, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 des Spannungswandlers 40 eine vorbestimmte Spannung anliegt, und zwar weitgehend oder vollständig unabhängig von der Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' und dem Strom und der Leistung, die die Energiespeichervorrichtung 10 an ihren Kontakten 30, 32 abgibt.
Die Spannung V₀ wird dabei durch den Spannungswandler 40 unabhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' konstant gehalten. Bei Erreichen der Entladeschlußspannung bzw. der minimalen Entladespannung V_cn,min schaltet sich der Spannungswandler 40 ab, um eine Tiefentladung der Speicherzellen 22, 22' zu vermeiden. Vorzugsweise wird gleichzeitig, gesteuert durch die Steuerung 72 bzw. durch ein von ihr an einem weiteren Steuerausgang 144 erzeugtes Steuersignal, ein Schalter 146 geöffnet, wodurch die Speicherzellen 22, 22' von dem Gerät 120 getrennt werden. Eine Schädigung der Speicherzellen 22, 22' durch eine Tiefentladung wird damit nach wirkungsvoller verhindert. In Kombination mit einer Ladeschutzschaltung ermöglicht dies eine optimale Nutzung der Kapazität der Speicherzellen 22, 22'.
1B ist eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' und der vorbestimmten Spannung V₀, die der Spannungswandler 40 erzeugt und an seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 bzw. an den Kontakten 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 bereitstellt. Der Ordinatenachse sind die Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' und die vorbestimmte Spannung V₀ zugeordnet. Die Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' liegt abhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' innerhalb eines Bereichs bzw. Intervalls 90 zwischen einer minimalen Entladespannung V_cn,min einer Ladeschlußspannung bzw. Ladeendspannung V_cn,max. Diese Ausgangsspannung V_cn wird durch den Spannungswandler 40 in die vorbestimmte Spannung V₀ (Linie 92) gewandelt (Pfeil 94). Da bei dem in 1A dargestellten Spannungswandler 40 die zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 anliegende Spannung V₀ mindestens so hoch ist wie die an den Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Spannung V_cn, handelt es sich um einen Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler bzw. Boost-Converter.
2A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem anhand der 1A dargestellten nur dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein Tiefsetzsteller bzw. ein Abwärtswandler bzw. ein Buck-Converter ist. Bei diesem ist bevorzugt ein p-Kanal zwischen einem Source-Anschluß 62 und einem Drain-Anschluß 64 eines p-Kanal-MOSFET 60 in Serie mit einer Spule 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 geschaltet, wobei der Source-Anschluß 62 mit dem ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 und der Drain-Anschluß 64 mit der Spule 52 verbunden sind. Ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist wiederum mit einem Steueranschluß 70 einer Steuerung 72 verbunden. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind wiederum miteinander kurzgeschlossen sowie ferner mit einem Eingangsanschluß 74 der Steuerung 72 verbunden. Eine Anode 56 einer Diode 54 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 verbunden, eine Kathode 58 der Diode 54 ist mit dem Drain-Anschluß 64 des FET 60 und der Spule 52 verbunden. Zwischen den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 und die Spule 52 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein Kondensator 80 geschaltet.
Ähnlich wie bei dem anhand der 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist als FET 60 anstelle eines p-Kanal-MOSFET auch ein n-Kanal-MOSFET einsetzbar. Die Verwendung eines p-Kanal-MOSFET ist jedoch vorteilhaft.
2B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannungen V_cn und V₀ in der in 2A dargestellten Energiespeichervorrichtung. Die Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' liegt wiederum innerhalb eines Intervalls 90 zwischen der minimalen Entladespannung V_cn,min und der Ladeendspannung V. Der Spannungswandler 40 erzeugt (Pfeil 94') aus der Ausgangsspannung V_cn der Speicherzellen 22, 22' innerhalb des Intervalls 90 die vorbestimmte Spannung V₀, die kleiner als die minimale Entladespannung V_cn,min ist.
