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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Akkumulator, aufweisend einen Schalter,
durch den eine interne Last an den Akkumulator anschließbar
ist, so dass der Akkumulator in einen vorgegebenen, tieferen Ladezustand überführbar
ist.
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Wiederaufladbare
Li-Ionen Zellen benötigen eine Schutzbeschaltung, die den
Ladevorgang überwacht und einen zu hohen Ladezustand und
dadurch mögliche Zellschädigungen durch Sperren
der weiteren Ladung verhindert. Beim aus der
DE 101 04 981 bekannten Akkumulator
soll darüber hinaus auch der laufende Betrieb überwacht
werden, da ein bei niedriger Umgebungstemperatur als noch nicht
kritisch bewerteter Ladezustand bei hoher Temperatur zu Zellschädigungen
führen kann. Der bekannte Akkumulator weist deshalb eine
relativ aufwändige Schaltungsanordnung auf, die mittels
Messung laufend den Ladezustand und die Umgebungstemperatur überwacht.
Sprechen die für diese beiden Parameter vorgesehenen beiden
Schwellwertschalter (bei Erreichen vorgegebener oberer Grenzwerte
für die Temperatur einerseits und für die – einem
Ladezustand entsprechende – Akkumulatorspannung andererseits)
gleichzeitig an, so schaltet die Schaltung mittels eines Schalters
eine Last an den Akkumulator an und entlädt diesen so weit,
bis er sich nicht mehr in einem kritischen Ladezustand oder bei
einer kritischen Temperatur befindet.
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Li-Akkumulatoren
sind jedoch nicht nur hinsichtlich Betrieb und Aufladung, sondern
auch hinsichtlich der Lagerung der Akkumulatoren problematisch.
Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass Akkumulatoren (wiederaufladbare
Batterien) gleichermaßen im voll- oder teilgeladenen Zustand,
aber auch nach vollständiger Entnahme der in den Zellen gespeicherten
Energie, gelagert werden können. Die Erfahrung zeigt jedoch,
dass insbesondere Li-Ionen Zellen und aus diesen aufgebaute wiederaufladbare Batterien
bei Lagerung im (nahezu) voll geladenen Zustand einer stärkeren
Alterung unterliegen, als dies bei Lagerung im teilgeladenen oder
vollständig entladenen Zustand der Fall ist. Diese Alterung äußert
sich in einer Zunahme des Innenwiderstandes der Batterie und einem
irreversiblen Verlust von Energiespeicherkapazität der
Li-Ionen Batterien.
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Vor
allem die Lagerung im vollständig geladenen Zustand beschleunigt
die Alterung der Li-Ionen Zellen, so dass bereits nach einmonatiger
Lagerung eine deutliche Abnahme der Kapazität des Akkumulators
auftreten kann. Um diesen Effekt zu vermeiden, werden neu gefertigte
Zellen in einem teilgeladenen Zustand gelagert und versandt. Wenn
im Gebrauch befindliche Akkupacks absehbar für längere
Zeit gelagert werden sollen, gilt es bisher als zweckmäßig,
diese Akkumulatoren nach der letzten Verwendung nicht wieder (voll)
zu laden, beziehungsweise durch Anschalten eines Verbrauchers (Gerät
oder externe elektrische Last) an den Li-Ionen-Akku diesen in einen
teilgeladenen Zustand zu überführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Akkumulator ist in den unabhängigen
Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnet. Weiterbildungen und
bevorzugte Maßnahmen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur
analogen Umsetzung der Erfindung ist beim Akkumulator gemäß Anspruch
1, über die gattungsgemäßen Merkmale
hinaus, ei ne Zenerdiode vorgesehen, die in Serie mit einem Widerstand
und dem Schalter geschaltet ist und als deren Durchbruchspannung
diejenige Akkumulatorspannung gewählt ist, die dem vorgegebenen,
tieferen Ladezustand entspricht. Durch manuelle Betätigung
des Schalters oder eines Entladeschalters, auf dessen Betätigung
der Schalter anspricht, wird der Akkumulator erfindungsgemäß in
einen tieferen Ladezustand überführt, wenn der
aktuelle Ladezustand höher als der vorgegebene, tiefere
Ladezustand ist.
