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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Anpassen einer Batteriespannung an eine für einen Verbraucher
vorgesehene Betriebsspannung, wobei insbesondere die in der
Batterie gespeicherte Energie optimal ausnutzbar ist.
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Mehr und mehr werden elektronische Geräte nicht mehr
ortsfest, sondern mobil betrieben, weshalb ihre Energieversorgung
mittels wiederaufladbarer Batterien oder Akkumulatoren
erfolgt. Natürlich will man die elektrischen Geräte möglichst
lange betreiben, ohne die Batterie erneut aufladen zu müssen.
Dies hat zu einer verstärkten Forschungstätigkeit
insbesondere auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien geführt, welche
eine hohe Energiedichte bezogen auf Gewicht und Volumen
aufweisen.
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Ein anderer Gesichtspunkt ist jedoch, das elektrische Gerät
möglichst lange während des Entladevorgangs der Batterie
betreiben zu können. Beispielsweise beim Einsatz von Lithium-
Ionen-Akkumulatoren in tragbaren elektronischen Geräten wie
etwa Mobilfunktelefonen, ergibt sich das Problem, daß der
Spannungsbereich einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle, der
zwischen circa 4,2 V im geladenen Zustand der Zelle und etwa
3 V im entladenen Zustand der Zelle liegt, nicht mit dem
Spannungsbedarf von Hochfrequenz-Leistungs-Endstufen von
Mobiltelefonen, der heute bei circa 3,2 V liegt, übereinstimmt.
Bei all diesen Überlegungen müssen natürlich zusätzliche
Spannungsverluste an Innen- und Zuleitungswiderständen sowie
durch chemische Prozesse miteinbezogen werden.
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Somit ist es nicht möglich, die Ausschöpfung der in einer
Batterie gespeicherten Energie weitgehend zu erreichen. Dies
tritt natürlich auch bei anderen Batterietypen auf, wenn ihr
Spannungsbereich nicht mit dem Spannungsbedarf des jeweiligen
Verbrauchers übereinstimmt.
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Es gibt daher Ansätze, Hochfrequenz-Leistungs-Verstärker zu
entwickeln, die schon bei Spannungen von kleiner als 3 V
arbeiten. Deren Entwicklung wird zwar gegenwärtig
vorangetrieben, ist aber wegen der technischen Schwierigkeiten, die
insbesondere durch die fortschreitende Miniaturisierung
auftreten, sicherlich nicht kurzfristig abgeschlossen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung bereitzustellen, die eine möglichst optimale
Ausschöpfung der in einer Batterie gespeicherten Energie
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst.
Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird die von der Batterie gelieferte Spannung
dazu mittels eines Komparators mit einem Schwellwert
verglichen. Stehen Schwellwert und Batteriespannung in einem
bestimmten Verhältnis zueinander, also unterschreitet
beispielsweise die Batteriespannung einen vorher eingestellten
Schwellwert, so wird mittels eines Schaltelements ein
Spannungskonverter zwischen Batterie und Verbraucher
zwischengeschaltet. Der Spannungskonverter setzt die Batteriespannung
in die jeweils gewünschte Spannung um. Die gewünschte
Spannung kann beispielsweise die zum Betrieb des Verbrauchers
nötige Spannung sein. Die Steuerung des Schaltelements
geschieht über das Ausgangssignal des Schwellwertkomparators.
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Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß zum
einen der Verbraucher mit der jeweils gewünschten Spannung
versorgt werden kann und daß der Spannungskonverter nur im
Bedarfsfall zwischen Batterie und Verbraucher geschaltet
wird, also wenn beispielsweise die Batteriespannung zu
niedrig wäre, um den Verbraucher zu betreiben. Somit werden die
Verluste der Gesamtanordnung - Batterie und
Spannungskonverter - im Gegensatz zum sonst üblichen Dauerbetrieb von
Spannungskonvertern reduziert, da Spannungskonverter einen
typischen Wirkungsgrad von etwa 85 bis 90% aufweisen.
