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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zwischen einem
elektrischen Energiespeicher und einem vorzugsweise netzunabhängig betriebenen
Gerät.
Derartige Energiespeicher werden für den kabellosen, netzunabhängigen Betrieb
von Elektrogeräten
und elektronischen Komponenten verwendet.
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STAND DER TECHNIK
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Für den Betrieb
von netzunabhängigen
Geräten
werden üblicherweise
mehrere einzelne Akkuzellen zu einem Pack zusammengefasst. Hierzu
werden die Zellen mit Kabeln, Nickelband, Verbindern mit Schweißwarzen
oder Blechabschnitten elektrisch verbunden. Hierbei werden die Zellen
in Reihe oder parallel geschaltet, um die Spannung (V) oder die
Kapazität
(mAh) aufzuaddieren. Ein einzelnes Pack kann dann für ein vereinfachtes
Handling bei der Montage mit einer Schrumpffolie umhüllt werden,
wodurch die einzelnen Zellen des Packs vibrationsunempfindlich zusammengehalten
werden und die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen
geschützt
sind. Aus einem solchen Pack sind dann Kabel oder Verbinder herausgeführt, die
zur Leistungsabgabe mit einem Verbraucher oder zur Aufladung mit
einem Ladegerät
verbunden werden können.
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Ferner
ist es üblich,
den Akkupack in einem stabilen, staubdichten Kunststoffgehäuse anzuordnen
und durch das Vorsehen robuster Steckkontakte dafür zu sorgen,
dass der Pack auch unter rauheren Bedingungen alltagstauglich ist.
Weiterhin sind Verriegelungshilfen vorgesehen, mittels welcher der
Akkupack für
einen sicheren und ununterbrochenen Betrieb in einem Endgerät arretiert
und kontaktiert werden kann.
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Für die einzelnen
Zellen solcher Akkupacks bzw. Akkumulatoren sind verschiedene Materialien bekannt,
die unterschiedliche Energiedichten ermöglichen. So haben Akkupacks
auf Lithium-Basis
eine vorteilhaft hohe Energiedichte. Allerdings geht von dem Element
Lithium ein gewisse Gefahr aus: In Verbindung mit anderen Materialien
können
unter bestimmten Umständen
wie Erwärmung
Zustände
entstehen, die zu starken exothermen Reaktionen bis hin zu einer
Entzündung
des Akkupacks führen
können.
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Diese
Gefahr ist noch erhöht,
wenn eine größere Anzahl
von Zellen in Reihe oder parallel geschaltet sind, wie z. B. bei
Akkupacks von tragbaren Klein-Computern. So ist es schon vorgekommen, dass
solche Akkupacks während
eines Flugs in der Passagierkabine eines Flugzeugs exotherm reagierten
und Passagiere sowie Personal des Flugzeugs gefährdeten, obwohl das Gerät ausgeschaltet
oder der Akkupack vom Gerät
getrennt war.
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AUFGABENSTELLUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung zwischen einem elektrischen Energiespeicher
und einem vorzugsweise netzunabhängig
betriebenen Gerät
zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, solche Gefahren
zu vermeiden.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte oder zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.
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Gemäß der Erfindung
weist bei einer Schaltungsanordnung zwischen einem elektrischen
Energiespeicher und einem vorzugsweise netzunabhängig betriebenen Gerät, in das
der Energiespeicher einsetzbar ist, der Energiespeicher mindestens
zwei getrennte Akkumulator-Kapazitäten mit elektrischen Anschlüssen auf,
wobei erst mit Einsetzen des Energiespeichers in das Gerät die elektrischen
Anschlüsse
der mindestens zwei Akkumulator-Kapazitäten zur Erzeugung einer Gesamtkapazität elektrisch
zusammenschaltbar sind.