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Zur
digitalen Umsetzung der Erfindung ist beim Akkumulator gemäß Anspruch
6, über die gattungsgemäßen Merkmale
hinaus, eine mit dem Schalter elektrisch verbundene digitale Schaltung vorgesehen,
die zur Messung der Akkumulatorspannung eingerichtet ist und die
im eingeschalteten Zustand den Schalter ansteuert, wenn die gemessene Akkumulatorspannung
einen Wert überschreitet, der dem vorgegebenen, tieferen
Ladezustand entspricht. Dabei ist außerdem ein Entladeschalter
vorgesehen, der bei manueller Betätigung die Schaltung
einschaltet und damit die Überführung in den für
die Lagerung optimalen Ladezustand in Gang setzt.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht in der Integration einer Vorrichtung
in den Akkumulator, durch die der Ladezustand der voll- oder teilgeladenen
wiederaufladbaren Batterie (Zelle) schnell und einfach in einen
tieferen Ladezustand überführt werden kann, und
zwar genau dann, wenn für den Benutzer ein längerer
Nichtgebrauch absehbar wird. Der angestrebte tiefere Ladezustand
ist für die Langzeitlagerung des Akkumulators günstiger
als der vollgeladene Zustand, da er mit einer geringeren Alterung auch
bei längerer Lagerung einhergeht. Die Erfindung führt
demnach zur Verlängerung der Lebensdauer des Akkumulators.
Es wird erreicht, dass Akkumulatoren, die nur gelegentlich genutzt
werden, bei der Ladung eine größere Energiemenge
reversibel aufnehmen können, als dies nach mehrfacher Lagerung
im voll geladenen Zustand der Fall wäre. Auf diese Weise
wird der ansonsten irreversibel auftretende Kapa zitätsverlust
durch Lagerung der Batterie im voll geladenen Zustand verhindert.
Für diese an einem optimalen Lagerzustand orientierte Entladung ist
erfindungsgemäß kein zusätzliches Gerät
notwendig. Es ist ebenfalls nicht notwendig, das Gerät,
das normalerweise von diesem Akkumulator gespeist wird, allein mit
dem Zweck der Entladung des Akkumulators einzuschalten. Von Vorteil
ist insbesondere, dass jeweils individuell für eine bestimmte
Akkumulator-Zellchemie ein hinsichtlich der Lagerung optimaler Ladezustand
einstellbar ist, entweder – analog – durch die
Wahl der Durchbruchspannung der Zenerdiode, oder – digital – als
direkt vorgebbarer unterer Wert der Akkumulatorspannung.
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Die
Erfindung ist demnach besonders vorteilhaft bei Akkupacks verwendbar,
die nicht dauerhaft mit dem zu versorgenden Gerät verbunden
sind, sowie bei Akkus, die sich nicht in einem ständigen
Einsatz befinden oder die nach einem gelegentlichen Einsatz für
längere Zeiten gelagert werden. Derartige Anwendungsbedingungen
finden sich typischerweise im Werkzeugverleih, in der Medizintechnik
oder im militärischen Bereich.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform der analogen Umsetzung
der Erfindung, bei der der während der Überführung
in den vorgegebenen, tieferen Ladezustand fließende Strom
die Selbsthaltung des Schalters bewirkt, wobei das Erreichen der Durchbruchspannung
die Selbsthaltung aufhebt. Auf diese Weise braucht die Entladung
z. B. nur durch einmaliges Betätigen eines Tastschalters
angestoßen werden. Andererseits wird auch der geringe,
unterhalb der Durchbruchspannung gegebenenfalls noch vorhandene
Stromfluss durch Öffnen des Schalters vollständig
unterbrochen, so dass eine unerwünschte tiefere Entladung, über
den vorgegebenen, tieferen Ladezustand hinaus, vermieden wird.
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Besonders
vorteilhaft kann diese Ausführungsform dahingehend weitergebildet
werden, dass der Schalter als Relais ausgebildet ist, und dass ein Entladeschalter
vorgesehen ist, dessen Betätigung das Relais betätigt,
wobei sich das Relais im Zusammenwirken mit einer Schaltungsanordnung
in Selbsthaltung schaltet, solange der Zenerstrom fließt.