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Insbesondere kann die Vorrichtung verlustarm arbeiten, wenn
der Spannungskonverter in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des
Schwellwertkomparators aktiviert wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß
sich am Ausgang des Spannungskonverters zumindest eine
parallel geschaltete Kapazität befindet. Eine derartige
Schaltungsanordnung weist insbesondere Vorteile auf, wenn die
Leistungsaufnahme des Verbrauchers variiert. So kann dann in
Phasen einer geringen Leistungsaufnahme und bei aktiviertem
Spannungskonverter die Kapazität aufgeladen werden. Bei hoher
Leistungsaufnahme dienen dann Spannungskonverter und
Kapazität als Stromquelle. Auf diese Weise kann auch bei
Verbrauchern mit stark ungleichmäßiger Leistungsaufnahme,
insbesondere Leistungsspitzen, die erforderliche Stromversorgung noch
gewährt werden, wenn die Batterie nicht mehr voll geladen
ist, und beispielsweise die Batteriespannung bereits unter
dem Schwellwert liegt.
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In einer anderen Weiterbildung wird das Schaltelement durch
die Ausgangsgröße des Schwellwertkomparators sowie eine
weitere Größe gesteuert. Diese weitere Größe kann beispielsweise
das Vorliegen eines Zeitabschnittes mit einer im Mittel
erhöhten Leistungsaufnahme anzeigen.
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Dies weist insbesondere Vorteile auf, wenn die Ausgangsgröße
des Schwellwertkomparators und die weitere Größe durch ein
logisches UND-Glied miteinander verknüpft sind. In diesem
Falle wird also beispielsweise eine leitende Verbindung
zwischen Spannungskonverter und Verbraucher nur hergestellt,
wenn Batteriespannung und Schwellwert in einem bestimmten
Verhältnis zueinander stehen und beispielsweise eine auf den
Zeitabschnitt bezogen im Mittel erhöhte Leistungsaufnahme des
Verbrauchers vorliegt.
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Besonders verlustarm arbeitet diese Vorrichtung, wenn in
Abhängigkeit von diesen beiden Größen der Spannungskonverter
überhaupt erst aktiviert wird.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden im übrigen
aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen, teilweise anhand der Figuren, deutlich. Es
zeigen:
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Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Anordnung zum
Anpassen der Batteriespannung an eine erwünschte
Spannung und
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Fig. 2 den schematischen Aufbau einer Anordnung zur
Anpassung der Batteriespannung, welcher insbesondere für
Verbraucher mit stark variierender
Leistungsaufnahme geeignet ist.
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Die Batterie 2 in Fig. 1 stellt dem Verbraucher 4 eine
gewisse Batteriespannung 6 über die Verbindung 8 zur Verfügung.
Mittels eines Schalters 10 wird der Verbraucher 4 entweder an
die Batterie 2 direkt angeschlossen, oder durch Ändern der
Stellung des Schalters 10 über den Spannungskonverter 12. Der
Spannungskonverter 12 besitzt eine Aktivierungseinheit 14,
über die der Spannungskonverter 12 aktiviert werden kann. Die
Aktivierungseinheit 14 wird über das Ausgangssignal 16 eines
Schwellwertkomparators 18 gesteuert. Außerdem steuert das
Ausgangssignal 16 des Schwellwertkomparators 18 den Schalter
10. Am ersten Eingang 20 des Schwellwertkomparators 18 liegt
ein Referenzspannungssignal 22 an. Dieses wird mit der
Batteriespannung 6 verglichen, welche am zweiten Eingang 24 des
Schwellwertkomparators 18 anliegt. Falls beispielsweise der
Wert der Batteriespannung 6 kleiner ist als das
Referenzspannungssignal 22, so liefert der Schwellwertkomparator 18 einen
Wert des Ausgangssignals 16, welcher zum einen den
Spannungskonverter 12 über die Aktivierungseinheit 14 aktiviert, und
zum anderen den Schalter 10 derartig umlegt, daß der
Verbraucher 4 über den Spannungskonverter 12 mit der Batterie 2
verbunden ist. Somit wird gewährleistet, daß die Spannung,
welche der Verbraucher 4 benötigt, zur Verfügung gestellt wird,
auch wenn die Batteriespannung 6 bereits unter diesem Wert
liegt. In diesem Fall wird der Wert des
Referenzspannungssignals so gewählt, daß er der vom Verbraucher benötigten
Spannung in etwa gleich ist.
