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Die
Erfindung betrifft einen Energiespeicher, welcher mindestens eine
Batteriezelle enthält.
Unter einer Batteriezelle sei in diesem Kontext beispielsweise auch
eine wiederaufladbare Speicherzelle („Akku-Zelle”) oder
dergleichen verstanden. Solche Energiespeicher können in Abhängigkeit von der gewünschten
elektrischen Spannung und der zur Verfügung gestellten Kapazität eine Mehrzahl
von Batteriezellen aufweisen, welche seriell und/oder parallel miteinander
verschaltet sind. Daneben kann der Energiespeicher weitere Bauelemente
aufweisen, welche Zusatzfunktionen realisieren. Beispielsweise kann
eine solche Zusatzfunktion eine Kapazitätsanzeige oder eine Strombegrenzung
sein. Sämtliche Bauteile
des Energiespeichers können
in ein Gehäuse
eingebaut werden, welches weiterhin Anschlusskontakte und/oder mechanische
Befestigungsvorrichtungen aufweisen kann. Solche Energiespeicher werden
meist zur Versorgung von transportablen Elektrogeräten eingesetzt,
beispielsweise Unterhaltungselektronik, tragbare Computer, Elektrowerkzeuge
oder Gartengeräte.
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In
den Zeiten, in welchen ein Elektrogerät nicht Verwendung findet,
wird der Energiespeicher entweder innerhalb oder außerhalb
des Gerätes
gelagert. Die Lagerung des Energiespeichers erfolgt dabei bei einer
zufälligen
Spannung bzw. mit einer zufälligen
gespeicherten Ladungsmenge. Die Ladungsmenge bzw. die Spannung ergibt
sich dabei aus dem Ladezustand, welcher sich zum Ende der Benutzung
des Gerätes
eingestellt hat. Dies kann die Maximalspannung sein, wenn der Energiespeicher unmittelbar
vor der Lagerung mittels eines Ladegerätes aufgeladen wurde. Weiterhin
kann die Lagerspannung die minimale Entladespannung sein, wenn mit
dem Energiespeicher vor der Lagerung ein Gerät bis zur voll ständigen Entladung
betrieben wurde. Weiterhin kann die Lagerspannung zwischen diesen beiden
Extremwerten liegen.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriezellen auch bei
Nichtgebrauch allein durch die Lagerung einer Alterung unterliegen.
Die Alterung bewirkt dabei eine Zunahme des Innenwiderstandes der
Batteriezelle sowie einen nicht reversiblen Kapazitätsverlust.
Weiterhin ist bekannt, dass die Alterung einer Batteriezelle bei
deren Lagerung von deren Ladungszustand abhängt. Beispielsweise altern
voll geladene Lithium-Ionen-Batteriezellen schneller als weniger
geladene Batteriezellen. Da insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen
eine sehr geringe Selbstentladung haben, führt dies dazu, dass ein voll
geladener Energiespeicher sehr lange auf einem hohen Ladezustand
bzw. einer hohen elektrischen Spannung verbleibt, was die Alterung
dieser Zellen weiter beschleunigt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Energiespeicher anzugeben, welcher eine geringere Anfälligkeit gegen
Alterung allein durch Lagerzeit ohne Betrieb aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Energiespeicher, welcher mindestens eine Batteriezelle enthält, sowie
mindestens eine Zenerdiode, welche parallel zu mindestens einer
Batteriezelle angeordnet ist, wobei die Kathode der Zenerdiode mit
dem Plus-Pol mindestens einer Batteriezelle und die Anode mit dem
Minus-Pol mindestens einer Batteriezelle verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass durch mindestens eine Zenerdiode, welche parallel zu
mindestens einer Batteriezelle geschaltet ist, die jeweiligen Batteriezellen
entladen werden können, bis
diese eine optimale Ladungsmenge enthalten. Die optimale Ladungsmenge
ist dabei so bestimmbar, dass einerseits dem Benutzer auch nach
längerer
Lagerzeit des Energiespeichers eine Benutzung des Gerätes ermöglicht wird
und andererseits die Alterung der Batteriezellen des Energiespeichers
im Vergleich zu einem höheren
Ladungszustand verringert ist. Die Durchbruchspannung der Zenerdiode
ist dabei so gewählt,
dass der Entladestrom durch die Zenerdiode zum Erliegen kommt, wenn
eine bestimmte, vorgebbare Zellenspannung der Batteriezellen erreicht
ist. Diese Zellenspannung korreliert unmittelbar mit einer gespeicherten
Ladungsmenge, weshalb diese Begriffe in der folgenden Beschreibung
synonym gebraucht werden.
