CN103828174A - 具有用于电池组的无线通信装置的独立能量供给装置的电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有至少一个可充电的电池单元(110)的电池组(100)，包括：电接口(120)，用于在外部充电设备(200)处对电池(100)充电，和用于与外部充电设备(200)无线通信的通信装置(140)。电池组还包括独立于电池单元(100)的能量供给装置(150)，用于在与外部充电设备(200)初始通信期间为通信装置(140)供给能量。

Description

具有用于电池组的无线通信装置的独立能量供给装置的电池组

背景技术

电气设备可以借助可充电的电池或者蓄电池而与外部电源独立地运行。根据应用为此不仅使用可更换的电池组(所谓的蓄电池包或电池包)而且也使用固定安装在设备中的内部电池单元或者蓄电池单元。电储电器的充电借助外部充电设备来进行。在感应充电系统中在此利用由充电站的发送线圈产生的磁场在充电站与电池组之间进行能量传输。由电池组的接收单元接收的能量在此大部分直接存储到电池单元中。所传输的能量中的较小部分由接收单元作为自消耗而需要。

为了充电，电池设备以合适的方式与相关的充电设备耦合，这例如通过将电池设备插入到充电站的相应的容纳部中。然而为了能够将充电站的能量输出至接收单元，需要感应性耦合，其基本上构建为两个彼此协调的并且通常配设有芯的线圈的形式。通常在数毫米到几厘米的相对短距离上有效的耦合还可以在保持相对大的效率的情况下通过装置的谐振构造来进一步增大。

在实际能量传输期间，充电站和电池组连续地彼此通信，其中借助通信基本上实现了调节回路的接通。在此，电池组将确定的充电参数传送给充电站。充电参数包括相应电池的当前状态信息，譬如电池电压、充电电流或者电池温度。这些信息在电池组中被检测并且通过现有的通信连接传送到充电站。在感应充电系统的情况下，传送通常无线地进行。为此，电磁组除了检测相应的充电参数的控制或调节装置之外还拥有相应的无线通信装置。

在电池组与充电站之间的无线通信的情况下，电池组必须无中断地循环地被乒连(anpingen)，以便能够从充电站可靠地识别出电池组的插入或者取出。在此，所谓的“乒连”理解为从充电站向电池组发送短能量脉冲或电报。在插入电池组时，该电池组同样以对应的电报应答。对于电池组与充电站之间的初始通信(其在实际充电过程的准备阶段中进行)，电池设备的控制或检验装置和通信装置需要相应的电能量。该能量不允许从电池单元中获取，因为这可能会导致电池单元的深放电，深放电一定要予以避免。此外必须确保，即使在电池组已深放电时通信也还正常运行。出于该原因，在现有技术中尤其已知了如下方案：在所述方案情况下通过短时施加连续的磁交变场或通过发送短能量脉冲(所谓的“乒连”)，将对于初始通信所需的能量传输给电池设备。所述实现形式尤其具有决定性的缺点：充电站始终辐射磁场，该磁场导致在备用模式中不必要的功率消耗。此外，在这种实施中，不可避免地需要持续的“乒连”来保证充分的电池组识别。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于在电池组与充电站之间的初始通信的可能性，而无需为此从电池单元获取能量并且不必由充电站维持持续的磁交变场。该任务通过根据权利要求1所述的电池设备来解决。本发明的其他有利的实施形式在从属权利要求中予以说明。

根据本发明，提供一种带有至少一个可充电的电池单元的电池设备，其中该电池设备包括用于外部充电设备的电接口，用于对电池单元充电；和用于建立与外部充电设备的通信连接的通信装置。因此还规定，该电池设备包括用于通信装置的独立能量供给装置。通过该独立的能量供给装置可以与外部电源无关地运行电池设备的通信装置。由此，没有必要持续为充电站的发送装置供给能量以确保对电池设备的识别。更确切地说，充电站在不使用电池设备的情况下现在可以以节能预备模式来运行。因为电池设备的通信装置由于独立的能量供给而与电池单元的充电状态无关地被运行，所以即使在电池单元相对深地放电时也可以进行与充电站的通信，而相关的电池单元不会受其他能量提取损伤。

在一种有利的实施形式中规定，能量供给装置包括能量获取装置(Energieernteeinrichtung)和能量储存装置。能量获取装置在此构造为从电池设备的周围环境中获得电能量，而能量储存装置构造为储存这样获得的电能量。

