Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angesprochenen Probleme
zumindest hinsichtlich deren unerwünschten Auswirkungen zu mildern.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass
die eingangs angesprochene elektrische Energiespeichereinheit eine
in die Energiespeichereinheit integrierte elektronische Spannungsgeneratorschaltung
umfasst, die derart zwischen wenigstens einen Kontakt von Plus-Kontakt
und Minus-Kontakt einerseits und die Energiespeicherzellenanordnung
andererseits elektrisch geschaltet und ausgelegt ist, dass die Spannungsgeneratorschaltung
auf Grundlage einer von der Energiespeicherzellenanordnung bereitgestellten
internen Versorgungsspannung eine von Verbraucher benötigte, gegenüber der
internen Versorgungsspannung in Bezug auf den Verbraucher konditionierte
Versorgungsspannung an der Kontaktanordnung oder an zugeordneten
Kontakten des angeschlossenen Verbrauchers bereitstellt.
Auf
Grundlage des Erfindungsvorschlags können die angesprochenen Probleme
zumindest gemildert werden, indem durch die erfindungsgemäße Spannungsgeneratorschaltung
die zwischen dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt auftretende Spannung
so weit als möglich
auf einem Niveau gehalten wird, das fehlerhafte Ladezustandsqualifizierungen
durch eine Ladezustandsüberwachung
auf Seiten des elektrischen Verbrauchers vermeidet. Es wird in diesem
Zusammenhang insbesondere daran gedacht, dass die von der Spannungsgeneratorschaltung
bereitgestellte Versorgungsspannung gegenüber der internen Versorgungsspannung
auf ein vom Verbraucher benötigtes
Spannungsniveau reduziert oder/und auf einem vom Verbraucher benötigten Spannungsniveau
stabilisiert ist.
Die
elektronische Spannungsgeneratorschaltung kann vorteilhaft wenigstens
eine elektronische Spannungsregelschaltung umfassen. Die elektronische
Spannungsregelschaltung kann derart zwischen wenigstens einem Kontakt
von Plus-Kontakt und Minus-Kontakt einerseits und die Energiespeicherzellenanordnung
andererseits elektrisch geschaltet und ausgelegt sein, dass durch
die Spannungsregelschaltung auf Grundlage einer vorgegebenen oder
vorgebbaren Sollspannung und einer rückgekoppelten Istspannung eine
zwischen dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt auftretende Spannung
einstellbar ist, indem die Istspannung zumindest näherungsweise
auf der Sollspannung gehalten oder dieser zumindest angenähert wird.
Insbesondere
die Weiterbildung mit der Spannungsregelung ist besonders gut geeignet,
die Probleme des Standes der Technik zumindest zu mildern. So lässt sich
eine deutliche Verbesserung alleine schon dadurch erreichen, dass
die Spannungsregelschaltung derart mit dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt
verschaltet ist, dass die zwischen diesen auftretende Spannung oder
eine dieser im Wesentlichen entsprechende Spannung als Ist-Spannung
zur Spannungsregelschaltung zurückgekoppelt wird,
also die zwischen dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt auftretende
Spannung durch die Spannungsregelschaltung geregelt wird. Man kann so
erreichen, dass diese Spannung so lange wie angesichts der Auslegung
der Energiespeicherzellenanordnung möglich auf einem Spannungsniveau
gehalten wird, das einer vollständig
geladenen bzw. im Wesentlichen noch nicht entladenen Energiespeichereinheit
entspricht.
Im
Falle einer derartigen Spannungsregelung werden Kontaktübergangswiderstände zwischen
den energiespeichereinheitseitigen Kontakten und den verbraucherseitigen
Kontakten aber immer noch eine Rolle spielen und ggf. zu fehlerhaften
Ladezustandsqualifizierungen durch die verbraucherseitige Ladezustandsüberwachung
führen,
insbesondere wenn größere Ströme fließen. Um
den Einfluss derartiger Kontaktübergangswiderstände weiter
zu vermindern oder auszuschalten, kommt es in Betracht, nicht die
zwischen dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt der Energiespeichereinheit auftretende
Spannung als Ist-Spannung zurückzukoppeln, sondern
eine andere Spannung, die die von der verbraucherseitigen Ladezustandsüberwachung
gesehene Spannung besser widerspiegelt oder dieser sogar entspricht.
Auf diese Weise kann die Spannungsregelschaltung den je nach Laststrom
auftretenden Spannungsabfall an den Kontaktübergangwiderständen teilweise
oder sogar vollständig
herausregeln.
Die
Erfindung stellt nach dem ersten Aspekt insbesondere auch bereit
eine elektrische Energiespeichereinheit, umfassend: wenigstens eine
im Gehäuse
angeordnete Energiespeicherzellenanordnung, umfassend wenigstens
eine elektrochemische oder elektrophysikalische Energiespeicherzelle;
und eine für
den Anschluss eines elektrischen Verbrauchers zugängliche
elektrische Kontaktanordnung, umfassend wenigstens einen elektrischen
Plus-Kontakt und wenigstens einen elektrischen Minus-Kontakt, zwischen
die die Energiespeicherzellenanordnung elektrisch geschaltet ist
und über
die die Energiespeicherzellenanordnung unter Versorgung eines angeschlossenen
elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie entladbar ist.
Erfindungsgemäß weist
die Energiespeichereinheit eine in die Energiespeichereinheit integrierte
Spannungsregelschaltung auf, die derart zwischen wenigstens ein
Kontakt von Plus-Kontakt und Minus-Kontakt einerseits und die Energiespeicherzellenanordnung
andererseits elektrisch geschaltet und ausgelegt ist, dass durch
die Spannungsregelschaltung auf Grundlage einer vorgegebenen oder
vorgebbaren Sollspannung und einer rückgekoppelten Istspannung eine
zwischen dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt auftretende Spannung
einstellbar ist, indem die Istspannung zumindest näherungsweise
auf der Sollspannung gehalten oder dieser zumindest angenähert wird.
In der Regel wird zumindest die Sollspannung, ggf. auch die zwischen
dem Plus-Kontakt und dem Minus-Kontakt auftretende Spannung, kleiner
als eine von der Energiespeicherzellenanordnung, ggf. der Gruppe von
Energiespeicherzellen, bereitgestellte interne Versorgungsspannung
der Energiespeichereinheit sein.
Es
ergeben sich die schon mit der erstgenannten, etwas allgemeineren
Formulierung des Erfindungsvorschlags nach dem ersten Aspekt angesprochenen
Vorteile.
Die
in die Energiespeichereinheit integrierte Spannungsregelschaltung
kann analog-elektronisch oder digital-elektronisch oder analog-
und digital-elektronisch
aufgeführt
sein.
Es
sollen im Folgenden einige Begriffe von grundsätzlicher Bedeutung geklärt werden.
Die Nennspannung einer Energiespeicherzelle, beispielsweise einer
Akku-Zelle, bezeichnet die mittlere Höhe der Entladespannung der
Zelle bei geringer Belastung und wird somit in der Regel als Richtwert
für die
Dimensionierung von Batterien und Akkus verwendet. Ihre nominale
Festlegung ist zum Teil Konventionssache. So beträgt laut
der europäischen Norm
EN 60285 die Nennspannung einer Nickel-Cadmium(NiCd)-Zelle 1,2 Volt.
Ein Gerät,
das beispielsweise eine Versorgungsspannung von 12 Volt benötigt, müsste somit
aus einem 10-zelligen NiCd-Akku
gespeist werden, in dem die 10 Zellen in Reihe geschaltet sind.
Dieser zehnzellige NiCd-Akku bzw. eine zehn NiCd-Zellen aufweisende
Energiespeicherzellenanordnung hat dann insgesamt eine Nennspannung
von 12 Volt bzw. – zur
Unterscheidung von der Nennspannung der einzelnen Zellen gemäß der Nomenklatur
hier – eine
resultierende Nennspannung von 12 Volt. Eine frisch/vollständig geladene
NiCd-Akkuzelle gibt sogar eine die Nennspannung deutlich übersteigende Spannung
von typischerweise etwa 1,3 bis etwa 1,4 oder sogar noch größerer ab,
und erst im Zuge der Entladung stellt sich die dann über einen
längeren
Zeitraum gehaltene Nennspannung ein.
Die
Ruhespannung bezeichnet jene Spannung, die zwischen den Klemmen
des Akkus bzw. der Batterie bzw. einer einzelnen Zelle gemessen werden
kann, wenn kein Strom fließt.
Ihre Höhe hängt unter
anderem vom Ladezustand und ggf. auch noch anderen Faktoren, etwa
der Temperatur, ab. Beim Entladen sinkt die an den Akkuklemmen bzw.
Batterieklemmen bzw. Zellenklemmen gemessene Spannung (Klemmenspannung)
mehr oder minder stark unter dem Wert der Ruhespannung ab, was mit
dem Innenwiderstand der Energiespeichereinheit bzw. der Energiespeicherzellenanordnung bzw.
der einzelnen Zelle zusammenhängt.
Diese beim Entladen, also während
der Entnahme von Energie aus der Batterie auftretende Klemmenspannung
ist die so genannte Entladespannung (auch als Lastspannung bezeichnet).
Von
Bedeutung ist ferner die so genannte Entladeschlussspannung, die
dem Minimum der Entladespannung entspricht, bei dem eine Batterie,
ein Akku bzw. eine Energiespeicherzelle als entladen zu betrachten
ist. Weitere Entladung kann im Falle von Akkus zu Beschädigungen
der Akkuzellen führen. Demgegenüber verallgemeinert
kann man im Hinblick auf eine ordnungsgemäße Versorgung eines elektrischen
Verbrauchers mit elektrischer Energie mittels einer Batterie oder
eines Akkus auch jenes Minimum der Entladespannung als Entladeschlussspannung
definieren, bei der die von der Batterie bzw. dem Akku bereitgestellte
Versorgungsspannung gerade noch oder gerade nicht mehr ausreicht,
den Verbraucher (das elektrische Gerät) ordnungsgemäß mit elektrischer
Energie zu versorgen, um definierte Betriebs- und Bedienzustände des
Verbrauchers (Geräts)
zu gewährleisten.
