CN110383619B - 具有电负载的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电负载(40)和可更换的电能存储器(30)的装置(1)。所述能量存储器(30)具有带有第一初始能量的量(E1)的至少一个第一存储单元(31)和带有第二初始能量的量(E2)的至少一个第二存储单元(32)，其中电子测量/操作电路(20)被设计为根据算法来激励所述第一存储单元(31)或所述第二存储单元(32)。通过激励所述第一存储单元或所述第二存储单元，由相应的所述存储单元确保向所述装置供应能量，并且通过激励所述第一存储单元或所述第二存储单元，确保在一个存储单元的剩余能量的量或施加能量的量低时，相应的其他存储单元具有所述第一存储单元(31)的所述第一初始能量的量E1和所述第二存储单元(32)的所述第二初始能量的量E2的总能量的量EG的至少10％，特别地是至少20％，优选地是至少30％的剩余能量的量。

Description

具有电负载的装置
技术领域
本发明涉及一种具有电负载和可更换的电能存储器的装置。
背景技术
根据现有技术的、利用能量存储器操作的并且使用在关键应用中的装置需要针对能量存储器的充电状态的度量，使得能量存储器能够在其是完全空的之前被更换，以免应用受损害。
例如，这种装置能够是电池操作的流量计，并且特别地是电池操作的磁感应流量计，参见例如文献DE 102015103580 A1。
在这种情况下，对充电状态的度量例如是能量存储器的充电电压。在其中充电电压在充电电压的测量精度范围内的宽充电状态范围上几乎是恒定的能量存储器中，库仑计数器用于测量消耗的能量，以便实现充电状态的足够测量精度。
然而，测量充电电压或测量消耗的能量本身与某个能量消耗相关联，这导致在具有低能耗的装置的情况下能量存储器的服务寿命的破坏性降低。
此外，由于充电电压的测量误差或已经消耗的能量本身的测量误差而导致的能量存储器的剩余服务寿命的估计受到很大的不确定性的影响。而且，在用于估计剩余服务寿命的库仑计数器的情况下，必须已知能量存储器的初始能量的量，其中由于与生产相关的不确定性，初始能量的量本身仅仅是不精确已知的值。
因此，本发明的目的是提出一种具有可更换的能量存储器的装置，在该装置中至少减少了所提及的缺点。
发明内容
该目的是根据独立权利要求1通过根据本发明的装置来实现的。
根据本发明的装置包括至少一个电负载；
至少一个可更换的电能存储器；
电子测量/操作电路，该电子测量/操作电路用于操作该负载并且用于控制该电子装置的电源管理，
其中，能量存储器具有带有第一初始能量的量的至少一个第一存储单元和带有第二初始能量的量的至少一个第二存储单元，
其中，电子测量/操作电路被配置为用于根据算法来激励第一存储单元或第二存储单元，其中，通过激励第一存储单元或第二存储单元来确保由相应的存储单元向该装置供应能量，
其中，电子测量/操作电路被配置为通过激励第一存储单元或第二存储单元来确保在存储单元的剩余能量的量或消耗能量的量低的情况下，相应的其他存储单元具有第一存储单元的第一初始能量的量和第二存储单元的第二初始能量的量的总能量的量的至少10％，并且特别地是至少20％，并且优选地是至少30％，的剩余能量的量。
通过配置至少两个存储单元，并且根据确保当存储单元的能量的量用尽时至少一个其它存储单元具有总能量的量的至少10％的算法来激励存储单元，能够避免利用通过库仑计数器的充电电压测量或能量消耗测量来易错地测量能量存储器的充电状态。此外，由于避免了充电状态测量的操作，增加了能量存储器的总服务寿命。这在具有低消耗和长运行时间的装置中特别重要。
不限制一般性，根据本发明的装置能够例如是用于工业过程、测量、和自动化技术的现场装置，用于环境测量技术、实验室测量技术、交通监测技术、医疗技术、特别地是植入物、建筑物自动化技术、或通信技术的装置。
特别地，根据本发明的装置具有功率消耗，对于给定的总能量的量，该功率消耗是不具有不小于1个月，特别地是不小于6个月，例如不小于2年的能量存储变化的操作周期。
平均功率消耗为至少0.2mW，特别地是至少2mW，例如至少20mW，和/或至多1W，特别地是至多250mW，例如至多100mW。