另一实施形式规定，能量获取装置构造为将作用到电池设备上的电磁辐射转换成电能量。由于辐射能量一般而言持续可供使用，所以其最佳地适于用作用于为通信装置供给能量的独立能量源。

根据另一实施形式规定，能量获取装置包括光伏单元和／或用于电磁辐射的接收天线。由于其效率比较高，所以光伏单元尤其在照射良好的环境中是非常合适的能量源，以便为通信装置提供比较多的电能量。而由于电磁辐射几乎遍布地存在，接收天线允许连续地获得能量。

根据另一实施形式，能量获取装置构造为将电池设备的运动转换为电能量。在此在一种实施形式中规定，能量获取装置包括压电元件，其将电池设备的振动转化为电能量，而在一种可替选的实施形式中，能量获取装置包括电磁发生器，其将电池设备的运动转化为电能量。利用振动能量或运动能量尤其在运行期间用户用来操作的便携电气设备的情况下为能量获得的合适形式。此外该形式的能量获得已证明为在电动工具中是特别合适的，所述电动工具在通常使用中经受振动或往复运动。在此，优选使用压电元件，以便将较高频率的振动转化为电能量，而电磁发生器尤其能够有效地将电气设备的低频振动和其他运动转换为电能量。

另一实施形式规定，能量获取装置包括热发生器。借助这样的热发生器可以直接将温差转换为电压。因此例如在电池设备运行中积累的热(否则其未经利用地排放到周围环境中)可以有意义地被利用来对能量储存装置充电。

在另一实施形式中规定，电池设备的电接口构造为，从充电设备的相应的电接口无线地接收能量。为了在充电设备与电池设备之间无线地传输能量，原则上可以使用任意合适的方案，譬如感应的、电磁的或电容的能量传输方法。无线能量传输能够实现在充电站与电池设备之间的电流隔离。此外，由此简化了电池设备的充电，因为在将电池设备插入充电站时不必考虑特别的充电接触装置。更确切地说，电池设备可以在不同的位置插入充电壳中。

根据另一实施形式规定，电接口构建为用于与外部充电设备建立感应耦合。在感应发送线圈与感应接收线圈之间的感应耦合能够实现特别合适的能量传输方法，因为在此能量基本上只有在感应接收线圈位于感应发送线圈附近时、即在电池设备实际上也被插入在充电壳中时才传输。

另一实施形式规定，通信装置构建为用于与外部充电设备建立无线通信连接。无线通信连接允许电池设备在插入到充电站中之前还启动与充电站的通信。此外由此可以实现完全无线的充电系统，其中对电池单元的充电可以与电池设备在充电壳内的位置无关地进行。

在另一实施形式中规定，通信装置包括调制器，用于以ISM频带建立无线通信连接。ISM频带允许成本低廉且可靠的双向通信连接。

此外，另一实施形式规定，通信装置构造为，将电池单元的由电池设备的控制装置提供的充电参数经由无线通信连接发送到充电设备。由此，调节回路无线地接通。在电池设备与充电设备之间的完全无线的耦合尤其是提高了充电系统的安全性以及操作性。

最后，根据另一实施形式规定，能量供给装置构造为给控制装置供给电能量。由此，电池设备可以在与充电设备初始通信时就已经传送信息，借助所述信息，充电设备可以辨识电池设备。由此，一方面能够实现电池设备不会错误地在对此不合适的充电设备处被充电。另一方面可以借助初始辨识实现充电设备将其充电特性单独地匹配不同的电池设备。

附图说明

以下借助附图更为详细地描述本发明。其中：

图1示出了包括根据本发明的电池设备和外部充电站的布置，其中电池设备包括通信装置和通过光伏能量获取装置来供给电能量的独立的能量储存装置；以及

图2示出了图1的根据本发明的电池设备的一种可替选的实施形式，其中能量获取装置包括用于从电池设备的振动中产生电能量的压电元件。

具体实施方式

图1示出了由带有可充电的电池单元的电磁设备100以及相关的充电设备200构成的布置，该充电设备构建为充电站200的形式，该充电站具有用于电池设备100的容纳部。电池设备100例如为所谓的电池包或蓄电池包，其用在不同类型的设备中。然而，电池设备100也可以构造为带有集成电池单元的紧凑电气设备，譬如电动牙刷。如在图1中可看到的那样，电池设备100包括第一能量储存装置110，其尤其构造为可充电的电池或蓄电池；电接口120，用于对第一能量储存装置110充电；控制或检查装置130，用于确定第一能量储存装置的充电参数或状态；通信装置140，用于与相关的充电站200建立通信连接。根据本发明，电池设备100也包括独立的能量供给装置150，用于独立地为通信装置140供给能量。