Im Falle von Akkus bietet es sich an, die niedrigere dieser beiden „Entladeschlussspannungen" als maßgebliche
Entladeschlussspannungen zu definieren. Die im Folgenden verwendete
Terminologie folgt diesem nicht unbedingt der üblichen Fachterminologie entsprechenden Ansatz.
Bei
manchen Akkus bzw. Akkuzellen spielt im Zusammenhang mit dem Laden
bzw. Wiederaufladen ferner eine so genannte Ladeschlussspannung eine
Rolle, etwa bei Blei- und Lithium-Akkus. Als Ladeschlussspannung
kann jene Spannung definiert werden, bei deren Erreichung die Ladung
beendet werden muss, um Beschädigungen
des Akkus bzw. der Akkuzelle zu vermeiden. Manche Ladetechniken basieren
hinsichtlich der Beendigung des Ladens auf der Erfassung der Ladeschlussspannung.
Im Falle von in Reihe geschalteten Akkuzellen kann für die Zellenreihe
bzw. den die Zellenreihe aufweisenden Akku eine Gesamt-Ladeschlussspannung
bzw. resultierende Ladeschlussspannung definiert werden, die der
Summe der einzelnen Ladeschlussspannungen der Zellen entspricht.
Es
macht Sinn, jeweils diese Spannungen einerseits auf die einzelne
Zelle und andererseits auf die die Zellen aufweisende Energiespeicheranordnung
bzw. die übergeordnete
Energiespeichereinheit (den Akku bzw. die Batterie) zu beziehen,
wobei in Bezug auf eine eine Gruppe von Energiespeicherzellen aufweisende
Energiespeichereinheit zweckmäßig von
einer „resultierenden" Spannung gesprochen werden
kann, zur Unterscheidung von der sich auf die einzelne Energiespeicherzelle
beziehenden Spannung (ohne den Begriffsteil „resultierend"). Diese nicht unbedingt
völlig
der üblichen
Fachterminologie entsprechende Terminologie wird im Folgenden verwendet
im Zusammenhang mit der in Betracht zu ziehenden Möglichkeit,
dass die Energiespeicherzellenanordnung mehrere die angesprochene
Gruppe bildende Energiespeicherzellen aufweist.
Im
zuletzt angesprochenen Fall bilden bevorzugt gleichartige elektrochemische
oder elektrophysikalische Energiespeicherzellen, denen jeweils die gleiche
Nennspannung und die gleiche Entladeschlussspannung zuzuordnen ist,
die Gruppe, so dass der der Gruppe als resultierende Nennspannung
(RNU) die Spannung RNU = Z × NU
und als resultierende Entladeschlussspannung (RUE) die Spannung
RUE = Z × UE
zuzuordnen ist, wobei Z die Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten
Energiespeicherzellen oder Untergruppen von Energiespeicherzellen
ist, und x für
den Multiplikationsoperator steht. Die Energiespeicherzellen oder
Untergruppen von Energiespeicherzellen sind vorzugsweise gleichmäßig entladbar,
so dass diesen in Abhängigkeit
von ihrem momentanen Ladezustand in der Regel jeweils die gleiche
Ruhespannung (UO) zuzuordnen ist und der Gruppe als resultierende
Ruhespannung (RUO) die Spannung RUO = Z × UO zuzuordnen ist. Sind die
Energiespeicherzellen oder Untergruppen von Energiespeicherzellen
gleichmäßig entladbar,
so ist ihnen in Abhängigkeit
von ihrem momentanen Ladezustand und ggf. in Abhängigkeit von einem fließenden Laststrom
in der Regel jeweils die gleiche Entladespannung (Ulast) zuzuordnen
und der Gruppe ist als resultierende Entladespannung (RUlast) die Spannung
RUlast = Z × Ulast
zuzuordnen.
Es
wurde schon die durchaus zweckmäßige Möglichkeit
angesprochen, dass die Spannungsregelschaltung derart mit dem Plus-Kontakt
und dem Minus-Kontakt verschaltet ist, dass die zwischen diesen
auftretende Spannung oder eine dieser im wesentlichen entsprechende
Spannung als Istspannung zur Spannungsregelschaltung zurückkoppelbar
ist. Alternativ oder zusätzlich
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Spannungsregelschaltung
derart mit wenigstens einem weiteren Kontakt der Kontaktanordnung,
vorzugsweise mit wenigstens einem Plus-Rückkoppelkontakt
und mit wenigstens einem Minus-Rückkoppelkontakt
der Kontaktanordnung, verschaltet ist, dass vermittels dieses Kontakts
bzw. dieser Kontakte eine gegenüber
der Energiespeichereinheit externe Spannung als Istspannung zur
Spannungsregelschaltung zurückkoppelbar
ist. Insbesondere die oben schon angesprochene Rückkopplung einer gegenüber der
Energiespeichereinheit externen Spannung als Istspannung, etwa der
Rückkopplung
einer Spannung aus dem angeschlossenen Verbraucher, kann fehlerhafte
Ladezustandsqualifizierungen in Folge überhöhter Kontaktübergangswiderstände zuverlässig vermeiden.
Vorzugsweise
weist die elektrische Energiespeichereinheit eine in die Energiespeichereinheit
integrierte elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung auf, die
mit der Spannungsregelschaltung verschaltet und dafür ausgeführt ist,
die Sollspannung der Spannungsregelschaltung vorzugeben. Hierzu
wird weiterbildend vorgeschlagen, dass die elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung
dafür ausgeführt ist,
in wenigstens einem ersten Betriebszustand eine erste Sollspannung
vorzugeben, die kleiner als die Nennspannung (NU) der Energiespeicherzellenanordnung,
ggf. die resultierende Nennspannung (RNU) der Gruppe von Energiespeicherzellen,
ist, vorzugsweise um ein vorgegebenes erstes Spannungsintervall
(UDa), welches im Falle der Gruppe höchstvorzugsweise der Nennspannung (NU)
einer einzelnen Energiespeicherzelle im Wesentlichen entspricht.
In der Regel wird die erste Sollspannung kleiner als die Ruhespannung
(UO) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende Ruhespannung
(RUO) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren momentanen Entladezustand
sein bzw. wird die erste Sollspannung kleiner als Entladespannung
(Ulast) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende
Entladespannung (RUlast) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren
momentanen Entladezustand und ggf. einen momentan fließenden Ladestrom
sein.
Betreffend
die erste Sollspannung wird vor allem daran gedacht, dass diese
einer nominellen Nennspannung (NNU) der elektrischen Energiespeichereinheit
entspricht, auf deren Grundlage der elektrische Verbraucher mit
elektrischer Energie versorgt wird. Aus Sicht des elektrischen Verbrauchers
ist die elektrische Energiespeichereinheit vollständig oder noch
hinreichend geladen, wenn der elektrische Verbraucher auf einem
der ersten Sollspannung entsprechenden Spannungsniveau mit elektrischer
Energie versorgt wird.
Vorteilhaft
kann die elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung dafür ausgeführt sein,
in wenigstens einem zweiten Betriebszustand eine zweite Sollspannung
vorzugeben, die kleiner als die erste Sollspannung ist, vorzugsweise
um eine vorgegebene erste Spannungsdifferenz (Udiff1). Es wird daran
gedacht, dass die zweite Sollspannung größer als eine nominelle Entladeschlussspannung
(NUE) der Energiespeichereinheit ist, vorzugsweise um eine vorgegebene
zweite Spannungsdifferenz (Udiff2), wobei die nominelle Entladeschlussspannung
(NUE) kleiner als eine tatsächliche
Entladeschlussspannung (UE) der Energiespeicherzellenanordnung,
ggf. die resultierende Entladeschlussspannung (RUE) der Gruppe von
Energiespeicherzellen, ist, vorzugsweise um ein vorgegebenes zweites Spannungsintervall
(Udb), welches im Falle der Gruppe gewünschtenfalls der Entladeschlusspannung
(NU) einer einzelnen Energiespeicherzelle im Wesentlichen entspricht.
In
der Regel wird die zweite Sollspannung kleiner als die Ruhespannung
(UO) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende Ruhespannung
(RUO) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren momentanen Entladezustand
sein bzw. wird die zweite Sollspannung kleiner als die Entladespannung
(Ulast) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende
Entladespannung (RUlast) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren
momentanen Entladezustand und ggf. einen momentan fließenden Laststrom
sein.
Betreffend
die zweite Sollspannung wird vor allem daran gedacht, dass diese
eine gegenüber
der nominellen Nennspannung (NNU) der Energiespeichereinheit reduzierte
Spannung ist, die von Seiten des elektrischen Verbrauchers bzw.
einer darin enthaltenen Ladezustandsüberwachungseinrichtung als Indiz
für eine
schon weitgehende Entladung der Energiespeichereinheit erfasst wird,
um beispielsweise eine akustische oder/und optische Warnung auszugeben,
dass die Energiespeichereinheit in Kürze gewechselt oder wieder
aufgeladen werden muss. Eine gewisse weitere Entladung bzw. Energieversorgung des
Verbrauchers ist aber noch möglich,
ohne etwa im Falle einer Akkuzelle bzw. von Akkuzellen eine schädliche Tiefstentladung befürchten zu
müssen bzw.
ohne dass undefinierte Zustände
des Verbrauchers auftreten.