在一个实施例中，电子测量/操作电路被设计为一旦存储单元的剩余能量的量是低的或者一旦存储单元的初始能量的量被用尽就输出警告信号，
其中，电子测量/操作电路被设计为在存储单元的低剩余能量的量或用尽能量的量的情况下通过连续地使用相应的其他存储单元来确保向该装置供应能量。
通过输出警告信号并连续地使用具有未被完全用尽的能量的量的存储单元，对于装置的用户有足够的时间来处理能量存储器的更换。
在一个实施例中，能量存储器的类型是来自以下列表的类型：
蓄电池，原电池，
其中，该原电池特别地是碱性原电池并且优选地是锂原电池。
特别地，碱性原电池具有充电状态的很大程度上不相关的充电电压，使得当使用碱性原电池时，不利的库仑计数器被用于监视充电状态。
然而，因为因此确保了装置的稳定操作，所以充电电压与充电状态的实质上不相关对于具有电负载的装置的使用是特别有利的。
在一个实施例中，第一存储单元和第二存储单元各自包括一个或多个相同类型的存储元件。
以这种方式，可以以有利和简单的方式组装能量存储器。此外，在相同类型的存储元件的情况下，能够假设放电行为和初始能量的量是类似的。存储元件可以是例如初始能量的量为X瓦特小时的锂原电池。因此，在具有a个存储元件的第一存储单元和具有b个存储元件的第二存储单元中，能量存储器具有(a+b)*X瓦特小时的初始总能量的量，其中a和b是自然数，并且X是大于零的实数。
a和b小于20，特别地是小于10，并且优选地是小于5。
X大于2Wh，并且特别地是大于5Wh，并且优选地是大于10Wh，和/或小于1,000Wh，并且特别地是小于200Wh，并且优选地是小于30Wh。
在一个实施例中，能量存储器的第一存储单元和第二存储单元在空间上组合以形成存储模块。
这确保了由于相同的条件，存储元件的老化以类似的方式进行。这在装置的操作期间以及在装置的最终制造之前的能量存储器的存储期间是有利的。
在一个实施例中，该算法包括用于激励第一存储单元的至少第一时间段和用于激励第二存储单元的至少第二时间段。以此方式，这些存储单元能够以一种方式被激励，使得当存储单元是完全空的时，该至少一个其他存储单元具有足够大的剩余能量的量以使得能够及时地替换该能量存储器。
在一个实施例中，第一时间段和第二时间段大于100毫秒，特别地是大于1分钟，并且优选地是大于1小时，和/或其中，第一时间段和第二时间段小于3个月，特别地是小于1个月，并且优选地是小于1周。
在一个实施例中，第一时间段和第二时间段大于能量存储器的总体服务寿命的0.001％，并且特别地是大于0.005％，并且优选地是大于0.02％，和/或其中，第一时间段和第二时间段小于总服务寿命的10％，并且特别地是小于5％，并且优选地是小于2％。
能够通过第一时间段或第二时间段的最小持续时间来降低切换的破坏性影响和由于切换而可能的附加能量消耗。
通过第一时间段或第二时间段的最大持续时间，能够避免在第一时间段或第二时间段期满之前完全放空存储单元。
第一时间段或第二时间段不必必须是恒定的，而是可以取决于例如装置的负载状态。因此，在高负载的情况下，第一时间段和第二时间段能够是更短的。
在一个实施例中，第一初始能量的量与第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，
并且其中，对于第一时间段与第二时间段的第二比率V2＝t1/t2，应用V2＝V1*F，其中
F小于1，特别地是小于0.9，并且优选地是小于0.8，
或者F大于1，特别地是大于1.1，并且优选地是大于1.2，
其中，电子测量/操作电路被配置为交替地激励该第一存储单元和该第二存储单元。
这确保了第一存储单元和第二存储单元以一种方式被不对称地激励，使得第一存储单元或第二存储单元首先放空。在F大于1的情况下，第一存储单元首先放空，在F小于1的情况下，第二存储单元首先放空。
在一个实施例中，第一初始能量的量与第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，
其中，电子测量/操作电路被设计为基本上随机地配置第一存储单元和第二存储单元的激励的顺序，