能量储存装置110包括至少一个可充电的电池单元111。根据需要，多个单个的电池单元111如在图1中的情况那样可以串联连接，以便达到期望的功率或者电压。作为电池单元原则上可以考虑任何合适的电池类型，譬如锂离子单元、锂聚合物单元、镍金属混合单元或氧化铅单元。此外，能量储存单元111也可以基于电容器来构建。

电池组100优选以感应方式充电。带有固定安装的可充电电池单元的蓄电池包或电池包或终端设备的感应充电利用磁场来在充电站(发送单元)与电池包(接收单元)之间传输能量。在感应充电系统中，电池设备100的电接口120包括感应接收线圈121，其将由充电站200的相应电接口220的发送线圈221发射的磁交变场转换为电流。如在图1中所示，充电站200的发送线圈221和安置在充电站200中的电池设备100的接收线圈121直接对置。为了达到两个线圈尽可能最佳的感应耦合，在线圈之间的距离典型地为数毫米到数厘米。为了改善在两个线圈之间的感应耦合，还可以在两侧上设置铁磁芯。

在能量传输期间由电池设备100的接收线圈121所提供的交变电压通过连接线路161和整流器171耦合输入到能量储存装置110中。二极管171在此也确保了能量储存装置110在充电阶段之后不经过电线路161放电。在能量传输期间，由接收线圈121提供的交变电压还借助整流器173来整流并且除了“能量获取(energyharvesting)”之外经由线路163输送给电容器152。

为了控制充电过程，调节回路经由在电池设备100与充电站200之间建立的通信连接来接通。为此，内部控制或检验装置130确定哪个装置借助另一连接线路165连接到能量储存装置110上，连续地将电池单元110的当前状态信息和充电参数经由双向数据线路167转发给通信装置140。例如作为充电参数检测当前电池电压、当前充电电流或当前电池温度。为了能量供给，控制装置130在本实施例中通过线路162和整流器172连接到电池设备100的主电流线路161上。此外，控制装置130为了能量供给经由连接线路166连接到能量供给装置150或利用将能量供给装置150与电接口120连接的连接线路163来连接。

为了接通调节回路，在本情况下在电池设备100与充电站200之间建立无线通信连接，并且充电参数或所要求的调节量经由该通信连接从电池组传输到充电站。电池设备100的通信装置140在此基本上包括调制器141，其优选以所谓的ISM频带(工业、科学和医疗频带)工作；以及相应的发送天线142。类似于此，充电站200具有内部通信装置240，其带有相应的调制器241和相应的接收天线242。由充电站200的通信装置240接收的充电参数在此通过双向数据连接254被转发给控制装置230，该控制装置经由线路253操控功率电子调节环节210，以便为电接口220的发送线圈221供给能量。此外，功率电子装置210与电接口经由线路252连接。功率电子装置210的电流供给在此典型地经由外部输入线路251来确保。控制装置230在此优选构建为当充电站200的通信接口240获得电池设备100的通信装置140的相应请求时才操控功率电子装置210。由此，实现了充电站200的节能模式，其中磁交变场仅在充电过程期间由充电站200的感应发送线圈221来产生。

在电池设备100中，控制或检验装置130以及通信装置140在充电过程期间的电流供给优选借助由电池设备的电接口120提供的电能量来进行。但是由于控制装置130和通信装置140的电流源仅在充电过程期间可供使用，因此对与充电站200的初始通信所需的能量根据本发明由内部能量供给装置150提供。能量供给装置150包括能量获取装置151和附加的能量储存装置152，该能量存储装置152带有至少一个可再充电的储能器用于暂存借助能量获取装置151产生的电能量。作为储能器，在此优选使用特定的电容器，例如所谓的超电容器或超级电容器。

能量获取装置151为用于能量获取(英语为“energy harvesting”)的装置，即用于从电池设备100的周围环境中产生电流。更确切地说，在此，确定的能量形式譬如辐射能量或者动能被转换成其他能量形式，在本情况下为电能量。在此，例如考虑太阳光、振动或者一般电磁辐射作为能量源。在图1所示的实施例中，能量获取装置151构建为光伏单元或者太阳能单元的形式。所述能量获取装置将光辐射例如太阳300的光转换成电能量。太阳能电池的能量于是通过电线路164和通过二极管174耦合输入到电容器152中。

