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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Akku- bzw. Batteriepack mit einer
eingebauten Überwachungsschaltungen
zum Überwachen
der Funktion einzelner Spannung liefernder Zellen.
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Stand der Technik
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Derartige
Akku- bzw. Batteriepacks werden beispielsweise in Laptops oder Power
Tools verwendet, wobei z. B. bei Li-Ionen-Akkus die Spannung jeder
einzelnen Zelle überwacht
wird und eine Fehlfunktion der Zelle an ein Ladegerät oder an
einen Verbraucher ausgegeben wird, wenn eine Überwachungsschaltung feststellt,
dass die Spannung einer Zelle unter einen vorbestimmten Grenzwert
gefallen ist.
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Bei
diesen herkömmlichen
Systemen kann jedoch jeweils nur eine begrenzte Anzahl von einzelnen
Zellen überwacht
werden, da bei der üblichen parallelen
Verbindung von jeder Überwachungsschaltung
mit einer Signalauswertungsschaltung schon bei mehr als 10–20 Zellen
die Gesamtspannung zu hoch wird, um noch eine Erfassung einzelner Zelleninformations-Signale
zu ermöglichen.
Insbesondere für
Anwendungen, bei denen besonders leistungsfähige Akku- bzw. Batteriepacks
benötigt werden,
wäre es
aber vorteilhaft, eine größere Anzahl
einzelner Zellen, in der Größenordnung
von mehreren Hunderten oder sogar bis zu Tausend, zu einem Akku-
bzw. Batteriepack zusammenfassen zu können, und dann auch in diesem
Akku- bzw. Batteriepack weiterhin die Funktion jeder einzelnen Zelle zuverlässig überwachen
zu können.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Akku- bzw. Batteriepack
bereitzustellen, wobei eine beliebige Anzahl einzelner Zellen einfach überwacht
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch den Akku- bzw. Batteriepack gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine
Vorrichtung, insbesondere ein Akku- bzw. Batteriepack bereit, umfassend
mehrere einzelne miteinander verbundene Spannung liefernde Zellen,
wobei jeder Zelle eine Überwachungsschaltung
zugeordnet ist, um die Funktion der Zelle zu überwachen und um abhängig davon
eine Zelleninformation bereitzustellen, und wobei jede Überwachungsschaltung
mit einer Kopplungsanordnung gekoppelt ist, die abhängig von
den Zelleninformationen das Bereitstellen eines galvanisch getrennten
Zustandssignals bewirkt. Hierdurch kann durch das Bereitstellen
des galvanisch getrennten Zustandssignals und somit über die
galvanische Trennung der Zellen und ihrer Überwachungsschaltungen von
einer Signalauswertungsschaltung sichergestellt werden, dass auch
bei einer großen
Anzahl von einzelnen Zellen keine ü bermäßig hohe Spannung an der Signalauswertungsschaltung
anliegt. Die Signalauswertungsschaltung kann hierbei außerhalb
des Akku- bzw. Batteriepacks vorgesehen sein, welches dann lediglich
die Spannung liefernden Zellen, ihre zugeordneten Überwachungsschaltungen
und die Kopplungsanordnung umfasst. Eine externe, beispielsweise
in einem Ladegerät
vorgesehene Signalauswertungsschaltung kann dann zur Auswertung
des Zustandssignals mit den im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehenen
Kopplungsanordnungen verbunden werden.
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Somit
kann eine prinzipiell beliebig erweiterbare Anzahl von einzelnen
Zellen überwacht
werden, so dass auch Akku- bzw. Batteriepacks mit einer sehr großen Anzahl
von Zellen einfach realisiert werden können. Weiterhin ermöglicht eine
derartige galvanische Trennung auch einen einfacheren Austausch einzelner
Zellen zusammen mit ihren zugeordneten Überwachungsschaltungen.
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Hierbei
kann vorgesehen sein, dass die Kopplungsanordnung ein erstes Kopplungselement zum
Kommunizieren mit einem außerhalb
des Akku- bzw. Batteriepacks angeordneten zweiten Kopplungselement
umfasst. Hierbei ist somit nur ein Kopplungselement im Akku- bzw.