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Fallweise
können
mehrere, seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Batteriezellen über eine
einzelne Zenerdiode entladen werden. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann eine oder eine Mehrzahl seriell und/oder parallel
verschaltete Batteriezellen über
eine Mehrzahl seriell verschalteter Zenerdioden entladen werden.
Auf diese Weise kann die vorausbestimmte Lagerspannung der Batteriezellen
durch die Auswahl der Durchbruchspannung und/oder der Anzahl der
Zenerdioden eingestellt werden.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgesehen
Entladung der Batteriezellen des Energiespeichers über mindestens
eine Zenerdiode wird der Energiespeicher innerhalb einer bestimmten
Lagerzeit auf einen optimalen Ladungszustand entladen, welcher einer beschleunigten
Alterung entgegenwirkt. Gleichzeitig kommt die Schaltung ohne aufwendigen
Regelalgorithmus aus.
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Um
die Entladung der Batteriezellen zu verlangsamen, kann vorgesehen
sein, den Entladestrom über
mindestens ein Widerstandselement zu begrenzen. Das Widerstandselement
kann dabei insbesondere durch einen Widerstand oder einen Transistor
gebildet werden. Fallweise wird der Fachmann auch in Betracht ziehen,
mehrerer solcher Bauelemente vorzusehen, um den Widerstand und damit den
Strom in der Entladeleitung zu kontrollieren.
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Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, die Entladeleitung mit der darin befindlichen,
mindestens einen Zenerdiode, durch ein Schaltelement von der mindestens
einen Batteriezelle zu trennen, wenn der Energiespeicher in einem
Gerät eingesetzt
ist. Auf diese Weise steht dem Benutzer die volle Batteriekapazität zum Betrieb
seines mobilen Elektrogerätes zur
Verfügung.
Sobald der Benutzer den Energiespeicher aus dem Gerät entfernt,
beispielsweise zur Lagerung, wird das Schaltelement geschlossen
und die Batteriezellen werden über
die mindestens eine Zenerdiode bis zur vorausbestimmten Lagerspannung
entladen. Als Schaltelement eignet sich dabei insbesondere ein Transistor
oder ein mechanischer Gehäusekontakt,
welcher durch das Einführen
des Energiespeichers in eine entsprechende Gehäuseausnehmung des Elektrogerätes betätigt wird.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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1 zeigt
die Kennlinien dreier Zenerdioden gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine mögliche
Schaltungsanordnung, welche eine Batteriezelle und eine Zenerdiode innerhalb
eines Energiespeichers umfasst.
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3 zeigt
eine weitere mögliche
Schaltungsanordnung, welche eine verlängerte Entladezeit aufweist.
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4 zeigt
eine mögliche
Schaltungsanordnung zur Kontrolle mehrerer Batteriezellen in einem Energiespeicher.
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5 zeigt
eine mögliche
Schaltungsanordnung, bei welcher der Entladevorgang zeitlich gesteuert
werden kann.
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1 zeigt
die Kennlinien dreier beispielhaft ausgewählter Zenerdioden. Dabei ist
die an der Zenerdiode anliegende Spannung U auf der horizontalen
Achse aufgetragen. Der bei der jeweiligen Spannung durch die Diode
fließende
Strom I ist auf der vertikalen Achse des Koordinatensystems aufgetragen.