Man
kann vorsehen, dass die elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung
dafür ausgeführt ist,
in wenigstens einem dritten Betriebszustand eine dritte Sollspannung
vorzugeben, die kleiner als die zweite Sollspannung ist, vorzugsweise
um eine vorgegebene dritte Spannungsdifferenz (Udiff3). Höchstvorzugsweise
entspricht die dritte Sollspannung der nominellen Entladeschlussspannung
(NUE) der Energiespeichereinheit im Wesentlichen oder ist geringfügig größer als
diese. Betreffend die dritte Sollspannung wird vor allem daran gedacht,
dass diese von Seiten des elektrischen Verbrauchers bzw. einer darin
enthaltenen Ladezustandsüberwachungseinrichtung
als Indiz für
eine schon vollständige
Entladung der Energiespeichereinheit erfasst wird, um zum sofortigen
Auswechseln bzw. Wiederaufladen der Energiespeichereinheit aufzufordern und
ggf. den Verbraucher abzuschalten, um im Falle einer Akkuzelle bzw.
von Akkuzellen eine schädliche Tiefstentladung
zu verhindern oder/und um undefinierte Zustände des Verbrauchers zu vermeiden.
In
der Regel wird die dritte Sollspannung kleiner als die Ruhespannung
(UO) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende Ruhespannung
(RUO) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren momentanen Entladezustand
sein oder/und wird die dritte Sollspannung kleiner als die Entladespannung
(Ulast) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende
Entladespannung (RUlast) der Gruppe von Energiespeicherzellen für deren
momentanen Entladezustand und ggf. einen momentan fließenden Laststrom
sein. Die dritte Sollspannung kann kleiner als die Entladeschlussspannung
(UE) der Energiespeicherzellenanordnung bzw. die resultierende Entladeschlussspannung
(RUE) der Gruppe von Energiespeicherzellen sein.
Alternativ
oder zusätzlich
zur Ausführung
der elektronischen Sollspannungsvorgabeeinrichtung für die Vorgabe
der dritten Sollspannung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass
eine in die Energiespeichereinheit integrierte elektronische Abschalteinrichtung vorgesehen
ist, die dafür
ausgeführt
ist, in einem Unterbrechungszustand wenigstens eine elektrische Verbindung
zwischen der Energiespeicherzellenanordnung und der Kontaktanordnung
zu unterbrechen und in einem Leitungszustand diese Verbindung zu schließen bzw.
nicht zu unterbrechen. Es kann so beispielsweise eine schädliche Tiefentladung
der Energiespeicherzellenanordnung zuverlässig vermieden werden, indem
die Unterbrechungseinrichtung nach weitgehender oder vollständiger Entladung
der Energiespeicherzellenanordnung eine weitere Entladung durch
Unterbrechung der Verbindung zu der Kontaktanordnung, insbesondere
zum Plus-Kontakt oder/und Minus-Kontakt, unterbindet.
Eine
besonders zweckmäßiger Ausgestaltung
der elektrischen Energiespeichereinheit zeichnet sich dadurch aus,
dass diese eine in die Energiespeichereinheit integrierte, mit der
elektronischen Spannungsvorgabeeinrichtung sowie – wenn vorgesehen – ggf. mit
der elektronischen Abschalteinrichtung verschaltete elektronische
Ladezustandsüberwachungseinrichtung
aufweist, die den momentanen Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung überwacht
und in Abhängigkeit
vom momentanen Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung die
Sollspannungsvorgabeeinrichtung zwischen mehreren Betriebszuständen umschaltet,
in denen sie verschiedene Sollspannungen an die Spannungsregelschaltung
vorgibt. Hierzu wird weiterbildend vorgeschlagen, dass die Ladezustandsüberwachungseinrichtung
die Sollspannungsvorgabeeinrichtung in Abhängigkeit vom momentanen Ladezustand
der Energiespeicherzellenanordnung zwischen dem ersten und dem zweiten
Betriebszustand bzw. zwischen dem ersten, zweiten und dritten Betriebszustand
umschaltet. Ist die elektronische Abschalteinrichtung vorgesehen,
so wird ferner weiterbildend vorgeschlagen, dass die Ladezustandsüberwachungseinrichtung
die Abschalteinrichtung in Abhängigkeit
vom momentanen Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung zwischen
dem Leitungszustand und dem Unterbrechungszustand umschaltet.
Weiterbildend
wird vorgeschlagen, dass die Ladezustandüberwachungseinrichtung dafür ausgeführt ist,
das Vorliegen oder Nichtvorliegen wenigstens eines ersten Ladezustands
der Gruppe von Energiespeicherzellenanordnung zu bestimmen, und
in dem Falle, dass der erste Ladezustand vorliegt, die Sollspannungsvorgabeeinrichtung
derart anzusteuern, dass diese die erste Sollspannung an die Spannungsregelschaltung
vorgibt, bzw. die Spannungsgeneratorschaltung derart anzusteuern,
dass diese eine erste Versorgungsspannung bereitstellt. Der erste
Ladezustand kann ein Ladezustand der Eergiespeicherzellenanordnung
sein, in der diese hinreichend geladen ist. Konkreter wird daran
gedacht, dass der erste Ladezustand ein Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung
ist, in dem die Ruhespannung (UO) (ggf. die resultierende Ruhespannung
(RUO)), oder/und die Entladespannung (Ulast) (ggf. die resultierende
Entladespannung (RUlast)) der Energiespeicherzellenanordnung um
mindestens eine vorgegebene erste Differenzspannung (DU1) größer als
die Entladeschlussspannung (UE) (ggf. die resultierende Entladeschlussspannung
(RUE)) der Energiespeicherzellenanordnung ist. Ferner wird im Falle
einer Gruppe von Energiespeicherzellen daran gedacht, dass der erste
Ladezustand ein Ladezustand der Gruppe von Energiespeicherzellen
ist, in dem die Ruhespannung (UO) der einzelnen Energiespeicherzellen
oder/und in dem die Entladespannungen (Ulast) der einzelnen Energiespeicherzellen
jeweils um mindestens einen vorgegebenen ersten Spannungsabstand
(UA1) größer als
die Entladeschlussspannung (UE) der jeweiligen Energiespeicherzelle
sind. Im Falle von Z gleichartigen, gleichmäßig entladbaren und in Reihe
geschalteten Energiespeicherzellen kann die erste Differenzspannung (DU1)
das Z-fache des ersten Spannungsabstands (UA1) sein.
Weiterbildend
wird vorgeschlagen, dass die Ladezustandüberwachungseinrichtung dafür ausgeführt ist,
das Vorliegen oder Nichtvorliegen wenigstens eines zweiten Ladezustands
der Gruppe von Energiespeicherzellen zu bestimmen, und in dem Falle,
dass der zweite Ladezustand vorliegt, die Sollspannungsvorgabeeinrichtung
derart anzusteuern, dass diese die zweite Sollspannung an die Spannungsregelschaltung
vorgibt, bzw. die Spannungsgeneratorschaltung derart anzusteuern,
dass diese eine gegenüber
der ersten Versorgungsspannung kleinere zweite Versorgungsspannung
bereitstellt. Der zweite Ladezustand kann ein Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung
sein, in der diese weitgehend entladen ist, aber bezogen auf einen
zugrunde gelegten Entladestrom ohne Gefahr einer schädlichen
Tiefentladung noch für
eine gewisse Zeit weiter entladen werden kann. Der zweite Ladezustand
kann auch einfach nur ein Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung,
ggf. der Gruppe von Energiespeicherzellen, sein, in dem die vollständige Entladung
kurz bevorsteht, so dass die Energiespeichereinheit auszuwechseln
oder wieder aufzuladen ist, um eine ununterbrochene Energieversorgung
des Verbrauchers zu ermöglichen.
Konkreter wird daran gedacht, dass der zweite Ladezustand ein Ladezustand
der Energiespeicherzellenanordnung ist, in dem die Ruhespannung
(UO) (ggf. die resultierende Ruhespannung (RUO)) oder/und in dem
die Entladespannung (Ulast) (ggf. die resultierende Entladespannung
(RUlast)) der Energiespeicherzellenanordnung eine vorgegebene erste
Spannungsschwelle unterschreitet, die um die erste Differenzspannung (DU1)
größer als
die Entladespannung (UE) (ggf. die resultierende Entladeschlussspannung
(RUE)) der Energiespeicherzellenanordnung ist. Ferner wird im Falle
einer Gruppe von Energiespeicherzellen daran gedacht, dass der zweite
Ladezustand ein Ladezustand der Gruppe von Energiespeicherzellen
ist, in dem die Ruhespannungen (UO) der einzelnen Energiespeicherzellen
oder/und in dem die Entladespannungen (Ulast) der einzelnen Energiespeicherzellen jeweils
ein vorgegebenes erstes Spannungsniveau unterschreiten, das um den
ersten Spannungsabstand (UA1) größer als
die Entladeschlussspannung (UE) der jeweiligen Energiespeicherzelle
ist.