其他电磁辐射譬如无线电波可以借助接收天线转换成电信号。根据这样的电信号可以借助相对简单的装置产生电压来对附加的储存装置152充电。辐射能量借助接收天线的获取尽管提供了比光伏电池的使用明显更低的能量产出，但该能量源在实践中随时钟改变地供使用。此外，为了提高能量获取装置151的效率也可以使用多个接收天线。优选沿电池设备的壳体布置的接收天线在此可以分别针对相同的辐射或者不同频率的辐射构造。

为了保证对于电池设备的可靠和毫无疑问地识别(辨识)，可以使用冗余的并且双向的传输。

图2示出了根据本发明的电池设备100的另一实施形式。在该变型方案中，能量供给装置150包括用于从电池设备的振动中产生电能量的压电元件作为能量获取装置151。在此，利用压电效应，由此压电晶体的压缩引起在晶体的对置的侧上的电势差。为了从电池设备100的运动中获得电能量，代替压电元件151也可以使用电磁发生器。这样的发生器在此可以构建为线圈组形式，其中永磁体运动地放置在线圈组中。通过永磁体的往复运动在线圈内感应有电压。相反的情况、即相对于位置固定的永磁体可运动的线圈组也导致线圈内相应的电压感应。

除了结合两个图1和图2所描述的能量获取方案之外，原则上可以使用任意形式的能量获得借助能量获取来对通信装置140或控制装置130进行能量供给。这样，例如也可以使用热发生器，以便有意义地利用在电池设备运行期间积累的热。这样的热发生器为热电器件，其根据逆珀尔效应工作。在此，热发生器将温差转换为电压。为了达到高效的能量获得，典型地以薄层形式构造的热发生器可以与电池设备的电池单元布置得尽可能地近。然而也可能的是，在电池单元上积累的热例如借助导热元件引导到布置在电池单元旁的热发生器。

尽管在前面的说明中的发明方案仅结合可更换的电池或者蓄电池包来描述，但本发明原则上也涉及固定安装的蓄电池或电池单元。此外在本发明的意义下发明方案并非仅仅限于已知的电池或者蓄电池类型。更确切地说，为此原则上考虑任何合适的储能技术，其可以结合所描述的感应充电方法来使用。在此所介绍的能量获取方案中的多个方案也可以一起设置在电池设备中，以便实现特别高效的能量获得。最后，在此所描述的借助能量获取的能量供给原则上也适用于在充电站与电池设备之间譬如借助空气线圈、以电容方式、以电磁方式等无线传输能量的其他方案。

Claims (12)

1.一种具有至少一个可充电的电池单元(110)的电池设备(100)，包括：

-电接口(120)，用于在外部充电设备(200)处对电池单元(100)充电，

-用于与外部充电设备(200)无线通信的通信装置(140)，

其特征在于独立于电池单元(100)的能量供给装置(150)，用于在与外部充电设备(200)初始通信期间为通信装置(140)供给能量。

2.根据权利要求1所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量供给装置(150)包括能量获取装置(151)和能量储存装置(152)，其中能量获取装置(151)构造为从电池设备(100)的周围环境中获得电能量，并且其中能量储存装置(152)构建为储存所获得的电能量。

3.根据权利要求2所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量获取装置(151)构建为将作用于电池设备(100)的电磁辐射转换成电能量。

4.根据权利要求3所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量获取装置(151)包括光伏单元和／或用于电磁辐射的接收天线。

5.根据权利要求2至4之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量获取装置(151)构建为将电池设备(100)的运动转换为电能量。

6.根据权利要求5所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量获取装置(151)包括压电元件和／或电磁发生器。

7.根据上述权利要求2至6之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量获取装置(151)包括热发生器。

8.根据上述权利要求之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

电池设备(100)的电接口(120)构建为从充电站(200)的相应电接口(220)无线地接收能量。

9.根据上述权利要求之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

电接口(120)包括感应接收线圈(121)用于与外部充电设备(200)的相应感应发送线圈(221)建立感应耦合。

10.根据上述权利要求之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

通信装置(140)包括调制器(141)，用于以ISM频带建立无线通信连接。

11.根据上述权利要求之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

通信装置(140)构建为电池单元(110)的由控制装置(130)提供的充电参数通过无线通信连接发送到充电设备(200)。

12.根据上述权利要求之一所述的电池设备(100)，

其特征在于，

能量供给装置(150)还构建为除了通信装置(140)之外也为控制装置(130)供给电能量。

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