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Bei
allen analogen Umsetzungen der Erfindung ist es vorteilhaft, eine
Anzeigevorrichtung vorzusehen, die von dem während der Überführung
in den vorgesehenen, tieferen Ladezustand fließenden Strom
gespeist ist, und die die Überführung des Akkumulators
in den vorgegebenen, tieferen Ladezustand anzeigt. Sehr einfach
ist dies gemäß einer Weiterbildung der genannten
Ausführungsform dadurch realisierbar, dass die Anzeigevorrichtung
die Überführung in den vorgegebenen, tieferen
Ladezustand mittels optischer oder akustischer Signale anzeigt.
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Bei
der digitalen Umsetzung der Erfindung gemäß Anspruch
6 ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Schaltung
sich nach Überführung des Akkumulators in den
vorgegebenen, tieferen Ladezustand selbst abschaltet, um ein Tiefentladen
des Akkumulators zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren digitalen Ausführungsform ist es von Vorteil,
dass eine von der digitalen Schaltung angesteuerte optische Anzeigevorrichtung
vorgesehen ist, die eine Aufforderung zur Aufladung des Akkumulators
angezeigt, wenn die beim Einschalten der Schaltung gemessene Akkumulatorspannung
den genannten, vorgegebenen Wert um ein vorgegebenes Ausmaß unterschreitet,
und die eine voranschreitende Überführung des
Akkumulators in den vorgegebenen, tieferen Ladezustand anzeigt.
Dem Anwender wird also mitgeteilt, ob die Entladung in Gang gesetzt
wurde, oder ob die Batterie erst noch geladen werden muss, um so
in den optimalen Lager-Ladezustand versetzt zu werden.
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Bei
allen digitalen Ausführungsformen der Erfindung ist es
vorteilhaft, den Entladeschalter als Einschalter einer Bediener-betätigten
Einheit, insbesondere einer Ladungszustandsan zeige, des Akkumulators
auszubilden und den Einschalter so zu konfigurieren, dass er bei
kurzzeitiger Betätigung die Einheit und bei längerer
Betätigung die digitale Schaltung einschaltet.
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Alle
Ausführungsformen der Erfindung lassen sich besonders vorteilhaft
bei Akkumulatoren anwenden, die in einer – insbesondere
Li-Ionen oder Li-polymer basierten – Technologie realisiert
sind, bei der die Lagerung des in einem nicht optimalen Ladezustand
befindlichen Akkumulators zu einer stärkeren Alterung des
Akkumulators führt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt,
in schematischer Darstellung anhand eines Schaltbildes, ein Ausführungsbeispiel für
die analoge Umsetzung der Erfindung,
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2 zeigt,
in gleicher Darstellung, ein Ausführungsbeispiel für
die digitale Umsetzung der Erfindung mittels einer im Akkumulator
integrierten digitalen Schaltung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Unter
einer Batterie beziehungsweise einem Akkumulator wird im Folgenden
die elektrische Verschaltung von einer oder mehreren wiederaufladbaren
Zellen innerhalb eines Batteriegehäuses verstanden. Der
beschriebene erfindungsgemäße Akkumulator kann
beispielsweise zur Stromversorgung von Elektrowerkzeugen verwendet
werden.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die beiden
Pole einer wiederaufladbaren Li-Ionen Batterie 1 mit einer
oder mehreren elektrochemischen Zellen sind mit Anschlussklemmen
(Kontakten) 2 und 3 verbunden, die an der Peripherie
des Akku-Packs 1 angeordnet sind. Die Klemmen 2 und 3 dienen
zum Anschluss eines (nicht dargestellten) stromentnehmenden Gerätes
oder zum Laden des Akkumulators 1.
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Bei
der in 1 dargestellten analogen Umsetzung der Erfindung
ist parallel zum Akkumulator 1 eine Serienschaltung aus
einer Zenerdiode 5, einem Widerstand 4 und einem
Schalter 6 geschaltet. Durch Betätigung des im
Ausführungsbeispiel als handbetätigbar angenommenen
Schalters 6 am Akkupack wird der Akkumulator 1 intern über
die Zenerdiode 5 kurzgeschlossen. Um das Fließen
zu hoher Ströme zu verhindern, ist ein Widerstand 4 mit
der Zenerdiode 5 in Serie geschaltet. Durch Auswahl der
geeigneten Durchbruchspannung der Zenerdiode 5 wird der Akkumulator 1 auf
einen definierten Ladezustand entladen.