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Ladezustandüberwachungseinrichtung dafür ausgeführt ist,
das Vorliegen oder Nichtvorliegen wenigstens eines dritten Ladezustands
der Gruppe von Energiespeicherzellen zu bestimmen, und in dem Falle,
dass der dritte Ladezustand vorliegt, die Sollspannungsvorgabeeinrichtung
derart anzusteuern, dass diese die dritte Sollspannung an die Spannungsregelschaltung
vorgibt, bzw. die Spannungsgeneratorschaltung derart anzusteuern,
dass diese eine gegenüber
der zweiten Versorgungsspannung kleinere dritte Versorgungsspannung
bereitstellt, oder – wenn
vorgesehen – die
Abschalteinrichtung derart anzusteuern, dass diese die elektrische
Verbindung zwischen der Energiespeicherzellenanordnung und der Kontaktanordnung
unterbricht. Der dritte Ladezustand kann ein Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung sein,
in der diese vollständig
oder fast vollständig
entladen ist, so dass die Energiespeicherzellenanordnung zur Vermeidung
einer schädlichen
Tiefentladung nicht noch weiter entladen werden sollte. Konkret
wird daran gedacht, dass der dritte Ladezustand ein Ladezustand
der Gruppe von Energiespeicherzellen ist, in dem die Ruhespannung
(UO) (ggf. die resultierende Ruhespannung (RUO)) oder/und die Entladespannung
(Ulast) (ggf. die resultierende Entladespannung (RUlast)) der Energiespeicherzellenanordnung
eine gegenüber
der ersten Spannungsschwelle niedrigere zweite Spannungsschwelle
erreicht oder unterschreitet, die vorzugsweise der Entladesschlussspannung
(UE) (ggf. der resultierenden Entladeschlussspannung (RUE)) der
Energiespeicherzellenanordnung im Wesentlichen entspricht oder geringfügig größer als
diese ist. Ferner wird im Falle einer Gruppe von Energiespeicherzellen
daran gedacht, dass der dritte Ladezustand ein Ladezustand der Gruppe
von Energiespeicherzellen ist, in dem die Ruhespannungen (UO) der
einzelnen Energiespeicherzellen oder/und in dem die Entladespannungen
(Ulast) der einzelnen Energiespeicherzellen ein gegenüber dem
ersten Spannungsniveau niedrigeres zweites Spannungsniveau erreichen
oder unterschreiten, das vorzugsweise der Entladeschlussspannung
(UE) einer einzelnen Energiespeicherzelle im Wesentlichen entspricht
oder geringfügig
größer als
diese ist.
Wird
im Falle des dritten Ladezustands die Sollspannungsvorgabeeinrichtung
dafür angesteuert,
die dritte Sollspannung an die Spannungsregelschaltung vorzugeben,
bzw. wird die Spannungsgeneratorschaltung dafür angesteuert, die dritte Versorgungsspannung
bereitzustellen, so kann, wenn die Abschalteinrichtung vorgesehen
ist, die Ladezustandsüberwachungseinrichtung
zweckmäßig ferner dafür ausgeführt sein,
das Vorliegen oder Nichtvorliegen wenigstens eines vierten Ladezustands
der Energiespeicherzellenanordnung zu bestimmen, und in dem Falle,
dass der vierte Ladezustand vorliegt, die Abschalteinrichtung derart
anzusteuern, dass diese die elektrische Verbindung zwischen der
Energiespeicherzellenanordnung und der Kontaktanordnung unterbricht.
Der vierte Ladezustand kann ein Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung
sein, in dem diese schon so vollständig entladen ist, dass zur Vermeidung
einer schädlichen
Tiefstentladung die Energiespeicherzellenanordnung keinesfalls noch weiter
entladen werden darf. Die elektronische Ladezustandsüberwachungseinrichtung
und die Abschalteinrichtung wirken insoweit dann als Schutzschaltung
zum Schutz der Energiespeichereinheit gegen übermäßige, eine schädliche Tiefentladung
bedeutende Entladung.
Die
Funktionsweise der Ladezustandsüberwachungseinrichtung
als solches ist nicht auf bestimmte Prinzipien beschränkt. Es
können
alle im Fachgebiet bekannte Methoden der Diagnose bzw. Erfassung
von Ladezuständen
von elektrischen Energiespeichern realisiert sein. Beispielsweise
kann die elektronische Ladezustandsüberwachungseinrichtung dafür ausgeführt sein,
die momentan von der Energiespeicherzellenanordnung abgegebene Spannung
mit einer oder mehreren Referenzspannungen zu vergleichen und in
Abhängigkeit
von diesem Vergleich die elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung
bzw. die elektronische Spannungsgeneratorschaltung zwischen ihren
Betriebszuständen
umzuschalten. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein,
dass die elektronische Ladezustandsüberwachungseinrichtung dafür ausgeführt ist, Entladungströme sowie
ggf. Ladungsströme
zu erfassen, um in Abhängigkeit
von einer Ladungsbilanz die elektronische Sollspannungsvorgabeeinrichtung bzw.
die elektronische Spannungsgeneratorschaltung zwischen ihren Betriebszuständen umzuschalten.
In
den vorangehenden Ausführungen,
speziell auch in der einleitenden Diskussion, wurde mehrfach die
Ausführung
der Energiespeichereinheit als wiederaufladbare Energiespeichereinheit
in Betracht gezogen. Es kommt durchaus aber auch in Betracht, dass
die Energiespeichereinheit nicht wiederaufladbar ist, zumindest
nicht auf elektrischem Wege. Die Energiespeicherzellenanordnung
kann als auf elektrischem Wege nicht wiederaufladbare Energiespeicherzellenanordnung
ausgeführt
sein, insbesondere als nur irreversibel entladbare Primärzelle bzw.
Primärzellen
oder Batterie-Speicherzelle bzw. Batterie-Speicherzellen. Demgegenüber ist
es aber eindeutig bevorzugt, dass die Energiespeichereinheit wiederaufladbar
ist, insbesondere auch auf elektrischem Wege. Hierzu kann die Energiespeicherzellenanordnung
als auf elektrischem Wege wiederaufladbare Energiespeicherzellenanordnung
ausgeführt sein,
insbesondere als wiederaufladbare Sekundärzelle bzw. Sekundärzellen
oder Akkumulator-Speicherzelle bzw. Akkumulator-Speicherzellen,
beispielsweise als Bleiakkumulator-Speicherzelle(n), Nickel-Cadmium-Akkumulator-Speicherzelle(n),
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator-Speicherzelle(n), Lithium-Ionen-Akkumulator-Speicherzelle(n),
Lithium-Polymer-Akkumulator-Speicherzelle(n)
oder Alkali-Mangan-Speicherzelle(n).
Es
soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass die Energiespeicherzellenanordnung
bzw. die Energiespeicherzelle oder Energiespeicherzellen von völlig anderer
Art sind als bisher explizit oder implizit angesprochen. So kommt
es durchaus in Betracht, dass die Erfindung und verschiedene Weiterbildungsvorschläge hierzu
auf Brennstoffzellen als Energiespeicher anwendbar sind. Dementsprechend kann
die Energiespeicherzellenanordnung von einer oder mehreren Brennstoffzellen
gebildet sein, speziell von wenigstens einer miniaturisierten Brennstoffzelle,
wie schon verschiedenlich als Energiespeicher der Zukunft vorgeschlagen.
Man
kann zweckmäßig vorsehen,
dass das Gehäuse
und die Art und Anordnung der elektrischen Kontaktanordnung einer
vorbekannten Bauform oder einem Industriestandard entspricht. Die
Energiespeichereinheit kann so dafür eingesetzt werden, für derartige
Bauformen ausgelegte, schon im Markt befindliche bzw. weit verbreitete
elektrische Verbraucher zu deren Energieversorgung eingesetzt zu
werden. Es wird hierzu speziell daran gedacht, dass das Gehäuse und
die Art und Anordnung der elektrischen Kontaktanordnung einer vorbekannten
elektrischen Energiespeichereinheit entspricht, die eine der ersten Sollspannung
zumindest näherungsweise
entsprechende Nennspannung bzw. resultierende Nennspannung oder/und
die eine der nominellen Entladeschlussspannung (NUE) zumindest näherungsweise entsprechende
Entladeschlussspannung bzw. resultierende Entladeschlußspannung
aufweist. Obwohl die Energiespeicherzellenanordnung, ggf. die Gruppe
von Energiespeicherzellen, intern eine größere Nennspannung bzw. resultierende
Nennspannung aufweist, entspricht die elektrische Energiespeichereinheit
in einer Betrachtung von außen
hinsichtlich den für
das Betriebsverhalten und die Kompatibilität wichtigen Spannungen dann
identisch oder fast identisch der vorbekannten elektrischen Energiespeichereinheit.
Die erste Sollspannung ist dann als eine Art nominelle Nennspannung
(NNU) anzusehen, die aus Benutzersicht bzw. im Hinblick auf anzuschließende elektrische
Verbraucher die in erster Linie maßgebliche Nennspannung der
Energiespeichereinheit darstellt.
Vorteilhaft
kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Spannungsgeneratorschaltung
bzw. die Sollspannungsvorgabeeinrichtung dafür ausgeführt ist, beim Umschalten zwischen ihren
Betriebszuständen
die bereitgestellte Versorgungsspannung bzw. die Sollspannung derart
kontinuierlich oder stückweise
kontinuierlich zu verändern,
dass der Gang der Versorgungsspannung bzw. der Sollspannung zumindest
näherungsweise
dem Gang der Entladespannung der vorbekannten Energiespeichereinheit
bei deren Entladung entspricht, wenigsten in Bezug auf die Annäherung der
Entladespannung, (ggf. der resultierenden Entladespannung im Falle
einer Gruppe von Energiespeicherzellen) der vorbekannten Energiespeichereinheit
an deren Entladeschlussspannung (ggf. deren resultierende Entladeschlussspannung
im Falle einer Gruppe von Energiespeicherzellen). Hinsichtlich ihrer
elektrischen Eigenschaften beim Entladen kann die elektrische Energiespeichereinheit
dann nicht oder kaum von der vorbekannten elektrischen Energiespeichereinheit
unterschieden werden. Die elektrische Energiespeichereinheit kann
dann für
jeden vorbekannten bzw. schon im Markt befindlichen Verbraucher
verwendet werden, der für
die vorbekannte elektrische Energiespeichereinheit ausgelegt ist.
Es
sei angemerkt, dass es durchaus in Betracht kommt, dass ein elektrischer
Verbraucher durch mehrere in Reihe geschaltete oder/und parallel geschaltete
Energiespeichereinheiten mit Energie zu versorgen ist.