其中，第一存储单元的激励具有平均第一激励时间，并且其中，第二存储单元的激励具有平均第二激励时间，
其中，对于是平均第一激励时间与平均第二激励时间的第三比率V3，应用V3＝V1*F，其中
F小于1，并且特别地是小于0.9，并且优选地是小于0.8，
或者F大于1，并且特别地是大于1.1，并且优选地是大于1.2。
这确保了第一存储单元和第二存储单元以一种方式不对称地激励，使得第一存储单元或第二存储单元首先放空。在F大于1的情况下，第一存储单元首先放空，在F小于1的情况下，第二存储单元首先放空。
在一个实施例中，装置是用于测量和自动化技术的现场装置，其中，至少一个电负载是用于检测至少一个被测变量的传感器，
其中，该装置还包括：
壳体，该壳体具有至少一个壳体腔室，其中，能量存储器和电子测量/操作电路被布置在该壳体腔室中，
其中，该电子测量/操作电路被配置为用于操作传感器并且用于处理由传感器输出并且表示被测变量的测量信号。
例如，根据本发明的现场装置能够用于测量以下参数：流量、料位、极限水平、压力、电导率、pH、温度。
在一个实施例中，该装置是用于根据以下测量原理中的一项来测量测量管中的介质的流速、或体积或质量流量的流量计：
磁感应、热、超声传播时间差、超声多普勒、科里奥利、涡流、压差；
其中，该装置包括用于引导介质的测量管。
在一个实施例中，磁感应流量计包括具有至少一个线圈系统的磁体系统，用于生成基本上垂直于测量管轴的磁场；
至少一个一对测量电极，该至少一个一对测量电极被布置在该测量管中或该测量管上，并且电耦合或电容耦合到介质，其中，该一对测量电极被配置为感测由该磁场在介质中感应的流量相关电压；
其中，磁体系统和测量电极被电耦合至测量/操作电路，
其中，测量/操作电路被配置为操作磁体系统和测量电极，并且评估表示该流量并且由该一对测量电极感测的电压。
在一个实施例中，测量/操作电路被设计为将交替极性的至少两个连续磁场施加到介质，以用于流量测量。
附图说明
现在将参考示例性实施例描述本发明。
图1描绘了具有根据本发明的能量存储器的示意性装置。
图2描绘了根据本发明的能量存储器的示例性实施例的构造。
图3示出了根据本发明的具有根据本发明的能量存储器的磁感应流量计的示意性截面。
图4示出了来自根据本发明的能量存储器的第一存储单元和第二存储单元的激励的根据本发明的示例性时间曲线的细节。
图5描述了能量存储器的剩余能量的量的示例性曲线。
具体实施方式
图1描绘了根据本发明的示例性装置，该示例性装置包括根据本发明的、具有第一存储单元31和第二存储单元32的能量存储器30；具有壳体腔室11的壳体10；具有开关21的电子测量/操作电路20以及电负载或传感器40。能量存储器30和电子测量/操作电路20被布置在壳体的壳体腔室中并且因此被保护免受外部影响。装置的传感器40被布置在壳体外部。在可选实施例中，电负载或传感器还能够被布置在壳体内。电子测量/操作电路20通过电连接连接到传感器40并且连接到能量存储器30或连接到能量存储器的存储单元。
图2描绘了根据本发明的示例性能量存储器30，其具有第一存储单元31和第二存储单元32，所述存储单元在空间上被组合以形成存储模块34。存储单元由存储元件33组成，其中存储元件例如是蓄电池或原电池，其中原电池优选为碱性原电池，并且特别地是锂原电池。存储单元的存储元件33优选为相同类型。一种类型的存储单元具有额定能量的量和额定输出电压。特别地，一种类型进一步是特定制造商的储能产品。并且特别优选地，一种类型进一步是来自制造批次的制造商的储能产品。
存储单元的存储元件33的特征在于由连接线表示的电组合。能够通过存储元件的并联和/或串联互连件来提供电组合。每个存储单元可以经由电连接(经由电子测量/操作电路的开关21)连接到电子测量/操作电路。通过建立存储元件和电子测量/操作电路20之间的连接，能够确保向装置1提供能量。将存储单元空间组合成一个模块具有以下优点：存储元件经受了类似的环境条件，并且因此其老化过程类似地进行。这增加了能量存储器关于充电电压和功率输出的稳定性。
存储单元和存储单元的存储元件33的概略几何布置以及每存储单元的它们的数目是纯粹说明性的，并且不被认为限制本发明的思想。例如，每存储单元的存储元件33的数目可以至少为1且小于10。