Die Spannungswandler 40 aus dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel und aus dem in 2A dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel können Spannungen nur aufwärts bzw. nur abwärts wandeln. Entsprechend ist die vorbestimmte Spannung V₀, wie in 1B dargestellt, größer oder gleich der Ladeendspannung V_cn,max bzw., wie in 2B dargestellt, kleiner oder gleich der minimalen Entladespannung V_cn,min. Falls die vorbestimmte Spannung V₀ innerhalb des für die Speicherzellen 22, 22' charakteristischen Intervalls 90 zwischen der minimalen Entladespannung V_cn,min und der Ladeendspannung V_cn,max liegt, wird vorzugsweise anstelle des Hochsetzstellers des ersten Ausführungsbeispiels und des Tiefsetzstellers des zweiten Ausführungsbeispiels ein SEPIC-Wandler oder ein Hoch-/Tiefsetzsteller verwendet, wie es im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
3A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten beiden dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein SEPIC-Wandler ist.
Während wiederum der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 miteinander kurzgeschlossen sind, sind zwischen dem ersten Eingangsanschluß 42 und dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 eine erste Spule 52, ein erster Kondensator 80 und eine Diode 54 in Serie geschaltet, wobei die erste Spule 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 einerseits und einen ersten Anschluß 80a des ersten Kondensators 80 sowie einen ersten Anschluß 62 eines FET 60 andererseits geschaltet ist, und ein zweiter Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 mit der Anode 56 der Diode 54 verbunden ist, und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers verbunden ist. Ein zweiten Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden, und ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, deren Eingangsanschluß 74 ebenfalls mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden ist. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Source-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 des MOSFET 60 ist der Source-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Zwischen den zweiten Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 sowie die Anode 56 der Diode 54 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist eine zweite Spule 102 geschaltet, und zwischen die Kathode 58 der Diode 54 sowie den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein zweiter Kondensator 104 geschaltet.
Der Spannungswandler 40 des in 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erzeugt abhängig von Tastverhältnis und Frequenz der durch die Steuerung 72 gesteuerten Ein-/Ausschaltzyklen des FET 60 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine vorbestimmte Spannung V₀, die sowohl größer als auch kleiner als die zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Spannung V_cn sein kann. Entsprechend eignet sich dieser Spannungswandler 40 insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, bei denen die vorbestimmte Spannung V₀, die die Energiespeichervorrichtung 10 einem mit elektrischer Leistung zu versorgenden Gerät 10 bereitstellen soll, zwischen der minimalen Entladespannung V_cn,min und der Ladeendspannung V_cn,max liegt.
3B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannung V_cn und V₀ in dem Spannungswandler 40 des in 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels. Dabei symbolisiert ein Pfeil 94 ein Aufwärtswandeln, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine höhere Spannung V₀ erzeugt, als er zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt. Ein Pfeil 94' stellt ein Abwärtswandeln dar, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine Spannung V₀ erzeugt, die kleiner ist als die Spannung V_cn, die er an seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt.
Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine Möglichkeit zur Einstellung bzw. Programmierung einer erwünschten vorbestimmten Ausgangsspannung V₀ auf. Nachfolgend werden anhand der 4, 5 und 6 Modifikationen des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, die eine solche Möglichkeit zur externen Einstellung der vorbestimmten Spannung V₀ aufweisen. Vorzugsweise werden auch das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel entsprechend modifiziert.
4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist an dem Gehäuse 20 ein dritter Kontakt 110 angeordnet, der mit einem Steuereingang 112 der Steuerung 72 und einem Mittenabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist. Der Spannungsteiler wird durch einen ersten Widerstand 114 und einen zweiten Widerstand 116 gebildetet und ist parallel zu dem Kondensator 80 zwischen die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers 40 geschaltet. Er erzeugt ein elektrisches Potential, das zwischen den Potentialen der Ausganganschlüsse 46, 48 liegt und am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegt. Die Steuerung 72 ist so ausgebildet, daß dieses Potential die durch den Spannungswandler 40 erzeugte vorbestimmte Spannung V₀ beeinflußt bzw über eine Veränderung des am Steuereingang 112 anliegenden Potentials die vorbestimmte Spannung V₀ einstellbar ist. Der dritte Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung stellt somit eine analoge Schnittstelle dar, über die der Spannungswandler 40 von außen ein Signal empfängt, das die durch ihn einzustellende vorbestimmte Spannung V₀ darstellt. Dieses von außen empfangene Signal ist beispielsweise ein zu der einzustellenden vorbestimmten Spannung V₀ proportionales Spannungssignal.