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Demnach
ist der Energiespeicher in kleinere Pakete, die einzelnen "Akkumulator-Kapazitäten", aufgeteilt, die
dennoch eine gemeinsame Baueinheit bilden. Hierbei sind die einzelnen
Akkumulator-Kapazitäten
insbesondere elektrisch, ggf. auch räumlich voneinander getrennt
vorgesehen, so dass, solange der Energiespeicher bzw. Akkugesamtverbund
vom Gerät
getrennt gelagert oder transportiert wird, die einzelnen Akkumulator-Kapazitäten nicht
elektrisch bzw. räumlich
in Wirkzusammenhang stehen. Die Zusammenschaltung der Akkumulator-Kapazitäten erfolgt
erst durch das Einsetzen bzw. Einstecken des Energiespeichers in
ein Endgerät
oder wird erst hierdurch ermöglicht,
wobei in dem Gerät
Mittel vorgesehen sind, um die einzelnen Akkumulator-Kapazitäten miteinander
zur Erzeugung der Gesamtkapazität
zu verbinden. Zugleich wird auch die elektrische Verbindung mit
dem Verbraucher, d. h. dem Endgerät hergestellt.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind die
Akkumulator-Kapazitäten
durch Kontaktierung ihrer Anschlüsse
mit dem Gerät
zu der Gesamtkapazität
elektrisch zusammengeschaltet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die
elektrische Zusammenschaltung der einzelnen Akkumulator-Kapazitäten unmittelbar
hinter einer geräteseitigen
Gerätesteckverbindung
durch Brücken
zwischen mindestens zwei Anschlüssen
verschiedener Akkumulator-Kapazitäten herbeigeführt ist.
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In
einer dazu alternativen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist
die elektrische Zusammenschaltung der getrennten Akkumulator-Kapazitäten durch
ein Steuergerät
herbeiführbar.
Das Steuergerät
kann grundsätzlich
Bestandteil eines Ladegeräts für Akkupacks
sein, oder ein Gesamtgerät,
welches wahlweise mit Netz oder Akkubetrieb betrieben wird, oder
ein einzelnes Endgerät,
dass erst auf Anforderung die elektrische Verschaltung vornimmt.
Ein Vorteil des Anschlusses an ein Steuergerät besteht darin, dass alle
Akkumulator-Kapazitäten
zur Leistungsentnahme zusammengeschaltet werden können, wobei
zugleich die individuelle Stromentnahme aus den einzelnen Akkumulator-Kapazitäten gesteuert
werden kann. Es ist so beispielsweise möglich, je nach Erwärmungszustand
wechselnd aus unterschiedlichen Akkumulator-Kapazitäten Strom
zu entnehmen, zwischen den einzelnen Akkumulator-Kapazitäten während der
Stromentnahme hin und her zu schalten, oder über Leistungsregler unterschiedliche
Leistungen zu entnehmen und zusammenzuführen.
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In
Weiterführung
des Erfindungsgedankens weist jede Akkumulator-Kapazität mindestens
eine Zelle auf, wobei zur Be- oder Entladung die Temperatur wenigstens
einer der Zellen mittels eines im Energiespeicher integrierten Temperatursensors
erfassbar ist. Letzterer kann über
den Gerätestecker
mit dem Ladegerät
oder Endgerät
verbunden werden, so dass mittels eines Steuergeräts die Ladung
oder Entladung der Zellen in Abhängigkeit
von der Zellentemperatur optimal geregelt werden kann.
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Ferner
kann der Energiespeicher zur Kontaktierung mit dem Gerät eine Steckerleiste
und mindestens einen Schließkontakt
aufweisen, der durch Einsetzen des Energiespeichers in das Gerät schließbar ist
und so mindestens eine elektrische Verbindung zur Steckerleiste
schließt.
So kann im Energiespeicher bzw. Akkugesamtverbund mindestens ein
Unterbrechungsschalter integriert, ggf. sogar jeweils ein Schalter
pro Zelle oder Akkupack installiert sein, die eine elektrische Beschaltung über die Steckerleiste
erst dann ermöglichen,
wenn der Energiespeicher bzw. Akkugesamtverbund in ein passendes
Endgerät
oder Ladegerät
eingeführt
wird/wurde. Beispielsweise kann dann im zugeordneten Akkuschacht
des Geräts
ein passender Stift angebracht sein, der beim Einsetzen des Energiespeichers
bzw. Akkugesamtverbunds in das Gerät die Akkupacks mit der Steckerleiste
elektrisch verbindet. Damit ist es auch möglich, zu verhindern, dass
an einem vom Gerät
getrennten Energiespeicher bzw. Akkugesamtverbund mit metallischen
Gegenständen
unbeabsichtigt ein Kurzschluss herbeigeführt werden kann.
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Grundsätzlich können Akkumulator-Kapazitäten aus
beliebigen Materialien zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist jedoch,
wenn es sich bei dem Energiespeicher um einen Lithium- oder Lithium-Ionen-Energiespeicher
handelt und jede Akkumulator-Kapazität im Falle des Lithium-Energiespeichers höchstens
einen Lithiumgehalt von 2 g aufweist oder im Falle des Lithium-Ionen-Energiespeichers
der Äquivalent-Lithiumgehalt
höchstens
8 g oder 100 Wh beträgt.