Batteriepack enthalten, so dass beim Einbau dieses Akku- bzw. Batteriepacks
keine Leitungsverbindung zu einer Signalauswertungsschaltung werden
muss, sondern lediglich die galvanisch getrennte Signalverbindung
zwischen dem im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehenen ersten Kopplungselement
und einem beispielsweise in einem Ladegerät vorgesehenen zweiten Kopplungselement
hergestellt werden muss.
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Bei
einem derartigen Akku- bzw. Batteriepack kann eine Signalauswertungsschaltung
vorgesehen sein, welche jeweils mit den Kopplungsanordnungen gekoppelt
ist, und welche abhängig
von den Zelleninformationen ein Signal an ein Ladegerät oder einen
Verbraucher bereitstellt. Mit der im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehenen
Signalauswertungsschaltung sind somit die komplette Überwachung
der Zellen inkl. der Bereitstellung eines Fehlfunktions-Signals
bei der Fehlfunktion einer einzelnen Zelle bereits im Akku- bzw.
Batteriepack enthalten, so dass ein derartiges Akku- bzw. Batteriepack
besonders einfach in ein Gerät
integriert werden kann.
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Die
Kopplungsanordnung kann hierbei einen Optokoppler umfassen, um mit
einem einzigen Bauteil eine besonders einfach zu realisierende Kopplungsanordnung
bereitzustellen. Die Kopplungsanordnung kann ein erstes Kopplungselement,
insbesondere eine Leuchtdiode, umfassen, um mit einem zweiten, außerhalb
des Akku- bzw. Batteriepacks vorgesehenen Kopplungselement, insbesondere
einer Photozelle, zu kommunizieren. Hierbei kann auch eine Photozelle
mehreren Leuchtdioden zugeordnet sein, so dass eine verringerte
Anzahl von zweiten Kopplungselementen bereitgestellt werden muss.
Außerdem
kann die Kopplungsanordnung auch eine Einrichtung zum Herstellen
einer Funkverbindung, einer induktiven Kopplungsanordnung oder einer
kapazitiven Kopplungsanordnung umfassen.
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Es
ist nicht zwingend notwendig, dass jeder Zelle eine eigene Überwachungsschaltung
zugeordnet ist, sondern einer Überwachungsschaltung
können
jeweils mehrere Spannung liefernde Zellen zugeordnet sein. Durch
eine derartige kaskadierte Anordnung aus Akkuzellen und Überwachungsschaltungen
können
noch einfacher große
Mengen einzelner Spannung liefernder Zellen überwacht werden. Weiterhin
können,
verglichen mit einem Bereitstellen von einer eigenen Überwachungsschaltung
für jede Zelle, Überwachungsschaltungen
und Kopplungsanordnungen eingespart werden.
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Jede Überwachungsschaltung
kann hierbei jeweils die Spannung und/oder die Temperatur und/oder
den Innendruck und/oder den Innenwiderstand und/oder die Feuchtigkeit
der ihr zugeordneten Zelle/n überwachen.
Durch die Überwachung
derartiger zellentypischer Parameter können sowohl der Ladungszustand
als auch mögliche
Fehlfunktionen (z. B. Elektrolyt-Austritt) jeder einzelnen Spannung liefernden
Zelle schnell erfasst werden.
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Falls
die Signalauswertungsschaltung im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehen
ist, stellt sich als weiterer, separater Aspekt der Erfindung das
Problem, wie ein von den Zelleninformationen abhängiges Signal, das über die
Kopplungsanordnungen an die Signalauswertungsschaltung übermittelt
worden ist, mit möglichst
geringen Aufwand einem Ladegerät oder
einem Verbraucher bereitgestellt werden kann, um beispielsweise
einen Ladevorgang zu beenden oder um bei geringem Ladungszustand
den Strombedarf eines Verbrauchers zu begrenzen. Die einfachste
mögliche
Verbindung ist hier das Vorsehen eines Kontakts an der Signalauswertungsschaltung, über den
direkt an das Ladegerät
oder den Verbraucher ein Spannungspegel gegenüber dem Minus- oder Pluspol
des Akku- bzw. Batteriepacks abgegeben wird.