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Natürlich müssen bei all diesen Überlegungen
Spannungsverluste durch Innen- und Leitungswiderstände sowie durch chemische
Prozesse berücksichtigt werden. Des weiteren wird in einer
konkreten Realisierung der Schaltung berücksichtigt, daß die
Funktion, die Batterie wieder aufzuladen, erhalten bleibt.
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In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der Anordnung gemäß Fig. 1
gezeigt, welche insbesondere für Verbraucher geeignet ist,
die eine stark variierende Leistungsaufnahme aufweisen.
Bauelemente beziehungsweise Bauelementegruppen sowie Spannungen,
die mit denen aus Fig. 1 übereinstimmen, sind daher mit den
selben Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut
betrachtet. Am Ausgang des Spannungskonverters 12 befindet
sich eine parallel geschaltete Kapazität 30. Wird der
Verbraucher 4 nun über den Spannungskonverter 12 mit Spannung
versorgt, das heißt also, daß der Schalter 10 sich in der im
Bild unteren Position befindet, so wird bei Zeiten mit
geringerer Leistungsaufnahme zusätzlich die Kapazität 30
aufgeladen. In Zeiten hoher Leistungsaufnahme des Verbrauchers 4
kann dann der Strom über den Spannungskonverter 12 und
zusätzlich die Kapazität 30 bezogen werden. Natürlich kann sich
auch ein weiteres Baulement zwischen Ausgang des
Spannungskonverters 12 und der Kapazität 30 befinden, etwa je nach
Ausführung des Schalters 10.
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Dadurch muß der Spannungskonverter nicht den gesamten
Laststrom zur Verfügung stellen, wodurch die Anforderungen an den
Spannungskonverter niedriger werden, was sich in den
entsprechenden Kosten niederschlägt. Des weiteren kann bei
elektronischen Geräten, deren Laststrom pulsartig verläuft, wie
beispielsweise bei GSM-Mobiltelefonen, auch bei weit
fortgeschrittener Entladung die Versorgung sichergestellt werden.
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Als Kapazität 30 eignen sich beispielsweise
Elektrolytkondensatoren, als Spannungskonverter beispielsweise sogenannte
Gleichstrom oder DC-DC-Konverter.
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Typische Größen für den Laststrom bei GSM-Mobiltelefonen sind
etwa 0,6 msec Pulsdauer und etwa 4 msec Pause, das heißt eine
Phase einer niedrigeren Leistungsaufnahme. Während des Pulses
kann die Stromstärke 2 A betragen; das stellt dann hohe
Anforderungen an den DC-DC-Wandler. Dies schlägt sich natürlich
in entsprechenden Kosten nieder, weshalb die nach dem
Spannungskonverter befindliche Kapazität, die zusätzlich bei
Leistungsspitzen Strom liefert, auch die Anforderungen an den
Spannungskonverter 12 senken kann.
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Vorzugsweise wird durch ein weiteres Signal 32 angezeigt, ob
sich der Verbraucher in einem Zustand erhöhter
Leistungsaufnahme befindet. Insbesondere ist bei GSM-Mobiltelefonen ein
Signal verfügbar, das die erhöhte Pulsstromaufnahme im
Sendebetrieb, dem sogenannten Talkmode, widerspiegelt.