In 4 ist neben der Energiespeichervorrichtung 10 schematisch ein Gerät 120 dargestellt, das Kontakte 130, 132, 134 aufweist, die elektrisch leitfähig mit den Kontakten 30, 32, 110 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 ist ein elektrisches oder elektronisches Gerät für eine beliebige Anwendung, das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Diese elektrische Leistung empfängt das Gerät 120 über die Kontakte 130, 132, die mit den Kontakten 30 und 32 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 umfaßt eine Schaltung zum Erzeugen bzw. Beeinflussen des am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegenden Analogsignals über den dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10. Im einfachsten Fall besteht diese Einrichtung, wie in 4 dargestellt, aus ein oder zwei Widerständen 140, 142, die in dem Gerät 120 angeordnet und über die Kontakte 130, 132 und 134 zu dem ersten Widerstand 114 bzw. dem zweiten Widerstand 116 parallel geschaltet sind. Die Widerstände 140, 142 bilden zusammen mit den Widerständen 114, 116 des Spannungswandlers 40 einen modifizierten Spannungsteiler, der ein beliebiges Widerstandsverhältnis aufweist, das in der Regel von dem des Spannungsteilers aus den Widerständen 114, 116 abweicht. Durch die Widerstände 140, 142 liegt somit ein anderes Potential an dem Steuereingang 112 der Steuerung 72 an als es der allein aus dem ersten Widerstand 114 und dem zweiten Widerstand 116 gebildete Spannungsteiler erzeugt.
Alternativ weist das Gerät 120 eine beliebige andere Einrichtung bzw. eine beliebige Spannungsquelle zum Erzeugen eines Spannungssignals auf, das die Information enthält, welche vorbestimmte Spannung V₀ das Gerät 120 benötigt bzw. der Spannungswandler 40 erzeugen soll.
Der Spannungswandler 40 muß keinen Spannungsteiler 114, 116 aufweisen. Die in 4 dargestellten Widerstände 114, 116 stellen jedoch sicher, daß auch dann, wenn das Gerät 120 beispielsweise keine Beschaltung des dritten Kontaktes 110 der Energiespeichervorrichtung 10 vorsieht, ein definiertes Signal am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anlegt. Dieses Signal bzw. die dieses erzeugenden Widerstände 114, 116 sind vorzugsweise so dimensioniert, daß die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 eine Standardbatteriespannung, beispielsweise 1,5 V zwischen dem ersten Kontakt 30 und dem zweiten Kontakt 32 erzeugt, wenn am dritten Kontakt 110 kein definiertes Signal von außen angelegt wird. Dadurch kann eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine herkömmliche Batterie in ein Gerät eingesetzt werden, das nicht für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung, sondern für eine herkömmliche Batterie ausgelegt ist.
Auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 in einem herkömmlichen Gerät, das für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren ausgelegt ist, bietet den Vorteil, daß dem Gerät eine konstante Versorgungsspannung und eine in vielen Fällen erhöhte Kapazität bereitgestellt werden. Geräte der nächsten Generation, die für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen bzw. ausgebildet sind, nutzen alle Vorteile der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, indem sie mittels eines oder beider der in 4 dargestellten Widerstände 140, 142 eine Spannung bzw. ein Signal am dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10 und damit am Steuereingang 112 der Steuerung 72 erzeugen, das die für das Geräte 120 optimale Versorgungsspannung V₀ an der Energiespeichervorrichtung 10 einstellt bzw. programmiert.
5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine alternative Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels darstellt, bei der die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 anstatt einer analogen eine digitale serielle Schnittstelle aufweist, über die es ein digitales serielles Signal von einem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgt, empfängt. Das digitale serielle Signal stellt die von dem Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung dar. Der Spannungswandler 40 empfängt dieses digitale serielle Signal und stellt die benötigte Versorgungsspannung für das Gerät 120 bereit.
Die digitale Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt mindestens einen dritten Kontakt 110, der mit einem Kontakt 134 des Geräts 120 verbindbar ist und ferner mit einem Digitaleingang 152 eines Analog-/Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) 154 verbunden ist. Über die Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120, die beispielsweise durch den zweiten Kontakt 32 der Energiespeichervorrichtung 10 und den Kontakt 132 des Geräts 120 gebildet wird, fließt Leistung. Vorzugsweise weist die digitale Schnittstelle deshalb ferner einen vierten Kontakt 156 auf, der mit einem weiteren Kontakt 158 des Geräts 120 verbunden ist und eine ausschließlich der digitalen Schnittstelle zugeordnete Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120 bildet. Diese getrennte Masseverbindung ermöglicht einen störungsärmeren Betrieb der digitalen Schnittstelle. Alternativ handelt es sich bei dem Pfad über den vierten Kontakt 156 und den weiteren Kontakt 158 um eine zweite Signalleitung der digitalen seriellen Schnittstelle.
Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen der Darstellung aus 4 und sind deshalb in 5 nicht wiedergegeben. Auch beim Gerät 120 sind weitere Merkmale, beispielsweise zur Erzeugung des Digitalsignals 160, in 5 nicht dargestellt.
6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die eine digitale parallele Schnittstelle aufweist. Über m Kontakte 170, 172, 174, die zusammen einen Parallelbus 176 bilden, werden Parallelbits bzw. Bitsignale übertragen, die gemeinsam ein Signal bilden, das die durch den Spannungswandler 40 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V₀ darstellt bzw. über das das Gerät 120 der Energiespeichervorrichtung 10 mitteilt, welche Versorgungsspannung V₀ es benötigt. Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen denen aus 4 und sind deshalb ebenso wie das Gerät 120 in 6 nicht dargestellt.
Die digitale Parallelschnittstelle bietet den Vorteil, daß geräteseitig die Einstellung der Versorgungsspannung V₀ besonders einfach per Festverdrahtung erfolgen kann, d. h. ahne ein einziges zusätzliches Bauteil.
Eine weitere mögliche Schnittstelle zur Übertragung eines Signals von dem Gerät 120 an die Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt reversible oder nichtreversible Schalter bzw. Schaltkontakte. Diese bilden eine mechanisch-elektrische parallele digitale Schnittstelle und werden durch Nasen, Noppen, Stege oder ähnliche mechanische Einrichtungen an dem Gerät 120 beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Fach des Geräts 120 selektiv betätigt bzw. geöffnet oder geschlossen. Irreversible Schaltkontakte werden nur einmal beim ersten Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Gerät 120 geschlossen oder geöffnet und ändern ihren Schaltzustand beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 nicht mehr. Reversible Schaltkontakte gehen beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 wieder in ihren Ursprungszustand über und ermöglichen so eine Verwendung ein und derselben Energiespeichervorrichtung 10 nacheinander in verschiedenen Geräten mit verschiedenen Versorgungsspannungen. Das Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V₀ darstellt, ist in diesem Fall auf Seite des Geräts 120 ein mechanisches Signal. Dieses mechanische Signal wird in der Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 in ein elektrisches Signal gewandelt, das wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen die Versorgungsspannung steuert.
Die Energiespeichervorrichtung 10 und das Gerät 120 können so ausgebildet sein, daß ein Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V₀ darstellt, nur einmal nach dem Verbinden der Energiespeichervorrichtung 10 mit dem Gerät 120 oder in regelmäßigen Abständen oder bei bestimmten Ereignissen wiederholt oder aber ständig von dem Gerät 120 gesendet bzw. bereitgestellt und von der Energiespeichervorrichtung 10 empfangen wird. Das Signal und damit die vorbestimmte Spannung V₀ können sich ändern, wenn die Energiespeichervorrichtung 10 mit einem anderen Gerät 120 verbunden wird, und vorzugsweise auch, wenn sich die von dem Gerät 120 benötige Versorgungsspannung beispielsweise beim Wechsel eines Betriebsmodus ändert. Beispielsweise fordert das Gerät 120 von der Energiespeichervorrichtung 10 eine niedrige vorbestimmte Spannung V₀ an, wenn es sich in einem Sleep- oder Idle-Modus befindet, in dem lediglich der Dateninhalt eines Speichermoduls erhalten oder eine Schnittstelle überwacht werden muß. Wenn das Gerät 120 eine höhere elektrische Leistung benötigt, beispielsweise weil ein HF-Sender betrieben, eine Beleuchtung eingeschaltet oder in einem Prozessor ein Programm ausgeführt wird, fordert das Gerät 120 durch ein entsprechendes Signal von der Energiespeichervorrichtung 10 eine vorbestimmte Spannung V₀, die für den jeweiligen Betriebsmodus und Betriebszustand optimal ist.