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Weiterhin
können
die elektrisch voneinander getrennten Akkumulator-Kapazitäten mit
Einsetzen des Energiespeichers in das Gerät den jeweiligen elektrischen
Erfordernissen entsprechend in Reihe oder parallel zusammenschaltbar
sein.
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Darüber hinaus
kann bei der vorbeschriebenen zweiten Alternative das Steuergerät angepasst sein,
die elektrisch voneinander getrennten Akkumulator-Kapazitäten innerhalb
des Energiespeichers erst dann miteinander zu der Gesamtkapazität zu verschalten,
wenn eine Leistungsabgabe für
das Gerät
erforderlich ist.
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Bei
beiden oben beschriebenen Alternativen können die elektrisch voneinander
getrennten Akkumulator-Kapazitäten
innerhalb des Energiespeichers eine gemeinsame Masse haben, wobei
mit Einsetzen des Energiespeichers in das Gerät die Akkumulator-Kapazitäten mit
jeweils nur einem (dem nicht an Masse liegenden) Anschluss zu der
Gesamtkapazität zusammenschaltbar
sind. Alternativ hierzu können die
Anschlüsse
verschiedener Akkumulator-Kapazitäten schließlich innerhalb des Energiespeichers sämtlich elektrisch
voneinander getrennt sein, wobei mit Einsetzen des Energiespeichers
in das Gerät
die Akkumulator-Kapazitäten
insgesamt mit ihren jeweiligen Anschlüssen zu der Gesamtkapazität zusammenschaltbar
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten,
schematischen Zeichnungen näher
erläutert,
in denen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. entsprechende Teile
kennzeichnen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Akkugesamtverbund mit gemeinsamer Steckerleiste zum Einsetzen in
ein Gerät mit
zugeordnetem Gegenstecker und
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2 einen
Akkugesamtverbund in einem Hybridgerät, welches die Akkupacks des
Akkugesamtverbunds einzeln über
ein Steuergerät
ansprechen kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einzelne
Zellen 1, von denen jeweils sechs Zellen 1 zu
einem "Akkupack" einer vorbestimmten
Kapazität
zusammengefügt
und verschaltet sind (in den Ansprüchen allgemein mit "Akkumulator-Kapazität" bezeichnet). Drei
dieser Akkupacks bilden einen Akkugesamtver bund 3. Dieser
Energiespeicher, d. h. der Akkugesamtverbund 3 ist in einen Geräteschacht 2 einfügbar. Die
einzelnen Akkupacks sind in räumlich
getrennten Kammern 4, 8 und 9 aufgenommen.
An je einem Akkupack sind zwei Kontaktfahnen 5 und je zwei
Litzen 6 und 7 elektrisch leitend befestigt. Die
Litzen 6, 7 sind aus der jeweiligen Kammer 4, 8 und 9 herausgeführt. Ein
Sammelraum 10 ist den einzelnen Kammern 4, 8, 9 zur
Aufnahme der Litzen 6, 7 vorgelagert, welcher
mit einer Abdeckung 11 verschlossen ist. Als Bestandteil
der Abdeckung 11 ist ein Steckkragen 12 mit einer
Steckerleiste integriert, welche wiederum Kontakte 13 aufweist, die
elektrisch paarweise mit den Litzen 6, 7 der Akkupacks
verbunden sind. Somit sind die Kontakte 13 der einzelnen
Akkupacks an einer gemeinsamen Seite paarweise in der gemeinsamen
Steckerleiste aus einem Gehäuse
des Akkugesamtverbunds 3 herausgeführt.
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Geräteseitig
ist ein Geräte-Gegenstecker 14 angebracht,
bei welchem in einzelnen Kammern 16 Gegenkontakte 15 zu
den Kontakten 13 aufgenommen sind. Durch geeignete Anordnung
von Brücken 17 oder
Schaltern unmittelbar hinter den Gegenkontakten 15 werden
die einzelnen Akkupacks elektrisch miteinander verbunden sobald
der Akkugesamtverbund 3 mit seiner die Kontakte 13 aufweisenden
Steckerleiste in den Geräte-Gegenstecker 14 eingesteckt
wird. Demnach erfolgt die Verschaltung der Akkupacks erst dann,
wenn die Steckerleiste des Akkugesamtverbunds 3 mit dem
Geräte-Gegenstecker 14 kontaktiert
wird, wobei an zwei Kontakten (den beiden äußeren Kontakten in 1)
die Gesamtkapazität
für den
Endverbraucher abgreifbar ist. Schließlich sind zwei Leitungen 18 und 19 vorgesehen, über welche
die angeschlossene Gesamtleistung auf Anforderung abgeführt werden
kann.