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Sofern
die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, d. h. die Kathode
ist mit dem Plus-Polder Spannungsversorgung verbunden und die Anode
mit dem Minuspol, ist die Spannung in 1 mit positivem
Vorzeichen dargestellt. Die Zenerdiode zeigt in diesem Fall ein
normales Diodenverhalten, d. h. nach erreichen einer Schwellenspannung
von etwa 0.7 V wird die Diode leitfähig. Der durch die Diode fließende Strom
steigt dann mit der anliegenden Spannung sehr stark an, sofern er
nicht durch weitere Maßnahmen
begrenzt wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Zenerdiode in Sperrrichtung betrieben, d. h. die Kathode ist mit
dem Plus-Pol einer Spannungsquelle und die Anode mit dem Minuspol
einer Spannungsquelle verbunden. Dieser Fall ist in 1 als
negative Spannung dargestellt. In diesem Fall sperrt die Zenerdiode
den Stromfluss bis zum Erreichen einer Schwellenspannung. Bei Überschreiten
der Schwellenspannung setzt ein Stromfluss ein. Der durch die Zenerdiode fließende Strom
steigt dabei mit zunehmender Spannung sehr stark an, sofern er nicht
durch weitere Maßnahmen
begrenzt wird. Die Schwellenspannung, bei welcher der Stromfluss
einsetzt, wird auch als Zenerspannung bezeichnet. Die in 1 dargestellte Kennlinie
A zeigt dabei eine Diode mit einer Zenerspannung von etwa 8 V. Kennlinie
B zeigt eine Diode mit einer Zenerspannung von 5.6 V. Kennlinie
C ist für
eine Diode mit einer Zenerspannung von 2.7 V gültig.
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Sofern
der Betrag der anliegenden Spannung geringer ist als die Zenerspannung,
fließt
kein Strom durch die Diode. Dies bedeutet jedoch nicht zwingend,
dass der gemessene Stromfluss exakt 0 Ampere beträgt. Vielmehr
kann ein geringer Leckstrom durch die Diode fließen, beispielsweise ein Tunnelstrom.
Ein solcher Leckstrom ist vorzugsweise kleiner als 25 μA. Er kann
von der Temperatur, der Alterung und der angelegten Spannung abhängen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in einem Energiespeicher. Der Energie speicher weist zwei Anschlusskontakte 1, 2 auf, über welche
ein Elektrogerät
aus dem Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird.
Diese elektrische Energie wird von einer Batteriezelle B1 zur Verfügung gestellt.
Unter einer Batteriezelle sei in diesem Kontext beispielsweise auch
eine wiederaufladbare Speicherzelle („Akku-Zelle”) oder
dergleichen verstanden. Zur Erhöhung
der Kapazität
können
auch mehrere, parallel geschaltete Batteriezellen vorgesehen werden,
welche jedoch in 2 nicht dargestellt sind. Zur
Lagerung des Energiespeichers soll dieser in einen Ladezustand gebracht
werden, bei welchem die Alterung der Batteriezelle B1 möglichst
gering ist. Der Ladungszustand der Batteriezelle B1 ist durch eine Klemmenspannung
an den Anschlusskontakten 1, 2 eindeutig identifizierbar.
Der Ladungszustand bzw. die Klemmenspannung, welche zur Lagerung
verwendet werden soll, kann beispielsweise durch Computersimulationen
oder durch Experimente mit beschleunigter Alterung bestimmt werden.
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Die
Zenerdiode Z1 ist parallel zur Batteriezelle B1 geschaltet, sodass
die Kathode der Zenerdiode Z1 mit dem Plus-Pol der Batteriezelle
verbunden ist. Weiterhin ist die Anode der Zenerdiode mit dem Minus-Pol
der Batteriezelle verbunden. Die Zenerdiode Z1 ist somit in Sperrrichtung
mit der als Spannungsquelle wirkenden Batteriezelle B1 verbunden.
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Die
Zenerspannung ist dabei so gewählt, dass
der Stromfluss aus der Batteriezelle B1 durch die Zenerdiode Z1
bei erreichen der optimalen Lagerspannung bis auf den unvermeidlichen
Leckstrom der Zenerdiode Z1 zum Erliegen kommt. Auf diese Weise
stellt sich nach einer vorgebbaren Zeitspanne, welche durch den
Ladungsinhalt der Batteriezelle B1 und den durch die Zenerdiode
Z1 fließenden
Strom gegeben ist, die optimale Lagerspannung an der Batteriezelle
B1 ein.