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Das weitere Signal 32 läuft über eine Diode 36 zu einem
Integratorglied, welches aus dem Integratorwiderstand 38 und
der Integratorkapazität 40 besteht, zu einem UND-Glied 34.
Durch die Verknüpfung über das UND-Glied 34 wird der
Spannungskonverter 12 nur aktiviert, wenn der
Schwellwertkomparator 18 anspricht und das weitere Signal 32 das Vorliegen
einer erhöhten Leistungsaufnahme anzeigt. Das weitere Signal 32
betrage beispielsweise logisch 1, wenn Leistungsspitzen
vorliegen und logisch 0 in Zeiten geringer Leistungsaufnahme.
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Das weitere Signal 32 wird also mittels des
Integratorwiderstands 38 und der Integratorkapazität 40 integriert.
Am Eingang des UND-Gliedes liegt dann beim Vorliegen von
Leistungsspitzen beispielsweise ein positives Signal an, mit
Hilfe dessen sich der Spannungskonverter 12 aktivieren läßt.
Zwischen den Leistungsspitzen treten Pausen auf. Während
dieser Zeit soll die Kapazität 30 aufgeladen werden. Dazu muß
sichergestellt sein, daß auch in diesem Fall ein positives
Signal am Eingang des UND-Gliedes 34 vorliegt.
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Dies geschieht eben durch die Integration des weiteren
Signals 32. In den Pausen zwischen Leistungsspitzen wird
natürlich die Integratorkapazität 40 nicht weiter aufgeladen.
Damit sie sich nicht ungewünscht entlädt, ist eine Diode 36
zwischen die Quelle des weiteren Signals 32 und das
Integratorglied, bestehend aus Integratorwiderstand 38 und
Integratorkapazität 40, geschaltet.
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Andererseits muß sich die Integratorkapazität 40 in längeren
Sendepausen entladen, damit der Spannungskonverter nicht
unnötigerweise aktiviert ist. Dies geschieht über den
Entladewiderstand 42, der parallel zur Integratorkapazität 40
geschaltet ist. Er ist so dimensioniert, daß die Haltezeit der
Integratorkapazität 40 bezüglich des Entladewiderstands 42
beispielsweise im GSM-System etwa 10 TDMA (time division
multiple access) Zeitrahmen beträgt, also etwa 46 msec.
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Dadurch ist nun einerseits gewährleistet, daß sich die
Kapazität 30 während kurzer Sendepausen zwischen den
Leistungsspitzen auflädt, andererseits der Spannungskonverter 12 bei
längeren Sendepausen nicht aktiviert ist.
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Natürlich dient dieses Beispiel aus dem GSM-System nur zur
Verdeutlichung und soll auf keine Weise beschränkend wirken.
Durch entsprechende Dimensionierung beispielsweise der
Widerstände und Kapazitäten lassen sich die Schaltungen gemäß der
Fig. 1 und 2 an beliebige Verbraucher anpassen.
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Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Vielzahl weiterer
Ausgestaltungen, die hier nicht beschrieben sind.
Insbesondere kann es sich natürlich um beliebige Batterien handeln, und
nicht nur um wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Weitere Ausgestaltungen können aber vom Fachmann anhand der
beschriebenen Ausführungsbeispiele leicht und einfach in die
Praxis umgesetzt werden.
Bezugszeichenliste
2 Batterie
4 Verbraucher
6 Batteriespannung
8 Verbindung
10 Schalter
12 Spannungskonverter
14 Aktivierungseinheit
16 Ausgangssignal des Schwellwertkomparators
18 Schwellwertkomparator
20 erster Eingang des Schwellwertkomparators
22 Referenzspannungssignal
24 zweiter Eingang des Schwellwertkomparators
30 Kapazität
32 weiteres Signal
34 UND-Glied
36 Diode
38 Integratorwiderstand
40 Integratorkapazität
42 Entladewiderstand