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Dieser
zusätzliche
Kontakt ist jedoch unnötig,
wenn beispielsweise im Akku- oder
Batteriepack bereits ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der seinerseits
bereits dem Ladegerät
oder dem Verbraucher ein von der Temperatur des Akku- bzw. Batteriepacks
abhängiges
Signal bereitstellt. Die Signalauswertungsschaltung kann dann ein
von den Zelleninformationen abhängiges
Signal über
diesen im Akku- oder Batteriepack vorhandenen Temperaturfühler an ein
Ladegerät
oder einen Verbraucher übermitteln, indem
sie eine elektrische Größe des Temperaturfühlers beeinflusst.
Dies kann bei einem NTC-Widerstand als Temperaturfühler beispielsweise
dadurch erfolgen, dass dem NTC-Widerstand ein weiterer Widerstand
parallel geschaltet wird. Dadurch wird ein Temperaturfühlersignal
erzeugt, das eine hohe Temperatur anzeigt, wodurch eine Beendigung
des Lade- oder Entladevorgangs bewirkt wird. Alternativ kann dem
Temperaturfühler
auch ein von der Zelleninformation abhängiges Signal überlagert
werden oder der Temperaturfühler
kann kurzgeschlossen oder unterbrochen werden, so dass wiederum
ein von der Zelleninformation abhängiges Signal an das Ladegerät oder den
Verbraucher übermittelt
werden kann, ohne dass außer
dem bereits vorhandenen Temperaturfühler ein weiterer Anschluss
zur Signalübermittlung
von dem Akku- bzw.
Batteriepack an das Ladegerät
oder den Verbraucher bereitgestellt werden muss.
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Die
Signalauswertungsschaltung kann ein von der Zelleninformation abhängiges Signal
auch über
eine optische oder eine Funkschnittstelle oder über eine induktive oder eine
kapazitive Kopplungseinheit an ein Ladegerät oder einen Verbraucher bereitstellen.
Auch hier entfällt
die Notwendigkeit für
einen direkten Anschluss der Signalauswertungsschaltung an das Ladegerät oder den
Verbraucher.
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Weiterhin
kann die Signalauswertungsschaltung in Abhängigkeit von der Zelleninformation über einen
im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehenen Schalter den Stromfluss
in oder aus dem Akku unterbrechen und somit ohne die Notwendigkeit
einer Signalübermittlung
an das Ladegerät
oder den Verbraucher selbsttätig
den Lade- oder Entladevorgang beenden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung des Schaltungsaufbaus einer ersten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Akku-
bzw. Batteriepacks, und
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2 ist
eine schematische Darstellung des Schaltungsaufbaus einer zweiten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Akku-
bzw. Batteriepacks.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie
aus 1 ersichtlich, umfasst ein Akku- bzw. Batteriepack 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl miteinander verbundener
Spannung liefernder Zellen 12 (wieder aufladbar oder nicht
wieder aufladbar, wie z. B. Akkuzellen oder Batteriezellen), welche
jeweils mit einer Überwachungsschaltung 14 verbunden
sind. Die Überwachungsschaltung 14 überwacht
hierbei Betriebsparameter der ihr zugeordneten Zelle 12,
wie beispielsweise die Zellenspannung (Über- oder Unterspannung), die
Temperatur, den Innendruck, den Innenwiderstand oder die Feuchtigkeit
der Zelle (um den Austritt von Elektrolyt erfassen zu können) und stellt
eine entsprechende Zelleninformation bereit. Derartige Überwachungsschaltungen 14 sind
grundsätzlich
bereits bekannt und werden auch bei herkömmlichen Akkupacks zur Überwachung
einzelner Akkuzellen verwendet.