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Schon
mit dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
lassen sich auch bestehende Transportvorschriften, beispielsweise
die IATA Verordnung "Dangerous
Goods Regulations" 2.3.5.10
erfüllen, selbst
wenn eine größere Gesamtkapazität oder eine höhere Spannung
für ein
Gerät gewünscht oder
erforderlich ist. Dann nämlich
können
die Akkupacks so aufgeteilt werden, dass der einzelne Akkupack im Falle
einer Lithium-(Metall)Batterie höchstens
einen Lithiumgehalt von 2 g aufweist oder bei Verwendung einer Lithium-Ionen-Batterie
ein "Äquivalent-Lithiumgehalt" von höchstens
8 g oder 100 Wh vorliegt, was die derzeitigen UN-Transportvorschriften erfüllen würde.
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Die 2 zeigt
ein als Hybridgerät
ausgebildetes, d. h. ein wahlweise mit Netz oder Akku betreibbares
Gerät 30 mit
einem Gerätegegenstecker 31, mittels
dessen die einzelnen Zellen mit einem Steuergerät 32 elektrisch verbunden
werden können,
wobei sie dort über
einen Lade-/Entladeanschluss 33 einzeln angesprochen werden
können.
Die Befehle hierzu werden von einer elektronischen Regeleinheit ECU 34 des
Steuergeräts 32 gegeben.
Diese koordiniert bei Aktivierung über einen Ein-/Ausschalter 38 wahlweise
den Betrieb der Komponenten 35 (Verbraucher; hier ein Motor
und eine Beleuchtungseinrichtung) über einen Netzanschluss 36 und
einen Transformator/Spannungskonverter 37 oder den Betrieb
der Komponenten 35 über
den netzunabhängigen
Akkugesamtverbund 3, ggf. mit durch die ECU 34 geregelter,
angepasster Leistungsentnahme aus den einzelnen Akkupacks. Außerdem kann
die ECU 34 vom Transformator/Spannungskonverter 37 Spannung
beziehen, um den Akkugesamtverbund 3 zu laden, wie nachfolgend
auch nochmals ausführlicher
beschrieben wird. Ferner ist eine mit der ECU 34 elektrisch
verbundene Anzeigeeinrichtung 39 vorgesehen, die z. B.
den Ladezustand bzw. die Akkukapazität anzeigt.
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Die
ECU 34 vermag weiterhin Ladung oder Entladung der Zellen 1 je
nach Temperatur der Zellen 1 zu regeln. Hierzu hat mindestens
eine Zelle 1 einen Temperatursensor 40, der über Kontakte 41 mit
dem Steuergerät 32 in
Verbindung steht.
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Weiterhin
ist vorgesehen, den Akkugesamtverbund 3 bei Entnahme aus
dem Gerät 30 stromlos zu
schalten. Hierzu enthält
der Akkugesamtverbund 3 mindestens einen Unterbrechungskontakt 50,
der nur von einem geeignet codierten Stift 51 im zugehörigen Gerät 30 aktiviert
werden kann. Bei einem solchen Unterbrechungskontakt kann es sich
auch um einen Reed-Schalter oder einen Hallsensor mit zugeordneter
Treiberelektronik handeln, der durch einen verdeckt angebrachten
Magneten aktiviert werden kann.
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
kann mittels des Steuergeräts 32,
genauer der ECU 34 eine individuelle Ansteuerung der Akkupacks
erfolgen. Die einzelne Ansteuerung von Akkupacks kann sinnvoll sein,
wenn das Gerät
oder die Akkuleistung bereitgehalten werden soll (Stand-by), wie
dies vor allem in sicherheitskritischer Umgebung verlangt wird.
Beispielhaft können
hier Einsatz-Geräte zur Brandbekämpfung,
Beleuchtung und Kommunikation genannt werden, die für ihren
sofortigen Einsatz in Ladegeräten
oder mit Netzkontakt ständig
in Bereitschaft gehalten werden müssen.