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Die
Zenerdiode Z1 sowie die mindestens eine Batteriezelle B1 und die
Anschlusskontakte 1, 2 befinden sich in einem
Gehäuse,
welches nicht in 2 dargestellt ist. Das Gehäuse kann
eine äußere Form
aufweisen, welche komplementär zum
Gehäusebereich
des den Energiespeicher aufnehmenden Elektrogerätes ausgestaltet ist. Fallweise
können sich
weitere Bauelemente im Gehäuse
befinden, welche in 2 nicht dargestellt sind. Mit
diesen Bauelementen kann beispielsweise der Lade- oder der Entladestrom
der Batteriezelle B1 begrenzt werden. Sofern mehrere Batteriezellen
vorhanden sind, können
Schaltungen zum Ausgleich der Ladungszustände vorhanden sein. Weiterhin
können
Schaltungsteile zur Anzeige des Ladungszustandes vorgesehen werden,
sodass der Benutzer stets über
den Ladungszustand seines Energiespeichers informiert ist.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltung
zum Einstellen einer optimalen Lagerspannung. Beispielhaft ist auch
in 3 eine einzelne Batteriezelle B2 dargestellt.
Selbstverständlich
wird der Fachmann die Anzahl und die Verschaltung der Batteriezellen
an die Erfordernisse des Elektrogerätes anpassen. Beispielsweise
können
zur Spannungserhöhung
mehrere Batteriezellen seriell verschaltet werden. Zur Kapazitätserhöhung können mehrere
Batteriezellen parallel verschaltet werden.
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Wie
bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert, kann
auch die Ausführungsform
nach 3 weitere, nicht dargestellte Schaltungsteile
aufweisen.
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Wie
bereits in Zusammenhang mit 2 erläutert wurde,
Ist der Energiespeicher dazu eingerichtet, elektrische Energie aus
mindestens einer Batteriezelle B2 an den Anschlusskontakten 1, 2 zur Verfügung zu
stellen. Die Entladung der Batteriezelle B2 auf einen vorgebbaren
Ladungszustand geschieht im Beispiel nach 3 durch
den Widerstand R2 und die Zenerdiode Z2.
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Hierbei
dient die Zenerdiode Z2 zur Begrenzung des Stromflusses, sobald
die Spannung der Batteriezelle B2 unterhalb der Zenerspannung der Zenerdiode
Z2 fällt.
Der Widerstand R2 dient zur Begrenzung des durch die Zenerdiode
Z2 fließenden Stromes.
Daher kann über
die Dimensionierung des Widerstandes R2 die Zeit eingestellt werden,
welche vergeht, bis eine vollständig
aufgeladene Batteriezelle B2 ihren optimalen Ladungszustand erreicht
hat, welcher zur Lagerung vorgesehen ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 4 schematisch
dargestellt. Im Ausführungsbeispiel
nach 4 wird die Versorgungsspannung für ein Elektrogerät durch
drei Batteriezellen B31, B32, B33 bereitgestellt. Zur Entladung
der Batteriezellen auf die optimale Lagerspannung stehen die seriell
verschalteten Bauelemente R3, Z31, Z32 und Z33 zur Verfügung. Dabei
ist die Serienschaltung der Elemente R3, Z31, Z32 und Z33 parallel
zu den Batteriezellen B31, B32 und B33 geschaltet.
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Die
Zenerspannung der Zenerdioden Z31, Z32 und Z33 wird so gewählt, dass
diese etwa 1/3 der angestrebten Lagerspannung der Serienschaltung
der Batteriezellen B31, B32 und B33 ist. Im Beispiel nach 4 entspricht
somit die Lagerspannung einer einzelnen Batteriezelle der Zenerspannung
einer einzelnen Zenerdiode. Sofern die Anzahl der Zenerdioden von
der Anzahl der Batteriezellen verschieden ist, werden die Zenerdioden
so gewählt, dass
die Summe ihrer Zenerspannungen der angestrebten Lagerspannung der
Batteriezellen entspricht.
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Zur
Begrenzung des Entladestromes dient der Widerstand R3. Dem Fachmann
ist selbstverständlich
geläufig,
dass als Widerstand auch der Kanalbereich eines Feldeffekttransistors
oder die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors verwendet
werden kann. Weiterhin kann der schematisch als R3 dargestellte
Widerstand auch durch ein Widerstandsnetzwerk gebildet werden, welches
eine Mehrzahl von Widerständen
aufweist.