Nach
einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ferner bereit eine elektrische
Energiespeichereinheit, umfassend: ein Gehäuse; wenigstens eine im Gehäuse angeordnete
Energiespeicherzellenanordnung, umfassend wenigstens eine elektrochemische
oder elektrophysikalische Energiespeicherzelle; und eine für den Anschluss
eines elektrischen Verbrauchers zugängliche elektrische Kontaktanordnung,
umfassend wenigstens einen elektrischen Plus-Kontakt und wenigstens
einen elektrischen Minus-Kontakt, zwischen die die Energiespeicherzellenanordnung
elektrisch geschaltet ist und über
die die Energiespeicherzellenanordnung unter Versorgung eines angeschlossenen
elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie entladbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
dass die Energiespeichereinheit mit einer in die Energiespeichereinheit
integrierten elektronischen Ladezustandsüberwachungseinrichtung ausgeführt ist,
die den momentanen Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung
(ggf. einer Gruppe von Energiespeicherzellen wie vorangehend mehrfach
angesprochen) überwacht
und in Abhängigkeit
vom momentanen Ladezustand der Energiespeicherzellenanordnung eine
weitere in die Energiespeichereinheit integrierte Einrichtung zwischen
Betriebszuständen
umschaltet oder/und vermittels einer in die Energiespeichereinheit
integrierten Signalabgabevorrichtung optische oder/und visuelle
Signale gibt oder/und Steuersignale über wenigstens einen Kontakt
der Kontaktanordnung ausgibt. Die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit nach
dem zweiten Aspekt der Erfindung kann entsprechend der Energiespeichereinheit nach
dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der verschiedenen vorangehend
angesprochenen Weiterbildungsmöglichkeiten
hierzu ausgeführt
sein, ohne dass zwingend eine in die Energiespeichereinheit integrierte
elektronische Spannungsregelschaltung vorgesehen sein muss und ohne
dass zwingend eine in die Energiespeichereinheit integrierte elektronische
Spannungsgeneratorschaltung vorgesehen sein muss.
Der
Erfindungsvorschlag nach dem zweiten Aspekt eröffnet vielfältige, über die Erfindungslösung nach
dem ersten Aspekt hinausgehende Möglichkeiten, wie die eingangs
angesprochenen Probleme bewältigt
bzw. deren unerwünschten
Auswirkungen zumindest gemildert werden können. So kann die in die Energiespeichereinheit
integrierte Ladezustandsüberwachungseinrichtung über Steuersignale
mit einer übergeordneten
Steuereinheit eines durch die Energiespeichereinheit mit elektrischer
Energie versorgten elektrischen Verbrauchers kommunizieren und insoweit
fehlerhafte Ladezustandsquantifizierungen auf Seiten des Verbrauchers
vermeiden. Den Ladezustand der Gruppe von Energiespeicherzellen angebende
Signale, beispielsweise eine Ladezustandsanzeige auf LCD- oder LED-Basis,
ermöglicht dem
Benutzer eine Überprüfung von
Ladezustandsquantifizierungen auf Seiten des elektrischen Verbrauchers,
so dass ggf. auf überhöhte Kontaktübergangswiderstände zurückgeschlossen
werden kann und ggf. Gegenmaßnahmen
getroffen werden können.
Nach
einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Gerät bereit,
das eine für
den Anschluss wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinheit
zugängliche
elektrische Kontaktanordnung aufweist, umfassend wenigstens einen
elektrischen Plus-Kontakt und wenigstens einen elektrischen Minus-Kontakt,
zwischen die die elektrische Energiespeichereinheit zur Versorgung
des elektrischen Geräts
mit elektrischer Energie schaltbar oder geschaltet ist, unter Anschluss
des Plus-Kontakts des
Geräts
an einem zugeordneten Plus-Kontakt der Energiespeichereinheit und
des Minus-Kontakts des Geräts
an einem zugeordneten Minus-Kontakt der Energiespeichereinheit.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
dass das elektrische Gerät
mit wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinheit nach dem
ersten Aspekt oder/und dem zweiten Aspekt ausgestattet ist, die
unter Anschluss des Plus-Kontakts des Geräts an dem zugeordneten Plus-Kontakt der
Energiespeichereinheit und des Minus-Kontakts des Geräts an dem
zugeordneten Minus-Kontakt der Energiespeichereinheit an dem elektrischen
Gerät angeschlossen
oder anschließbar
ist, um das elektrische Gerät
als elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen
unter Entladung der Energiespeicherzellenanordnung der Energiespeichereinheit.
Im
Falle einer Energiespeichereinheit mit integrierter Spannungsregelschaltung,
der eine externe Spannung als Istspannung zurückkoppelbar ist, wird weiterbildend
vorgeschlagen, dass in dem Fall, dass die elektrische Kontaktverbindung
zumindest zwischen dem Plus-Kontakt
des Geräts
und dem zugeordneten Plus-Kontakt der Energiespeichereinheit und
dem Minus-Kontakt des Geräts
und dem zugeordneten Minus-Kontakt der Energiespeichereinheit hergestellt
ist, auf Seiten des elektrischen Geräts der Plus-Rückkoppelkontakt
der Energiespeichereinheit an dem Plus-Kontakt des Geräts und der
Minus- Rückkoppelkontakt
der Energiespeichereinheit an dem Minus-Kontakt des Geräts angeschlossen ist,
um eine zwischen dem Plus-Kontakt des Geräts und dem Minus-Kontakt des
Geräts
auftretenden Spannung als Istspannung zur Spannungsregelschaltung
der Energiespeicherschaltung zurückzukoppeln.
Es kann so die auf Seiten des elektrischen Verbrauchers auftretende
Versorgungsspannung auf die Sollspannung geregelt werden, insbesondere auch
um Spannungsabfälle
an Kontaktübergangswiderständen zu
kompensieren.
Das
elektrische Gerät
kann mit einer elektronischen Ladezustandsüberwachungseinrichtung ausgeführt sein,
die den momentanen Ladezustand der am Gerät angeschlossenen Energiespeichereinheit überwacht.
Es wird in diesem Zusammenhang vor allem (aber nicht ausschließlich) daran
gedacht, dass die Ladezustandsübennrachungseinrichtung auf
zwischen dem Plus-Kontakt des Geräts und dem Minus-Kontakt des
Geräts
auftretende Spannungen anspricht.
Bezug
nehmend auf oben angesprochene Ausgestaltungsmöglichkeiten betreffend die
Vorgabe der ersten Sollspannung bzw. Bereitstellung der ersten Versorgungsspannung
wird weiterbildend vorgeschlagen, dass die Ladezustandsüberwachungseinrichtung
auf eine zwischen dem Plus-Kontakt
des Geräts
und dem Minus-Kontakt des Geräts
auftretende Spannung im Wesentlichen entsprechend der ersten Sollspannung
bzw. der ersten Versorgungsspannung einen Geladen-Zustand der Energiespeichereinheit
bestimmt.
Bezug
nehmend auf die Ausgestaltungen betreffend die Vorgabe der zweiten
Sollspannung bzw. Bereitstellung der zweiten Versorgungsspannung
wird weiterbildend vorgeschlagen, dass die Ladezustandsüberwachungseinrichtung
auf eine zwischen dem Plus-Kontakt
des Geräts
und dem Minus-Kontakt des Geräts
auftretende Spannung im Wesentlichen entsprechend der zweiten Sollspannung
bzw. der zweiten Versorgungsspannung einen Fast-Entladen-Zustand
der Energiespeichereinheit bestimmt und ein optisches oder/und akustisches Warnsignale
ausgibt.
Bezug
nehmend auf die Ausgestaltung mit der Vorgabe der dritten Sollspannung
bzw. Bereitstellung der dritten Versorgungsspannung wird weiterbildend
vorgeschlagen, dass die Ladezustandsüberwachungseinrichtung auf
eine zwischen dem Plus-Kontakt
des Geräts
und dem Minus-Kontakt des Geräts auftretende
Spannung im Wesentlichen entsprechend der dritten Sollspannung bzw.
der dritten Versorgungsspannung oder kleiner als diese einen Entladen-Zustand
der Energiespeichereinheit bestimmt und durch Öffnen wenigstens eines Schalters
das elektrische Gerät
oder zumindest wenigstens eine elektrische Energie verbrauchende
elektrische Komponente des Geräts
abschaltet, um eine weitere Entladung der angeschlossenen Energiespeichereinheit zu
unterbinden oder zumindest auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Im
Falle einer wiederaufladbaren Energiespeichereinheit mit einer auf
elektrischem Wege wiederaufladbaren Energiespeicherzellenanordnung wird
weiterbildend vorgeschlagen, dass das elektrische Gerät eine elektronische
Ladeschaltung aufweist, die dafür
ausgeführt
ist, die angeschlossene Energiespeichereinheit (oder Energiespeichereinheiten) über deren
Kontaktanordnung zu laden, vorzugsweise definiert zu laden. Soweit
es dabei auf eine Ladeschlussspannung der Energiespeicherzellenanordnung
der Energiespeichereinheit ankommt, etwa um eine Beschädigung durch Überladung
zu vermeiden, sollte diese von Seiten der Ladeschaltung berücksichtigt
werden, insbesondere auch wenn eine Diskrepanz zwischen der Ladeschlussspannung der
Energiespeicherzellenanordnung und einer nominellen Nennspannung
der Energiespeichereinheit, die kleiner ist als die Nennspannung
der Energiespeicherzellenanordnung, besteht.
Nach
einem vierten Aspekt stellt die Erfindung eine Ladestation für eine erfindungsgemäße elektrische
Energiespeichereinheit nach dem ersten oder/und zweiten Aspekt bereit.