In den 1–4 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellungen keine Ladesteuer- und Schutzelektronik dargestellt. Eine Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik kann parallel zu den in den 1–4 dargestellten Elementen des Spannungswandlers 40 zwischen die Eingangsanschlüsse 42, 44 und die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers geschaltet sein. Alternativ ist die Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik parallel zu dem Spannungswandler 40 zwischen Plus- und Minuspol 24, 26 der Speicherzellen 22, 22' einerseits und den Leistungsausgang 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 andererseits geschaltet. Steuer- und Überwachungsfunktionen sind jedoch vorzugsweise, wie bereits erwähnt, in die Steuerung 72 implementiert. Dabei übernehmen zumindest einzelne der aktiven Elemente des Spannungswandlers 40 gleichzeitig Ladesteuer- und Schutzfunktionen. Für einen steuerbaren Ladestrompfad ist im ersten Ausführungsbeispiel die Diode 54 beispielsweise als geschalteter MOSFET ausgeführt, während im zweiten Ausführungsbeispiel der FET 60 vorzugsweise als bidirektionaler Schalter ausgeführt ist, beispielsweise in Form zweier antiserieller MOS-FETs. Im dritten Ausführungsbeispiel wird dazu vorteilhaft ein MOSFET eingesetzt, der die Elemente 80 und 54 überbrückt. Darüber hinaus sind vorzugsweise zusätzliche aktive Bauelemente für Lade- und/oder Schutzfunktionen in den Spannungswandler und dessen Hauptstrompfad integriert.
Die Spannungswandler 40 der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung können konventionell bzw. aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Vorzugsweise und hinsichtlich der Herstellungskosten und der geometrischen Abmessungen bzw. des Bauvolumens der Spannungswandler vorteilhaft sind diese jedoch vollständig monolithisch auf einem Chip integriert. Die Schaltfrequenzen des Gleichspannungswandlers liegen dazu vorzugsweise im Bereich einiger MHz, da bei diesen Frequenzen die elektrischen und magnetischen Energiespeicher, d. h. die Spulen 52, 102 und die Kondensatoren 80, 104, auf einem Chip realisiert bzw. in diesen integriert werden können.
Vorteilhaft ist ferner eine monolithische Integration des Spannungswandlers 40 mit einer Lade- und Schutzschaltung gegen Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, Übertemperatur etc. Ferner weist ein Spannungswandler 40 gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise spezielle Betriebsmodi auf, beispielsweise einen Burst-Modus, in dem insbesondere bei Nennlast ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, und eine No-Load-Abschaltung bzw. einen Modus, in dem der Spannungswandler abgeschaltet wird, wenn keine Last an die Energiespeichervorrichtung 10 angeschlossen ist, um eine geringe Selbstentladung auch im Schwachlastbetrieb oder bei einer längeren Lagerung der Energiespeichervorrichtung 10 sicherzustellen.
Die 7–10 sind schematische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10, in denen vor allem die Form des Gehäuses 20 und die Anordnung der Kontakte 30, 32, 110, 156, 170, 172, 174 an dem Gehäuse 20 dargestellt sind. Form, Größe und Anordnung der Kontakte sind dabei normalerweise so gewählt, daß sie beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in ein Fach eines Geräts mit entsprechenden Kontakten des Geräts zwangsläufig bzw. automatisch verbunden werden.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuse 20 und die Kontakte 30, 32, die den Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung 10 bilden, hinsichtlich ihrer Form, Größe und Anordnung vorzugsweise einem durch die IEC oder die ISO standardisierten Batterietyp entsprechen, beispielsweise einer Mono-, Baby-, Mignon-, Mikro- oder Lady-Zelle oder einer anderen Rund- oder Knopfzelle. Der Spannungswandler 40 entspricht einem der in den 1A, 2A und 3A dargestellten Ausführungsbeispiele, wobei die vorbestimmte Spannung V₀ vorzugsweise der Nennspannung des der Form und Größe des Gehäuses 20 entsprechendem Standardbatterietyps entspricht. Alternativ weist die Energiespeichervorrichtung 10 ferner, wie in den 4–6 dargestellt, eine Schnittstelle und einen über die Schnittstelle von extern steuerbaren Spannungswandler bzw. einen Spannungswandler mit einer von außen einstellbaren vorbestimmten Ausgangsspannung V₀ auf. Die Schnittstelle ist hier als ringförmige Elektrode 110 zur Übertragung eines Analogsignals oder eines digitalen seriellen Signals dargestellt. Vorzugsweise ist der Spannungswandler 40, wie oben beschrieben, so ausgeführt, daß die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 die Spannung V₀ bereitstellt, die dem in Größe und Form des Gehäuses 20 entsprechenden Standardbatterietyp entspricht, wenn an der Schnittstelle 110 kein Signal anliegt. Dadurch ist die Energiespeichervorrichtung 10 abwärtskompatibel und sowohl in herkömmlichen Geräten, die für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren vorgesehen sind, als auch in Geräten, die für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen sind, einsetzbar.