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Die
Zeit, welche bis zum Erreichen der optimalen Lagerspannung vergeht,
ergibt sich dabei aus dem Ladezustand des Energiespeichers und dem über R3,
Z31, Z32 und Z33 fließenden
Entladestrom. Der Entladestrom kann dabei durch Dimensionierung des
Widerstandes R3 eingestellt werden.
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5 zeigt
eine weitere Entladungsschaltung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers. Dieser
enthält
wiederum zwei Anschlussklemmen 1, 2 über welche
elektrische Energie mindestens einer Batteriezelle B4 an ein angeschlossenes
Elektrogerät
geliefert wird. Um den Energiespeicher B4 auf eine optimale Ladespannung
zu entladen, wenn das Elektrogerät
nicht benutzt wird, steht ein Widerstand R4 und die Zenerdiode Z4
zur Verfügung.
Diese sind über
ein Schaltelement T1 trennbar mit dem Energiespeicher B4 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel nach 5 handelt
es sich beim Schaltelement T1 um einen selbstleitenden Feldeffekttransistor.
Dieser verbindet den Widerstand R4 und die Zenerdiode Z4 mit dem
Minus-Pol der Batteriezelle B4, sofern an der Anschlussklemme 3 des
Energiespeichers keine Spannung anliegt. Es fließt nun ein Entladestrom, dessen
Größe durch
den Wert des Widerstandes R4 und den Widerstand des Kanalbereiches
des Feldeffekttransistors T1 begrenzt ist. Sofern der Energiespeicher
B4 seine optimale Lagerspannung erreicht hat, wird die Zenerspannung
der Zenerdiode Z4 unterschritten und der Stromfluss unterbrochen.
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Zum
Laden des Energiespeichers wird ein Ladegerät an die Kontakte 1, 2 und 3 angeschlossen. Dieses
stellt einen Ladestrom an den Kontakten 1, 2 zur
Verfügung.
Weiterhin liefert das Ladegerät
eine Versorgungsspannung an Anschluss 3, welche das Schaltelement
T1 öffnet,
d. h. die Verbindung der Zenerdiode Z4 mit dem Minus-Pol der Batteriezelle
B4 wird getrennt. Auf diese Weise fließt der Ladestrom nicht durch
die Zenerdiode Z4 und den Widerstand R4. Die Verlustleistung beim
Ladevorgang wird dadurch verringert.
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Wenn
der Energiespeicher unmittelbar nach dem Ladevorgang gelagert wird,
wird das Schaltelement T1 wieder geöffnet. Dies geschieht dadurch, dass
keine Gatespannung an den Feldeffekttransistor T1 über Anschlusskontakt 3 angelegt
ist. Dadurch entlädt
sich die Batteriezelle B4 sofort wieder über den Widerstand R4 und die
Zenerdiode Z4 bis zum Erreichen der optimalen Lagerspannung.
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Wenn
der Energiespeicher in ein Elektrogerät eingesetzt wird, so wird
vom Elektrogerät über Anschlusskontakt 3 eine
Gatespannung an den Feldeffekttransistor T1 angelegt. Dieser sperrt
daraufhin den Stromfluss über
das Widerstandselement R4 und die Zenerdiode Z4. Dadurch wird die
Batteriezelle B4 nicht entladen, solange der Energiespeicher mit einem
Elektrogerät
verbunden ist. Dadurch steht die volle Kapazität der Batteriezelle B4 zum
Betrieb des Elektrogerätes
zur Verfügung.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die Ausführung des Schaltelementes T1
mit einem selbst leitenden Feldeffekttransistor lediglich beispielhaft
zu verstehen ist. Selbstverständlich
ist es dem Fachmann freigestellt, statt eines Feldeffekttransistors
einen Bipolartransistor einzusetzen. Weiterhin können mechanische Schaltelemente
vorgesehen werden, welche beim Einsetzen des Energiespeichers in
ein Zu versorgendes Elektrogerät
und/oder in ein Ladegerät
die Verbindung zur Zenerdiode Z4 und dem Widerstandselement R4 öffnen. Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass Schaltelement T1 selbst als Widerstandselement
zur Kontrolle des Entladestromes zu verwenden.