在具有新的、未使用的能量存储器的装置的初始启动处，第一存储单元具有第一初始能量的量E1，并且第二存储单元具有第二初始能量的量E2。
在一个实施例中，根据本发明的能量存储器不限于第一存储单元和第二存储单元。能量存储器还能够包括根据第一能量存储单元或第二能量存储单元激励的另外的存储单元。
图3描绘了包括根据本发明的能量存储器30的磁感应流量计的截面，其中该磁感应流量计进一步包括：用于引导介质的测量管12、具有两个线圈系统42的磁体系统、一对测量电极42以及用于操作该磁体系统、测量电极42并且用于激励能量存储器30的电子测量/操作电路20。通过向线圈系统42施加线圈电压，生成基本上垂直于测量管轴的磁场。在流动通过测量管12的介质中，垂直于磁场并垂直于流动的方向感应由测量电极拾取的电压，其中电压取决于介质的流动并且取决于磁场。电子测量/操作电路被设计为基于所测量的电压来计算流量测量值。磁感应流量计的能量存储器能够例如具有总共两个或三个存储元件，其中存储元件的电容例如在50Wh和100Wh之间。
图4示出了来自第一存储单元31和第二存储单元32的激励的时间曲线的截面，其中第一存储单元或第二存储单元的激励的持续时间分别是第一时间段t1和第二时间段t2。图4中示出的时间段的比率是作为示例的；例如，时间段t2还可以大于或等于时间段t1。
在一个实施例中，其中第一初始能量的量与第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，并且其中，对于第一时间段与第二时间段的第二比率V2＝t1/t2，应用V2＝V1*F，其中任一F小于1且特别地是小于0.9且优选地是小于0.8，或者F大于1且特别地是大于1.1且优选地是大于1.2，确保的是第一存储单元和第二存储单元以一种方式不对称地激励，使得第一存储单元或第二存储单元任一首先放空。在F大于1的情况下，第一存储单元首先放空，并且在F小于1的情况下，第二存储单元首先放空。
在另外的实施例中，其中第一初始能量的量与第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，这些存储单元的激励的时间段可以是可变的并且是随机的，其中第一存储单元的激励具有平均第一激励时间，并且其中第二存储单元的激励具有平均第二激励时间，
其中，对于平均第一激励时间与平均第二激励时间的第三比率V3，应用V3＝V1*F，其中
F小于1，并且特别地是小于0.9，并且优选地是小于0.8，
或者F大于1，并且特别地是大于1.1，并且优选地是大于1.2。
这还确保了以一种方式不对称地激励第一存储单元和第二存储单元，使得第一存储单元或第二存储单元首先放空。在F大于1的情况下，首先第一存储单元放空，在F小于1的情况下，第二存储单元首先放空。
图5描绘了根据本发明的装置的能量存储器的充电状态的示意性曲线，其中能量存储器具有第一存储单元和第二存储单元，其中能量存储器具有在其使用的开始处的总能量的量EG，该总能量的量由第一存储单元的第一初始能量的量E1和第二存储单元的第二初始能量的量E2组成，其中EG＝E1+E2。在第一阶段中，第一能量存储器和第二能量存储器被交替地加载，使得第一存储单元的能量的量和第二存储单元的能量的量减小，直到如本示例所示的第一能量存储器被完全放电，并且第二能量存储器具有剩余能量的量ER。然后，该装置专门由第二能量存储器操作。
在根据本发明的一个实施例中，第一初始能量的量E1还可以大于第二初始能量的量E2。在根据本发明的一个实施例中，第二存储单元能够在第一存储单元之前被放电。
在该示例中，应用了E2＝2*E1和EG＝3*E1。此外，第一时间段t1等于第二时间段t2。这些值是为了说明的目的而选择的，并且不被解释为限制本发明的思想。还应当考虑到，描述存储单元的充电状态的曲线在实际操作中由于交替放电和不放电而具有弯折(kink)，这在本示例中被平滑。曲线也不必平行进行直到第一存储单元或第二存储单元被放电。剩余能量的量ER通常不同于第一初始能量的量E1。
附图标记列表
1装置
10壳体
11壳体腔室