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Weiterhin
ist eine Signalauswertungsschaltung 18 vorgesehen, die
mit jeder Überwachungsschaltung 14 galvanisch
getrennt (potentialfrei) über einen
Optokoppler 16 verbunden ist. Hierbei kann die Signalauswertungsschaltung 18 entweder
als Teil des Akku- bzw. Batteriepacks 10 vorgesehen sein, oder
kann als separates Bauteil vorliegen, das an das Akku- bzw. Batteriepack 10 angeschlossen
werden kann und z. B. in ein Ladegerät, mit dem der Akku- bzw. Batteriepack 10 geladen
werden kann, oder einen Verbraucher, der durch den Akku- bzw. Batteriepack 10 betreibbar
ist, integriert sein kann.
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Der
Optokoppler 16 ist hierbei eine Kopplungsanordnung 16,
die in einem einzigen Bauteil ausgeführt ist. Anstelle des Optokopplers 16 kann auch
eine Kopplungsanordnung vorgesehen sein, welche nur ein erstes Kopplungselement
umfasst, wie beispielsweise eine Leuchtdiode, welche mit einem außerhalb
des Akku- bzw. Batteriepacks vorgesehenen zweiten Kopplungselement,
wie beispielsweise einer Photozelle, kommuniziert. In diesem Fall kann
das zweite Kopplungselement mit der von dem extern zu dem Akku-
bzw. Batteriepack 10 vorgesehenen Signalauswerteschaltung
verbunden sein.
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Weiterhin
kann die Kopplungsanordnung auch eine Funkverbindung (z. B. ein
lokales Funknetzwerk innerhalb des Akkupacks) oder eine induktive
oder kapazitive Kopplung umfassen. Bei derartigen Kopplungsanordnungen
kann dann jeweils lediglich das erste Kopplungselement als Teil
des Akku- bzw. Batteriepacks vorgesehen sein, wobei das zweite Kopplungselement
mit der Signalauswertungsschaltung 18 gekoppelt ist, die
dann ebenfalls als vom Akku- bzw. Batteriepack 10 getrenntes
Bauteil vorgesehen ist.
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Durch
die galvanische Trennung zwischen den Überwachungsschaltungen 14 und
der Signalauswertungsschaltung 18 treten beim Zusammenfassen
einer großen
Anzahl von einzelnen Zellen 12 zu einem Akku- bzw. Batteriepack 10 an
der Signalauswertungsschaltung 18 keine hohen Spannungen auf,
so dass prinzipiell eine unbegrenzte Anzahl von Zellen 12 vorgesehen
sein kann. Weiterhin ist es einfach möglich, einen erfindungsgemäßen Akku-
bzw. Batteriepack 10 um weitere einzelne Zellen 12 und Überwachungsschaltungen 14 zu
erweitern, ohne dass hierfür
aufwändige
Maßnahmen
an der Signalauswertungsschaltung 18 durchgeführt werden müssten. Auch
der Austausch einzelner Zellen 12 (mit oder ohne die diesen
zugeordneten Überwachungsschaltungen 14)
ist problemlos möglich,
so dass beispielsweise kostengünstigere
Zellen 12 mit höheren
Toleranzen als bisher üblich
verwendet werden können.
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Die
Signalauswertungsschaltung 18 kann dann direkt über einen
Anschluss 20 des Akku- bzw. Batteriepacks 10 für ein Ladegerät oder für einen Verbraucher
ein Signal bereitstellen, das den Ladezustand und/oder Fehlfunktionen
einzelner Akkuzellen angibt. Hierzu kann als Signal beispiels weise
ein Spannungspegel oder ein Bus-Kommunikationssignal verwendet werden.
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Weiterhin
kann über
einen bereits zur Signalisierung einer erhöhten Temperatur in dem Akku- bzw.