Die erfindungsgemäße Ladestation
weist eine elektronische Ladeschaltung auf, die dafür ausgeführt ist,
die angeschlossene Energiespeichereinheit über deren Kontaktanordnung
zu laden, vorzugsweise definiert zu laden. Wenn es bei dem Laden
auf eine Ladeschlussspannung der Energiespeicherzellenanordnung
der Energiespeichereinheit ankommt, etwa um eine Beschädigung durch Überladung
zu vermeiden, so sollte die Ladeschaltung die Entladeschlussspannung
berücksichtigen,
insbesondere auch dann, wenn die zuvor im Zusammenhang mit dem die
Ladeschaltung aufweisenden elektrischen Gerät angesprochene Diskrepanz
zur nominellen Nennspannung der Energiespeichereinheit besteht.
Die Erfindung nach dem vierten Aspekt stellt speziell auch eine
Kombination aus einer erfindungsgemäßen Ladestation mit wenigstens
einer erfindungsgemäßen elektrischen
Energiespeichereinheit nach dem ersten oder/und zweiten Aspekt bereit.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren gezeigten
Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
1 repräsentiert
eine Lösung
des Stand der Technik und zeigt ein tragbares Gerät mit einem zugeordnete
Akku, der fünf
in Reihe geschaltete Akkuzellen aufweist. Das Gerät weist
eine auf Spannungen ansprechende Ladezustandsüberwachungsschaltung zur Überwachung
des Ladezustands des Akkus auf.
2 repräsentiert
ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung und zeigt das Gerät
der 1 mit einem zugeordneten erfindungsgemäßen Akku,
der sechs in Reihe geschaltete Akkuzellen aufweist und mit einer
Spannungsgeneratorschaltung und einer Ladezustandsüberwachungsschaltung
ausgestattet ist, die in den Akku integriert sind.
3 zeigt
als Weiterbildung der Anordnung der 2 ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Akkus
mit einem zugeordneten Gerät.
Der Akku weist darin integriert eine Ladezustandsüberwachungsschaltung
und eine Spannungsregelschaltung und eine von der Ladezustandsüberwachungsschaltung
angesteuerte Sollspannungsvorgabeschaltung für die Vorgabe von Sollspannungen
an die Spannungsregelschaltung auf.
4 zeigt
sich auf ein Ausführungsbeispiel mit
einem sechs in Reihe geschaltete Nickel-Cadmium-Zellen aufweisenden
Akku und einer gegenüber dem
Akku externen Ladezustandsüberwachung,
die von einem Akku mit fünf
in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen
ausgeht, beziehende Spannungen, Spannungsniveaus, Spannungsschwellen und
Spannungsintervalle, die beispielsweise im Zusammenhang mit einer
entsprechend ausgelegten erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 3 von Bedeutung
sind.
5 zeigt
ein konkretes Ausführungsbeispiel
für einen
Akku entsprechend 3.
In
verschiedener Hinsicht ist es bei tragbaren elektrischen Geräten, wie
beispielsweise bei Funkfernsteuerungen für industrielle Anwendungen,
wichtig, den Ladezustand einer das Gerät versorgenden Energiespeichereinheit
(wiederaufladbare Akkumulator-Einheit oder kurz Akku bzw. nicht
wiederaufladbare Batterieeinheit oder nur kurz Batterie) zu überwachen.
So wird es häufig
wichtig sein, undefinierte Betriebs- und Steuerzustände des
betreffenden tragbaren Geräts
zu vermeiden, die auf eine zu niedrige Versorgungsspannung zurückzuführen sein
können. Ferner
ist es bei manchen Akkus bzw. bei manchen Akku-Zellen von Akkus
wichtig, eine Tiefstentladung zu vermeiden, um die grundsätzliche
Speicherkapazität des
Akkus bzw. der Akkuzellen zu erhalten und diesen also wieder entsprechend
dieser Kapazität aufladen
zu können.
1 zeigt
eine typische Ladezustandsüberwachung
des Standes der Technik. Eine Akkumulator-Speichereinheit 10 (im
Folgenden kurz als Akku 10 bezeichnet) weist in einem Gehäuse 11 fünf in Reihe
geschaltete Akku-Zellen,
beispielsweise Nickel-Cadmium-Zellen 12 auf, die unmittelbar
mit Klemmen 14, 14' des
Akkus verbunden sind. Ein zugeordnetes elektrisches Gerät 100 weist
Klemmen 114, 114' auf,
die zur Energieversorgung des elektrischen Geräts durch den Akku 10 paarweise
mit den Klemmen 14, 14' verbunden werden, auf an sich
bekannte Art und Weise. Das elektrische Gerät weist eine zum eigentlichen
elektrischen Verbrauch 120, in 1 als Lastwiderstand
RL symbolisiert, parallel geschaltete elektronische
Ladezustandsüberwachungsschaltung 122 auf,
die auf an den Klemmen 114, 114' anliegende Spannungen anspricht.
Diese Ladezustandsüberwachungsschaltung
generiert z. B. durch Vergleich mit Referenzspannungen Signale zur
Ansteuerung wenigstens eines optischen Signalgebers 124 oder/und
wenigstens eines akustischen Signalgebers 126, um einen sich abzeichnenden Entladezustand
als Warnung vorab zu signalisieren, so dass der Benutzer des Geräts eine
Ersatz-Energiespeichereinheit
anschließen
oder die Energiespeichereinheit 10 wieder aufladen kann.
Die als Spannungsüberwachungsschaltung
ausgeführte
Ladezustandsüberwachungsschaltung 122 steuert
ferner einen Schalter 128 an, um im Falle einer zu tiefen
Akkuspannung das gesamte elektrische Gerät 100 und damit auch
sich selbst abzuschalten, bevor es im Gerät zu undefinierten und damit
unerwünschten,
ggf. betreffend eine Steuerung externer Einrichtungen gefahrenträchtigen
Zuständen
kommt.
Als
dringend verbesserungswürdige Schwachstelle
hat sich der Kontaktübergang 14, 114 und 14', 114' herausgestellt.
Insbesondere bei einem Einsatz im Freien kommt es durch Schmutz,
Feuchtigkeit und Alterung zu Oxidation/Korrosion der Kontaktoberflächen. Dies
kann zu signifikanten Erhöhungen
der Kontaktübergangswiderstände von 14 zu 114 bzw. 14' zu 114' führen. Insbesondere
bei leistungsintensiven Verbrauchern RL (120)
kommt es durch entsprechend große
Lastströme
zu einem nennenswerten Spannungsabfall über 14, 114 bzw. 14', 114', der die Ergebnisse
der spannungsgebundenen Ladezustandsüberwachung durch die Ladezustandsüberwachungsschaltung 122 des
Geräts 100 bis
zur Unbrauchbarkeit verfälschen
kann.
Insbesondere
im langfristigen Einsatz kommt es deswegen bei derartigen Geräten zu fehlerhaften Akkuzustandsqualifizierungen.
Die Vorwarn- bzw. Abschaltschwellen werden viel zu früh erreicht,
so dass der Akku fälschlicherweise
viel zu früh
als entladen bzw. ggf. sogar als defekt dem Benutzer signalisiert
wird. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität einer jeweiligen Akkumulator-Einheit
nicht voll ausgeschöpft
wird. Es kommt vielfach zum Ersatz von neuen Ersatzakkus, die teilweise
aber schon wieder nach recht kurzer Zeit das gleiche Verhalten zeigen,
so weit Korrosion bzw. Übergangswiderstandserhöhung zwischen
Gerät und
Akku auftritt.
Die
erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 210 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 2,
die wiederum als Akkumulator-Einheit (kurz Akku) ausgeführt ist,
weist mehr in Reihe geschaltete Akkuzellen 212 auf, als
für die
Versorgung des zugeordneten Geräts 100 hinsichtlich
dessen Versorgungsspannungsniveau eigentlich benötigt werden. Das Gerät 100 kann
einem herkömmlichen
Gerät entsprechen, das
beispielsweise dafür
ausgelegt ist, von einem Akku mit elektrischer Energie auf einem
Spannungsniveau entsprechend fünf
in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen
versorgt zu werden, also etwa durch den Akku 10 gemäß 1.
Gemäß 1 sind im
hier angenommenen Beispielsfall fünf in Reihe geschaltete Nickel-Cadmium-Zellen 12 vorhanden,
die bei einer Nennspannung von jeweils 1,2 Volt eine resultierende
Nennspannung des Akkus von 6 Volt liefern, bei frisch vollgeladenen
Akkuzellen sogar eine anfänglich
die resultierende Nennspannung deutlich übersteigende Spannung beispielsweise
von 6,8 Volt.
Demgegenüber ist
der ein Gehäuse 211 aufweisende
Akku 210 erfindungsgemäß mit einer
größeren Anzahl
von Akkuzellen 212 ausgestattet, beispielsweise sechs Nickel-Cadmium-Zellen
anstelle von fünf
Nickel-Cadmium-Zellen, die an sich für die Bereitstellung des vom
Verbraucher benötigten Spannungsniveaus
ausreichen würden.
Der
Akku 210 weist eine darin integrierte elektronische Ladezustandsüberwachungsschaltung 222 auf,
die zu den in Reihe geschalteten NiCd-Zellen parallelgeschaltet
ist und auf von den Zellen insgesamt abgegebene Spannungen anspricht.
Die Ladezustandsüberwachung
kann entweder alleine auf Grundlage der Zellenspannung oder unter
Berücksichtigung
der Zellenspannung erfolgen.
Die
Ladezustandsüberwachungseinrichtung steuert
einen aktiven Spannungsgenerator 230 an, der das von den
Zellen 212 bereitgestellte, in Bezug auf den Verbraucher überhöhte Spannungsniveau auf
das vom Verbraucher benötigte
Spannungsniveau absenkt. Bevorzugt ist die Spannungsgeneratorschaltung
als elektronische Regelschaltung ausgeführt, die die vom Verbraucher
benötigte
Versorgungsspannung auf Grundlage eines Sollwert-Istwert-Vergleichs
bereitstellt.