Die 8 und 9 sind schematische, perspektivische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10, deren Gehäuse 20 und Kontakte 30, 32, 110 in Form, Größe und Anordnung Flachbatterien mit Anschlußfahnen bzw. mit Kontaktierungsflächen entsprechen.
10 ist eine schematische perspektivische Außenansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, die eine oben beschriebene mechanisch-elektrische Schnittstelle in Form von mehreren Folienschaltkontakten bzw. Folienschaltern 180, 182, 184 aufweist. Die Folienschalter 180, 182, 184 sind in die Batterieumhüllung bzw. das Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 integriert und vorzugsweise durch eine Deckfolie gegenüber der Umwelt hermetisch abgeschlossen. Es sind somit keine zusätzlichen, nach außen geführten Kontakte 110, 156, 170, 172, 174 erforderlich, um die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V₀ einzustellen. Die Folienschalter 180, 182, 184 werden beim Einsetzen bzw. Einlegen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Gerät durch Noppen, Stege, Vorsprünge oder ähnliche mechanische Einrichtungen im Batterie- bzw. Akkumulatorfach betätigt. Mit m Folienschaltern ist eine Auswahl von 2^m verschiedenen Werten der Versorgungsspannung bzw. der einzustellenden vorbestimmten Spannung V₀ möglich. Die in 10 gezeigte Verwendung von Folienschaltern zur Bildung einer mechanisch-elektrischen Schnittstelle eignet sich besonders für Flach- und Folienzellen und weist hier den besonderen Vorteil auf, keine zusätzlichen Durchführungen durch die hermetisch dichte Hülle zu erfordern.
Bei der Verwendung von Folienzellen wird der Spannungswandler 40 vorzugsweise in Dünnchiptechnik hergestellt, in der bedingt flexible Chips erzeugt werden können. Die in den 8, 9, 10 dargestellten Folienzellen sind vorzugsweise elastisch bzw. mechanisch flexibel.
Vorzugsweise weist eine Energiespeichervorrichtung eine Spule auf, über die einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnommen werden kann, um die Speicherzellen 22, 22' aufzuladen, wobei es sich bei diesen um Sekundärzellen handelt. Vorzugsweise wird eine im Spannungswandler 40 ohnehin vorhandene Spule so beschaltet, daß sie zum Laden der Speicherzellen einem elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnehmen kann. Vorzugsweise wird die Spule auf eine Siliziumoberfläche oder einen Schaltungsträger gedruckt.
11 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geräts 120, das ausgebildet ist, um durch eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10 mit elektrischer Leistung versorgt zu werden. Das Gerät 120 weist ein Batterie- oder Akkumulatorfach bzw. ein Fach 190 zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung auf. In dem Fach 190 sind Kontakte 130, 132 angeordnet, welche beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 deren Kontakte 30, 32 kontaktieren. Das Fach 190 und die Kontakte 130, 132 sind vorzugsweise so ausgebildet, daß auch eine herkömmliche Standardbatterie eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist im Fach 190 ein weiterer, vorzugsweise ebenso wie die Kontakte 130, 132 federnder, Kontakt 134 angeordnet, der beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Fach 190 einen dritten Kontakt der Energiespeichervorrichtung 10 kontaktiert. Das Gerät 120 erzeugt ein analoges oder digitales serielles oder (wenn anstatt des einen dritten Kontaktes 134 eine Mehrzahl von Kontakten vorgesehen ist) paralleles Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende Spannung V₀ darstellt.