12测量管
20电子测量/操作电路
21开关
30能量存储器
31第一存储单元
32第二存储单元
33存储元件
34存储模块
40电负载/传感器
41线圈系统
42测量电极
51磁场
52电压
E1第一初始能量的量
E2第二初始能量的量
EG总能量的量
ER剩余能量的量
t1第一时间段
t2第二时间段

Claims (28)

1.一种电子装置(1)，包括：
至少一个电负载(40)；
至少一个可更换的电能存储器(30)；
电子测量/操作电路，所述电子测量/操作电路用于操作负载并且用于控制电子装置的电源管理，
其中，电能存储器(30)具有带有第一初始能量的量E1的至少一个第一存储单元(31)和带有第二初始能量的量E2的至少一个第二存储单元(32)，
其中，所述电子测量/操作电路(20)被设计为利用开关(21)根据算法来激励所述第一存储单元(31)或所述第二存储单元(32)，其中，通过激励所述第一存储单元或所述第二存储单元来确保由相应的存储单元向所述电子装置供应能量，
其特征在于：
所述电子测量/操作电路(20)被设计为在不测量所述电能存储器的充电状态的情况下通过交替地激励所述第一存储单元和所述第二存储单元来确保在所述第一存储单元或所述第二存储单元的低剩余能量的量或用尽能量的量的情况下，相应的其他存储单元具有所述第一存储单元(31)的所述第一初始能量的量E1和所述第二存储单元(32)的所述第二初始能量的量E2的总能量的量(EG)的至少10％的剩余能量的量(ER)。
2.根据权利要求1所述的电子装置，
其中，所述剩余能量的量(ER)是所述总能量的量(EG)的至少20％。
3.根据权利要求1所述的电子装置，
其中，所述剩余能量的量(ER)是所述总能量的量(EG)的至少30％。
4.根据权利要求1所述的电子装置，
其中，所述电子测量/操作电路(20)被设计为一旦所述第一存储单元或所述第二存储单元的所述剩余能量的量是低的或者一旦所述第一存储单元或所述第二存储单元的所述初始能量的量被用尽就输出警告信号，
其中，所述电子测量/操作电路(20)被设计为在所述第一存储单元或所述第二存储单元的低剩余能量的量或消耗能量的量的情况下通过连续地使用相应的所述其他存储单元来确保向所述电子装置(1)供应能量。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述电能存储器(30)的类型是来自下列的类型：
蓄电池、原电池。
6.根据权利要求5所述的电子装置，
其中，所述原电池是碱性原电池。
7.根据权利要求5所述的电子装置，
其中，所述原电池是锂原电池。
8.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述第一存储单元(31)和所述第二存储单元(32)各自包括一个或多个相同类型的存储元件(33)。
9.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述第一存储单元(31)和所述第二存储单元(32)在空间上组合，以形成存储模块(34)。
10.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述算法包括用于激励所述第一存储单元的至少一个第一时间段(t1)和用于激励所述第二存储单元的至少一个第二时间段(t2)。
11.根据权利要求10所述的电子装置，
其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)大于100毫秒，和/或其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)小于3个月。
12.根据权利要求11所述的电子装置，
其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)大于1分钟。
13.根据权利要求11所述的电子装置，
其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)大于1小时。
14.根据权利要求11所述的电子装置，