Nach
der Erfindung in der Realisierung gemäß 2 findet
die Ladezustandsüberwachung
der Akkuzellen über
deren Spannung unabhängig
von dem über
die Kontakte 214, 114 und 214', 114' fließenden Lastströmen im Akku 210 selbst
statt, durch die Ladezustandsüberwachungsschaltung 222.
Die technische Ausführung
der in den Akku integrierten Ladezustandsüberwachungsschaltung 222 kann
im Wesentlichen einer an sich bekannter Ladezustandsüberwachungsschaltung,
etwa der Schaltung 122 des elektrischen Geräts, entsprechen.
Die
Erhöhung
der Gesamtzellenspannung (der resultierenden Zellenspannung) der
in Reihe geschalteten Gruppe von Akkuzellen ermöglicht, dass der von der Ladezustandsüberwachungsschaltung 222 aktiv
angesteuerte Spannungsgenerator 230 auf dem nach außen zum
Verbraucher tiefer zu erzeugenden Spannungsniveau eine Spannungs-/Zeit-Charakteristik durchfahren
kann, die zumindest näherungsweise,
insbesondere bei zunehmender Entladung der Akkuzellen, der Spannungs-/Zeit-Charakteristik
eines normalen Akkus 10 des Standes der Technik, der nur
die für
eine Bereitstellung einer resultierenden Nennspannung entsprechend
der vom Verbraucher benötigten
Versorgungsspannung erforderliche Anzahl von in Reihe geschalteter
Akku-Zellen aufweist, entspricht, bezogen auf die Beispiele der 1 und 2 also
der Spannungs-/Zeit-Charakteristik des Akkus 10 mit nur fünf NiCd-Zellen,
d. h. ohne Spannungserhöhung über die
vom Verbraucher benötigte
Versorgungsspannung.
Durch
die aktive elektronische Spannungseinstellung, ggf. Spannungsregelung,
kann so ausgehend von einem höheren
Niveau der interne Versorgungsspannung der Gruppe von Akkuzellen 212 die
vom Akku bereitgestellte Abgabespannung (entsprechend der nominellen
Arbeitsspannung des Akkus) lange auf dem Arbeitsspannungsniveau
stabil gehalten werden, das vom Verbraucher benötigt wird. Die vom Verbraucher
benötigte
Versorgungsspannung kann so lange bereitgestellt werden, bis die
integrierte Ladezustandsüberwachungsschaltung 222 auf
Grundlage eines Abfallens der internen Versorgungsspannung der Gruppe
von Zellen mangelnde Restkapazität
der überwachten
Zellen erkennt. Beim Ausführungsbeispiel
der 2 steuert dann die Ladezustandsüberwachungsschaltung 222 den Spannungsgenerator 230 so
an, dass dieser das Spannungs-Zeit-Diagramm eines normalen, keine
interne Überspannung
aufweisenden, sich zunehmend entleerenden Akkus, etwa des Akkus 10 gemäß 1,
nachbildet.
Der Übergangswiderstand
zwischen den Kontakten 114, 214 und den Kontakten 114', 214' spielt insoweit
nur noch eine reduzierte Rolle, als dass das vom Verbraucher benötigte Spannungsniveau
an den Klemmen 214, 214' aufgrund der Ableitung aus einem
internen überhöhten Spannungsniveau über einen
längeren
Zeitraum auf dem Sollwert gehalten werden kann, so dass auftretende,
sich noch in einem gewissen Rahmen haltende Kontaktübergangswiderstände erst
später
für die
Ladezustandsüberwachungsüberwachung
durch die geräteinterne
Schaltung 122 eine Rolle spielen, nämlich wenn der Generator 230 das
Spannungs-/Zeit-Diagramm eines herkömmlichen Akkus 10 bei
deren Entleerung nachbildet. Fehlerhafte Qualifizierungen/Quantifizierungen
des Akkus 210 durch die Ladezustandsüberwachungseinrichtng 122 können aber
immer noch auftreten, so lange nicht eine Rückmeldung der an den Geräteklemmen 114, 114' auftretenden
Versorgungsspannung zum Spannungsgenerator 230 und auf
Grundlage dieser Rückmeldung eine
Regelung der an den Klemmen 114, 114' anliegenden
Spannung realisiert ist. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel,
bei dem eine derartige Regelung der geräteseitigen Versorgungsspannung
vorgesehen ist.
3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einer weiteren erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit 210a,
beispielsweise einem Nickel-Cadmium-Akku, der wiederum sechs Akkuzellen,
beispielsweise NiCd-Zellen 212 aufweist. Der Ladezustand der
Gruppe von in Reihe geschalteten Akkuzellen 212 wird von
einer in den Akku 212a integrierten elektronischen Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 erfasst,
auf Grundlage der an den Anschlussklemmen der Zellengruppe anliegenden
internen Versorgungsspannung.
Der
Spannungsgenerator 230 ist im Falle des Ausführungsbeispiels
der 3 gebildet von einer Sollwertvorgabeeinrichtung 232,
die von der Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 angesteuert
wird, und einem Spannungsregler 234, der an einem Sollwerteingang
eine Sollwertvorgabe der Sollwertvorgabeeinrichtung 232 empfängt. Eine
vom Regler 234 eingestellte Ausgabespannung liegt an einem
Klemmenpaar 214, 214' an, das einem Eingangsklemmenpaar 114, 114' des zugeordneten elektrischen
Geräts 100a zugeordnet
ist. Die an den Klemmen 114, 114' anliegende Versorgungsspannung
wird über
zu den Klemmen parallel geschaltete Rückkoppelklemmen 115, 115' des Gerätes und
daran angeschlossene Rückkoppelklemmen 215, 215' des Akkus als
Istwert zum Regler 234 zurückgekoppelt, so dass der Regler 234 die
an den Klemmen 114, 114' anliegende Versorgungsspannung
entsprechend der Sollwertvorgabe auf den Sollwert regeln kann. Ein
zwischen den Klemmen 214, 114 und 214', 114' möglicherweise
auftretender, eventuell überhöhter Übergangswiderstand
spielt dann nur noch eine geringe oder keine Rolle, da der Spannungsabfall hieran
herausgeregelt werden kann. Es ist anzumerken, dass auch zwischen
den Kontakten 215, 115 und 215', 115' ein erhöhter Kontaktübergangswiderstand
auftreten kann. Dieser spielt aber eine geringe und ggf. sogar untergeordnete
Rolle, so lange überhaupt
noch ein elektrischer Kontakt zwischen den geräteseitigen und den akkuseitigen
Rückkopplungskontakten
hergestellt ist, da für
die Rückkopplung
der an den Klemmen 114, 114' auftretenden Spannung keine wesentlichen
Ströme
fließen
müssen,
so dass dementsprechend nur ein sehr geringer, in der Regel vernachlässigbarer
Spannungsabfall zwischen den Kontakten 115, 215 und 115', 215' auftreten wird.
Das
Gerät 100a kann ähnlich wie
im Falle der 1 und 2 mit einer
geräteseitigen
Ladezustandsüberwachung 122 ausgeführt sein,
so dass undefinierte Betriebs- und Steuerzustände des Geräts aufgrund zu geringer Spannung
vermieden werden können
und auf eine bevorstehende vollständige Entladung des Akkus 210a akustisch
oder/und optisch aufmerksam gemacht werden kann.
Ein
wichtiger Gesichtspunkt ist, dass der Akku 210 und der
Akku 210a hinsichtlich seiner Gehäuseform und der Art und Ausführung und
Anordnung seiner Kontakte identisch dem bekannten Akku 10 entsprechen
kann, so dass der Akku 210 bzw. 210a zur Energieversorgung
jedes für
den Akku 10 ausgeführten
elektrischen Geräts
eingesetzt werden kann. Es können
also alle Geräte
einschließlich
ihrer Funktionalitäten
betreffend die Signalisierung eines sich abzeichnenden Entladezustands
und der Sicherheitsabschaltung für
zu niedrige Versorgungsspannung auf Geräteseite unverändert benutzt
werden. Für
den Einsatz einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
ist es also nicht nötig,
den betreffenden elektrischen Verbraucher (das betreffende elektrische
Gerät)
zu ändern.
Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass auch geräteseitige Änderungen
vorgesehen werden, beispielsweise eine Signalverbindung zwischen
der akkuinternen Ladezustandsüberwachung
und der geräteinternen
Ladezustandsüberwachung
und vor allem eine Rückkopplung
der an den geräteseitigen
Anschlussklemmen anliegenden Versorgungsspannung zum Spannungsgenerator 230 bzw.
einer in den den erfindungsgemäßen Akku
integrierten Spannungsregelschaltung, etwa wie dies beim Ausführungsbeispiel der 3 realisiert
ist.
Es
ist noch darauf hinzuweisen, dass die akkuinterne Zellenüberwachung
zweckmäßig und
einfach auf Grundlage der bisher angesprochenen Spannungsüberwachung
erfolgen kann. Es bieten sich aber auch die Implementierung genauerer,
teilweise aufwendigerer Techniken der Akkuqualifikation bzw. Energiespeicherqualifikation
in einem erfindungsgemäßen Akku
oder allgemein in einer erfindungsgemäße Energiespeichereinheit an.
So kann beispielsweise durch Rückmeldung
bzw. Bilanzierung sowohl ladender als auch entladender Ströme durch
ein geeignetes, im Fachgebiet an sich bekanntes Längselement 240 (vgl. 2)
eine Ladungsbilanzierung realisiert werden, die in Verbindung der dann
primär
der Auswertung und Speicherung der Ladungsbilanz dienenden Einrichtung 222 (2) den
Spannungsgenerator 230 entsprechend ansteuert, um das Spannungs-Zeit-Diagramm
eines herkömmlichen,
sich entladenden Akkus zumindest näherungsweise, insbesondere
wenigstens in einer Phase zunehmender Entladung in Annäherung zum entladenen
Zustand, nachzubilden. Im hier in Betracht gezogenen Beispielsfall
ist bezogen auf 2 die bilanzierende Ladezustandsüberwachungseinrichtung
vom Längselement 240 und
der darin angeschlossenen, einen Langzeitspeicher aufweisenden Steuereinrichtung 222 gebildet.