Claims

Energiespeichervorrichtung (10) mit folgenden Merkmalen: einer Speicherzelle (22, 22') mit einem Leistungsausgang (24, 26) zum Speichern von Energie; einem Spannungswandler (40) mit einem Leistungseingang (42, 44), der mit dem Leistungsausgang (24, 26) der Speicherzelle (22, 22') verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang (46, 48), zum Wandeln einer Ausgangßpannung (V_cn) der Speicherzelle (22, 22') in eine vorbestimmte Spannung (V₀), und der ausgebildet ist, um die Ausgangsspannung (V_cn) der Speicherzelle (22, 22') in eine einstellbare vorbestimmte Spannung (V₀) zu wandeln; einer Schnittstelle (110, 156; 176) zum Empfangen eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung (V₀) darstellt; einem Leistungsanschluß (30, 32), der mit dem Leistungsausgang (46, 48) des Spannungswandlers (40) verbunden ist; und einem Gehäuse (20), innerhalb dessen die Speicherzelle (22, 22') und der Spannungswandler (40) angeordnet sind, an dem der Leistungsanschluß' (30, 32) angeordnet ist, und das ausgebildet ist, um in ein Fach (190) eines Geräts (120) eingesetzt zu werden, wobei der Leistungsanschluß (30, 32) für ein Verbinden mit einem Leistungseingang (130, 132) des Geräts (120) ausgebildet ist, um elektrische Leistung an das Gerät (120) zu übertragen; wobei die Schnittstelle eine parallele Schnittstelle ist und eine Mehrzahl von Folienschaltern (180, 182, 184) umfaßt, die an dem Gehäuse (20) angeordnet und ausgebildet sind, um beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung (10) in das Fach (190) des Geräts (120) durch eine mechanische Einrichtung des Geräts (120) betätigt zu werden.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, deren Leistungsanschluß (30, 32) so an dem Gehäuse (20) angeordnet und ausgebildet ist, daß er beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung (10) in das Fach (190) des Geräts (120) mit dem Leistungseingang (130, 132) des Geräts (120) verbunden wird.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Spule (52, 102), die mit einem äußeren elektromagnetischen Wechselfeld koppelbar ist, um Leistung zum Laden der Speicherzelle (22, 22') zu empfangen.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der die Spule (52, 102) Bestandteil des Spannungswandlers (40 ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Spannungswandler so ausgebildet ist, daß die vorbestimmte Spannung (V₀) von der Ausgangsspannung (V_cn) der Speicherzerlle (22, 22') unabhängig ist, wenn diese innerhalb eines vorbestimmten Intervalls (90) liegt.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der die Schnittstelle (110) eine Analogschnittstelle zum Empfangen eines Signals, das die einzustellende Spannung (V₀) darstellt, ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 6, wobei das zu empfangene Signal eine durch einen Spannungsteiler (114, 116, 140, 142) erzeugte Spannung ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der die Schnittstelle (110, 156; 176) eine Digitalschnittstelle zum Empfangen eines Digitalsignals (60), das die einzustellende Spannung (V₀) darstellt, ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, bei der die Schnittstelle eine parallele Schnittstelle (176; 180, 182, 184) ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Spannungswandler (40) monolithisch auf einem Chip integriert ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Spannungswandler (40) einen Chip-Kondensator (80, 104) auf einem Siliziumsubstrat umfaßt.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Spannungswandler (40) eine auf einen Schaltungsträger oder auf einen Siliziumchip gedruckte Spule (52, 102) umfaßt.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Spannungswandler (40) in Dünnchiptechnologie hergestellt ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Speicherzelle (22, 22'), der Spannungswandler (40) und das Gehäuse (20) mechanische flexible Materialien aufweisen.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einer Ladesteuereinrichtung zum Steuern eines Ladens der Speicherzelle.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner mit einer Schutzeinrichtung zum Schützen der Speicherzelle (22, 22') vor Tiefentladung, zu hohem Ladestrom und thermischer Überlastung.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 16 oder 16, bei der die Ladesteuereinrichtung bzw. die Schutzeinrichtung mit dem Spannungswandler (40) integriert ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der zumindest ein Bauelement des Spannungswandlers (40) gleichzeitig Teil der Ladesteuereinrichtung bzw. der Schutzeinrichtung ist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der Spannungswandler (40) einen ersten Betriebsmodus mit einem Vollastwirkungsgrad und einen zweiten Betriebsmodus mit einem Teillastwirkungsgrad, der niedriger ist als der Vollastwirkungsgrad des ersten Betriebsmodus, aufweist.
Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 19, bei der ein erster Ruhestromverbrauch im ersten Betriebsmodus höher als ein zweiter Ruhestromverbrauch im zweiten Betriebsmodus ist.