其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)小于1个月。
15.根据权利要求11所述的电子装置，
其中，所述第一时间段(t1)和所述第二时间段(t2)小于1周。
16.根据权利要求10所述的电子装置，
其中，所述第一时间段和所述第二时间段大于所述电能存储器的总服务寿命的0.001％，和/或其中，所述第一时间段和所述第二时间段小于总服务寿命的10％。
17.根据权利要求16所述的电子装置，
其中，所述第一时间段和所述第二时间段大于所述总服务寿命的0.005％。
18.根据权利要求16所述的电子装置，
其中，所述第一时间段和所述第二时间段大于所述总服务寿命的0.02％。
19.根据权利要求16所述的电子装置，
其中，所述第一时间段和所述第二时间段小于所述总服务寿命的5％。
20.根据权利要求16所述的电子装置，
其中，所述第一时间段和所述第二时间段小于所述总服务寿命的2％。
21.根据权利要求10所述的电子装置，
其中，所述第一初始能量的量与所述第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，
并且其中，对于所述第一时间段与所述第二时间段的第二比率V2＝t1/t2，应用V2＝V1*F，其中
F小于1，或者F大于1，
其中，所述电子测量/操作电路(20)被设计为交替地激励所述第一存储单元(31)和所述第二存储单元(32)。
22.根据权利要求10所述的电子装置，
其中，所述第一初始能量的量与所述第二初始能量的量的第一比率V1＝E1/E2大于或等于1，
其中，所述电子测量/操作电路被设计为随机地配置所述第一存储单元和所述第二存储单元的激励的顺序，
其中，所述第一存储单元的所述激励具有平均第一激励时间td1，并且其中，所述第二存储单元的所述激励具有平均第二激励时间td2，
其中，对于所述平均第一激励时间td1与所述平均第二激励时间td2的第三比率V3，应用V3＝V1*F，其中
F小于1，或者F大于1。
23.根据权利要求21或22所述的电子装置，
其中，F小于0.9，或者F大于1.1。
24.根据权利要求21或22所述的电子装置，
其中，F小于0.8，或者F大于1.2。
25.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述电子装置(1)是用于测量和自动化技术的现场装置，
其中，所述至少一个电负载(40)是用于检测至少一个被测变量的传感器，
其中，所述电子装置还包括：
壳体(10)，所述壳体具有至少一个壳体腔室(11)，其中，所述电能存储器(30)和所述电子测量/操作电路(20)被布置在所述壳体腔室中，
其中，所述电子测量/操作电路(20)被配置用于操作所述传感器(40)并且用于处理由所述传感器输出的并且表示所述被测变量的测量信号。
26.根据权利要求1至4中的一项所述的电子装置，
其中，所述电子装置(1)是用于根据以下测量原理中的一项来测量测量管(12)中的介质的流速、或体积或质量流量的流量计：
磁感应、热、超声波传播时间差、科里奥利效应 、涡流，
其中，所述电子装置包括用于引导所述介质的所述测量管(12)。
27.根据权利要求26所述的电子装置，
其中，磁感应流量计包括：
磁体系统，所述磁体系统具有至少一个线圈系统(41)，用于生成基本上垂直于测量管轴的磁场(51)；
至少一个一对测量电极(42)，所述至少一个一对测量电极(42)被布置在所述测量管中或所述测量管上，并且电耦合或电容耦合到所述介质，其中，所述一对测量电极被配置为感测由所述磁场在所述介质中感应的流量相关电压(52)；
其中，所述磁体系统和所述测量电极被电耦合至测量/操作电路(20)，
其中，所述测量/操作电路被配置为操作所述磁体系统和所述测量电极并且评估表示所述流量的并且由所述一对测量电极感测的电压。
28.根据权利要求27所述的电子装置，
其中，所述测量/操作电路被配置为将交替极性的至少两个连续磁场施加到所述介质，以用于流量测量。
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