Die Steuereinrichtung 222 steuert den Spannungsgenerator 230 an. Um über die
Zeit Fehlbilanzierungen zu vermeiden, kann eine periodische Auf-Null-Setzung
der Bilanz durch definierte Entladung des Akkus auf einen definierten
Entladezustand vorgesehen sein.
Ein
Beispiel für
im Falle eines sechszelligen Nickel-Cadmium-Akkus auftretenden bzw.
für im
Zusammenhang mit der Regelung auf ein Spannungsniveau entsprechend
fünf Nickel-Cadmium-Zellen
im Falle einer entsprechenden Auslegung zweckmäßig auftretenden Spannungen,
Spannungsschwellen und Spannungsintervalle ist in 4 schematisch gezeigt.
Im Falle von sechs in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen können diese
anfänglich
beispielsweise eine resultierende Spannung (Gesamtspannung) von
8,16 Volt abgeben. Nur fünf
in Reihe geschaltete NiCd-Zellen würden dementsprechend anfänglich nach
Vollladung beispielsweise eine Spannung von 6,8 Volt abgeben (8,16
= 6,8 × 6/5). Die
Nennspannung (RNU) einer einzelnen Nickel-Cadmium-Zelle beträgt 1,2 Volt,
woraus sich eine resultierende Nennspannung (RNU) von 7,2 Volt für sechs
in Reihe geschaltete Nickel-Cadmium-Zellen und eine resultierende
Nennspannung (RNU) von 6 Volt für
fünf in
Reihe geschaltete Nickel-Cadmium-Zellen
ergibt. Diese resultierende Nennspannung von 6 Volt bzw. 7,2 Volt
stellt die Nennspannung einer von den betreffenden fünf bzw.
sechs Zellen gebildeten Zellenanordnung dar.
Im
Falle einer elektrischen Energieversorgung durch eine intern eine überhöhte Versorgungsspannung
aufweisende Energiespeichereinheit mit sechs in Reihe geschalteten
Nickel-Cadmium-Zellen (etwa im Falle der Energiespeichereinheit 200 der 2 oder 210a der 3)
für ein
elektrisches Gerät,
das für
eine Energieversorgung durch nur fünf in Reihe geschaltete Nickel-Cadmium-Zellen
ausgelegt ist (beispielsweise das Gerät 100 der 2 oder 100a der 3)
ist bevorzugt eine Sollwertvorgabe und Regelung durch den energiespeichereinheitsinternen
Spannungsgenerator derart vorgesehen, dass die Abgabespannung der
Energiespeichereinheit, vorzugsweise die geräteseitige Versorgungsspannung,
auf eine Spannung von 6 Volt geregelt wird, die als nominelle Nennspannung
(NNU) der Energiespeichereinheit anzusehen ist. Dies erfolgt zweckmäßig dadurch,
dass die Sollwertvorgabeeinrichtung 232 eine Spannung von
6 Volt als erste Sollspannung dem Regler 234 vorgibt. Diese
Regelung auf die nominelle Nennspannung von 6 Volt (die der resultierenden
Nennspannung der Zellenanordnung einer herkömmlichen Energiespeichereinheit
mit nur fünf
in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen entspricht), erfolgt
bevorzugt so lange, wie die Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 noch
eine hinreichende Ladung der Akkuzellen 212 bestimmt, aus der
von den Akkuzellen abgegebenen Spannung, die im Laufe der Zeit,
je nach abfließender
elektrischer Energie und Selbstentladung, von der anfänglichen Spannung
von 8,16 Volt zuerst auf die resultierende Nennspannung (RNU) von
7,2 Volt abfällt,
auf diesem Spannungsniveau länger
verbleibt und dann bei zunehmender Entladung weiter abfällt. Bevorzugt kann
die Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 die
von den Zellen abgegebene Spannung mit einer ersten Spannungsschwelle
von beispielsweise 6,96 Volt vergleichen. Fällt die Spannung unter diese Schwelle
ab, so bedeutet dies, dass die Akkuzellen schon weitgehend entladen
sind und dass die Energiespeichereinheit so schnell wie möglich wieder
aufgeladen werden sollte oder durch eine Ersatz-Energiespeichereinheit
ersetzt werden sollte. Um eine solche Vorwarnung vermittels der
in das elektrische Gerät 100a integrierten
Ladezustandsüberwachungseinrichtung 122 zu
geben, reagiert die Sollwertvorgabeeinrichtung 232 auf
eine entsprechende, den Abfall der resultierenden Zellenspannung
unter die erste Spannungsschwelle anzeigende Ansteuerung durch die
Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 dadurch,
dass nun anstelle der ersten Sollspannung eine zweite, um die Spannungsdifferenz Udiff1
reduzierte zweite Sollspannung von beispielsweise 5,8 Volt dem Regler 234 vorgibt.
Die geräteinterne
Ladungszustandsüberwachungseinrichtung 122 interpretiert
eine Klemmenspannung von 5,8 Volt als Vorwarnschwelle und gibt über einen
optischen Signalgeber 124 oder/und einen akustischen Signalgeber 126 (vgl. 2)
eine entsprechende Vorwarnung aus.
Um
schädliche
Tiefentladungen der Akkuzellen der Energiespeichereinheit zu vermeiden, überwacht
die Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 die
resultierende Zellenspannung bevorzugt noch auf das Erreichen bzw.
Unterschreiten einer zweiten Spannungswelle von beispielsweise 6,72 Volt.
Diese um die Spannungsdifferenz DU1 gegenüber der ersten Spannungsschwelle
kleinere zweite Spannungsschwelle kann einer resultierenden Entladeschlussspannung
(RUE) der sechs in Reihe geschalteten Nickel-Cadmium-Zellen entsprechen. Sinkt
die resultierende Zellenspannung unter diese Schwelle ab, so erkennt
die Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 die
im Wesentlichen vollständige
Entladung der Akkuzellen und steuert die Sollwertvorgabeeinrichtung 232 derart
an, dass diese eine gegenüber
der zweiten Sollspannung um eine Spannungsdifferenz Udift2 (= Udiff3)
reduzierte dritte Sollspannung von beispielsweise 5,6 Volt dem Regler 234 als
Sollwert vorgibt, so dass dieser entsprechend die von Energiespeichereinheit
an das Gerät abgegebene
Spannung, bevorzugt auf Seiten des Geräts an den Klemmen 114, 114', regelt. Eine
derartige, der dritten Sollspannung entsprechende oder demgegenüber noch
kleinere Versorgungsspannung wird von der geräteinternen Ladezustandsüberwachungseinrichtung 122 als
eine Spannung gleich bzw. unterhalb der Abschaltschwelle zum Abschalten des
Geräts
vermittels des Schalters 128 (vgl. 2) interpretiert.
Bevorzugt entspricht die dritte Sollspannung und damit die in diesem
Zustand der Energiespeichereinheit geräteseitig eingeregelte Spannung einer
nominellen Entladeschlussspannung (NUE) der Energiespeichereinheit.
Zweckmäßigerweise
kann die erste Sollspannung um ein definiertes Spannungsintervall UDa
kleiner als die resultierende Nennspannung (RNU) und kann die dritte
Sollspannung um ein definiertes Spannungsintervall UDb kleiner als
die resultierende Entladeschlussspannung (RUE) der sechs Akkuzellen
der Energiespeichereinheit sein.
5 zeigt
ein konkretes Beispiel für
die Realisierung einer Energiespeichereinheit entsprechend 3.
Zur Akku-Ladezustandsmessung
und Sollwertvorgabe sind zwei auf Grundlage von Operationsverstärkern aufgebaute
Schmitt-Trigger 240 und 242 vorgesehen, die jeweils
auf ein durch eine Spannungsteileranordnung eingestelltes Spannungsniveau
ansprechen, so dass die die beiden Schmitt-Trigger 240 und 242 aufweisende
Ladezustandsüberwachungseinrichtung 222 eine Überwachung
auf ein Erreichen bzw. Unterschreiten einer ersten Spannungsschwelle
und einer zweiten Spannungsschwelle, etwa die Spannungsschwellen
gemäß 4,
implementiert und die die Schmitt-Trigger 240, 242 aufweisende
bzw. – je
nach Betrachtung – auf
Grundlage deren Ausgangsspannungen arbeitende Sollwertvorgabeeinrichtung 232 eine
erste Sollspannung (etwa die erste Sollspannung gemäß 4)
an den einen Standard-Reglerbaustein 244 aufweisenden Regler 234 als
Sollspannung vorgibt, so lange die Gesamtzellenspannung größer als
die erste Spannungsschwelle ist und die Sollspannung dann beim Unterschreiten
der ersten Spannungsschwelle auf eine zweite Sollspannung (etwa
die zweite Sollspannung gemäß 4)
und beim Unterschreiten der zweiten Spannungsschwelle auf eine dritte
Sollspannung (etwa die dritte Sollspannung gemäß 4) reduziert.
Es ist hier nur der Einfachheit halber angenommen, dass die sich
aus den gemäß 5 verwendeten
Bauteilen und Bauteildimensionierungen ergebenden Spannungsschwellen
und Sollspannungen den Spannungsschwellen und Sollspannungen gemäß 4 entsprechen. 4 ist nur
ein schematisches Beispiel und kann hinsichtlich der angegebenen
Spannungen von einer konkreten Realisierung, etwa gemäß 5,
abweichen.