Batteriepack 10 vorgesehenen Temperaturfühler 22,
wie beispielsweise einen Temperaturwiderstand, insbesondere einen
NTC-Widerstand 22, eine elektrische Größe, wie z. B. ein elektrischer
Widerstand oder eine Temperaturspannung oder ein Signal von der
Signalauswertungsschaltung 18 zur Beendigung des Lade-
oder Entladevorgangs an das Ladegerät und/oder den Verbraucher
ausgegeben werden.
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Hierbei
ist beispielsweise denkbar, dass zu dem NTC-Widerstand 22 ein
weiterer Widerstand 24 parallel geschaltet ist, der durch
die Signalauswertungsschaltung 18 zuschaltbar ist. Durch
Zuschalten des Widerstands 24 wird der Gesamtwiderstand
der Anordnung reduziert und somit kann die Signalauswertungsschaltung 18 dem
Ladegerät
oder dem Verbraucher durch die entsprechende Widerstandsänderung
eine zu hohe Temperatur signalisieren, obwohl diese nicht vorliegt,
und dadurch z. B. eine Beendigung des Lade- oder Entladevorgangs
seitens des angeschlossenen Ladegeräts bzw. des Verbrauchers bewirken.
Alternativ wäre
es ebenfalls denkbar, einem derartigen Temperaturfühler ein
analoges oder digitales Signal zu überlagern, welches vom Ladegerät oder vom
Verbraucher ausgewertet wird, oder einen derartigen Temperaturfühler oder
ein sonstiges, im Akku- bzw. Batteriepack vorgesehenes Element (beispielsweise
einen Kodierwiderstand) kurz zu schließen oder zu unterbrechen, um
eine Beendigung des Lade- oder Entladevorgangs zu bewirken.
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Bei
der Ausführungsform,
bei der die Signalauswerteschaltung in dem Akku- bzw. Batteriepack 10 integriert
ist, kann die Signalübermittlung
von der Signalauswertungsschaltung 18 zum Ladegerät oder Verbraucher
weiterhin auch über
eine optische Schnittstelle, eine Funkverbindung oder über eine
induktive oder kapazitive Kopplung erfolgen, oder die Signalauswertungsschaltung 18 kann
einen im Akku- bzw. Batteriepack 10 eingebauten Leistungsschalter derart
steuern, dass abhängig
von den Signalen der Überwachungsschaltungen 14 der
Stromfluss in oder aus dem Akkupack 10 unterbrochen werden
kann.
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2 zeigt
einen Akkupack 100 gemäß einer
abgewandelten zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dieser unterscheidet sich vom Akkupack 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
nur hinsichtlich des Aufbaus der Überwachungsschaltungen 114,
die, im Gegensatz zu den Überwachungsschaltungen 14 der
ersten Ausführungsform
derart ausgestaltet sind, dass eine Überwachungsschaltung 114 jeweils
die Betriebsparameter mehrerer einzelner Akkuzellen 112 überwachen und
entsprechende Zelleninformationen über Optokoppler 116 der
Signalauswertungsschaltung 118 bereitstellen kann.
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Durch
diesen kaskadierten Aufbau ist es noch einfacher, große Anzahlen
einzelner Akkuzellen 112 in einem Akkupack 100 zu überwachen,
da lediglich vorgefertigte Module, jeweils umfassend mehrere Akkuzellen 112 und
eine diesen zugeordnete Überwachungsschaltung 114,
mit einer Signalauswertungsschaltung 118 und Optokopplern 116 (oder anderen
Kopplungsanordnungen, wie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
beschrieben) kombiniert werden müssen.
Außerdem
können
hierbei Überwachungsschaltungen 114 und
Kopplungsanordnungen 116 eingespart werden.
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Bezüglich der
Signalübermittlung
von der Signalauswertungsschaltung 118 an ein Ladegerät oder an
einen Verbraucher sind hier, wie bei der ersten Ausführungsform,
wieder sowohl ein direkter Anschluss 120 als auch eine
Signalübermittlung über einen
bereits im Akku- bzw. Batteriepack 100 vorgesehenen Temperaturfühler (nicht
gezeigt) oder eine galvanisch getrennte Kopplung denkbar.