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Im
Folgenden wird die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Einem empirisch festgestellten idealen Lager-Ladezustand
von beispielsweise 70% entspricht eine bestimmte zugehörige
Akkumulatorspannung des jeweiligen Akkumulators, die als Durchbruchspannung
der Zenerdiode 5 gewählt wird. Überschreitet
die aktuelle Akkumulatorspannung des in den optimalen Ladezustand zu überführenden
Akkumulators 1 diese dem vorgegebenen, tieferen Ladezustand
entsprechende Akkumulatorspannung, so wird die Entladung unmittelbar durch
manuelle Betätigung des Schalters 6 oder mittelbar
durch ein den Schalter 6 betätigendes Relais (also
jedenfalls nicht erst bei Überschreiten einer oberen Grenzspannung)
in Gang gesetzt, da die Zenerdiode 5 oberhalb ihrer Durchbruchspannung
leitend ist. Der Schalter 6 kann auch durch einen elektronischen
Schalter, z. B. einen Operationsverstärker, gebildet sein,
der durch Betätigen eines Tastschalters geschaltet wird.
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Nachdem
die Akkumulatorspannung durch die Entladung relativ schnell die
Durchbruchspannung erreicht hat, sollte der Stromfluss durch Öffnen des
Schalters 6 vollständig unterbrochen werden, um eine
allmähliche, vollständige Entladung des Akkumulators 1 über
die Zenerdiode 5 (Reststrom) zu verhindern.
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Der
während des Ausgleichsvorganges fließende Strom
kann zur Selbsthaltung des Schalters 6 genutzt werden.
Bei Erreichen der Durchbruchspannung (Zenerspannung) wird diese
Selbsthaltung unterbrochen, z. B. indem in an sich bekannter Weise über
die Zenerdiode 5 die Basis eines Transistors einer (nicht
dargestellten) Schaltungsanordnung angesteuert wird, wobei über
die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors der Erregungsstromkreis
eines Relais eben solange in Selbsthaltung geschaltet wird, solange
der Zenerstrom fließt.
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Der
während der Entladung fließende Strom kann mittels
einer Glühbirne oder Leuchtdioden auch in ein optisches
Signal umgewandelt werden, welches dem Benutzer zeigt, dass der
angestrebte Teilladezustand noch nicht erreicht ist. Die Umwandlung
der bei der Entladung umzuwandelnden Energie in andere gut wahrnehmbare
Signale (z. B. akustische Signale) ist ebenfalls eine Möglichkeit
zur Kenntlichmachung des Ablaufens der Entladung für den
Benutzer.
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In 2 ist
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Akkumulators 1 mit digitaler Umsetzung der autonomen Entladevorrichtung
des Akkumulators dargestellt.
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Nach
Handbetätigung eines Schalters 7, beispielsweise
durch langes (circa 5 Sekunden) Betätigen eines am Akku
standardmäßig vorgesehenen Ladungszustandsanzeige-Schalters,
wird die digitale Schaltung 8 eingeschaltet und die Akkumulatorspannung
gemessen, z. B. mittels der Messvorrichtung 9. Anhand dieses
Messergebnisses kann der Akkumulator 1 dem Anwender mitteilen,
beispielsweise mittels der optischen Anzeige 10, ob der
Ausgleich in Gang gesetzt wurde, oder ob für den optimalen
Lager-Ladezustand des Akkumulators 1 dieser erst höher
aufgeladen werden müsste.
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Ist
eine Entladung des Akkumulators 1 notwendig, so wird eine
interne Last 11 (z. B. ein Widerstand) über einen
insbesondere elektronisch oder elektromechanisch ausgebildeten Schalter 6,
der von der Schaltung 8 angesteuert wird, mit dem Akkumulator 1 verbunden.
Anhand eines geeigneten Algorithmus wird ständig die Akkumulatorspannung
gemessen und mit dem voreingestellten Wert verglichen. Die voreingestellte
Akkumulatorspannung entspricht dem angestrebten, tieferen Ladezustand.
Ist dieser Wert erreicht, wird zuerst die Last 11 abgeschaltet
und danach die digitale Schaltung 8 abgeschaltet, um ein
Tiefentladen des Akkumulators 1 zu verhindern.
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Die
Funktionen der beschriebenen Prinzipschaltung lassen sich in die
bekannten IC-Schaltungen, die zur Überwachung des Betriebes
von wiederaufladbaren Li-Zellen dienen, inkorporieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10104981
A1 [0002]
- - DE 10104981 [0003]