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Bei
der hierbei zu erfolgenden Erhaltungsladung kann es für den Erhalt
der Gesamtkapazität
und für
eine möglichst
lange Gesamtlebensdauer sinnvoll sein, die Akkupacks wegen der unvermeidbaren Selbstentladung
kontrolliert nachzuladen und auf einem bestimmten Niveau zu halten.
Es kann bei bestimmten Lagerzeiten und Akkupackkonfigurationen auch
sinnvoll sein, die Akkupacks einem "Training", auch Balancen genannt, zu unterziehen.
Hierbei können
aufgrund der individuellen Ansteuerbarkeit der Akkupacks einzelne
Akkupacks einem Training mit Entladung und erneuter Ladung unterworfen
werden (Formatieren/Reconditioning), während die restlichen Akkupacks
des Akkugesamtverbunds einsatzbereit und vollgeladen bereitstehen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn wenigstens ein zusätzlicher
Akkupack im Akkugesamtverbund vorgesehen ist, d. h. ein Akkupack,
der für
die Gesamtspannung bzw. Gesamtleistung eigentlich nicht notwendig
ist.
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Die
einzelne Aufladbarkeit ist auch dann vorteilhaft, wenn ein halb
entladener oder zu 2/3 entladener Akku wieder aufgeladen werden
soll. Bei bestimmten Restladungszuständen ist es für die Akkulebensdauer
aufgrund des bekannten "Memory-Effekts" und ähnlicher
Effekte ungünstig,
einfach auf "Ladung" des Akkus zu schalten.
So lassen sich nicht reversible Kapazitätsverluste vermeiden.
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Sinnvoll
kann auch eine Entladung mit anschließender einzelner Beladung (Balancing)
sein. Die Möglichkeit
der Einzelladung der Akkupacks hat auch den Vorteil, dass zum Laden
des Akkus insgesamt nur kleinere Anschlussleistungen benötigt werden,
so dass dafür
vorteilhaft auch Solarzellen verwendet werden können.
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Schließlich sei
noch darauf hingewiesen, dass innerhalb des Akkugesamtverbunds die
Trennung der einzelnen Akkupacks räumlich abgedichtet bis zur
Steckerleiste ausgeführt
werden kann. Die Trennwände
können
auch Luftkammern begrenzen, so dass die einzelnen Akkupacks nicht
nur elektrisch und räumlich,
sondern auch gasdicht und weitestgehend thermisch voneinander getrennt
angeordnet sind. Die Sicherheit kann des Weiteren auch dadurch erhöht werden,
dass den einzelnen Akkupacks ein Kühlkörper oder ein aktivierbares
Kühl- oder
Löschmittel
räumlich
zugeordnet wird. Bestandteil des Akkugesamtverbunds können letztendlich
auch Kapazitätsanzeigen
oder auswechselbare Sicherungen sein.
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Vorgeschlagen
wird eine Schaltungsanordnung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und
einem vorzugsweise netzunabhängig
betriebenen Gerät,
in das der Energiespeicher einsetzbar ist. Dabei weist der Energiespeicher
mindestens zwei getrennte Akkumulator-Kapazitäten mit elektrischen Anschlüssen auf,
wobei erst mit Einsetzen des Energiespeichers in das Gerät die elekt rischen
Anschlüsse
der mindestens zwei Akkumulator-Kapazitäten zur Erzeugung einer Gesamtkapazität elektrisch
zusammengeschaltet oder zusammenschaltbar sind. Auf diese Weise
werden z. B. beim Einsatz von Akkumulator-Kapazitäten mit
hoher Energiedichte, insbesondere solchen auf Lithium-Basis, Gefahren
durch exotherme Reaktionen vermieden.
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- 1
- Zelle
- 2
- Geräteschacht
- 3
- Akkugesamtverbund
- 4
- Kammer
- 5
- Kontaktfahne
- 6
- Litze
- 7
- Litze
- 8
- Kammer
- 9
- Kammer
- 10
- Sammelraum
- 11
- Abdeckung
- 12
- Steckkragen
- 13
- Kontakt
- 14
- Geräte-Gegenstecker
- 15
- Gegenkontakt
- 16
- Kammer
- 17
- Brücke
- 18
- Leitung
- 19
- Leitung
- 31
- Geräte-Gegenstecker
- 32
- Steuergerät
- 33
- Lade-/Entladeanschluss
- 34
- Elektronische
Regeleinheit, ECU
- 35
- Komponente
- 36
- Netzanschluss
- 37
- Transformator/Spannungskonverter
- 38
- Schalter
- 39
- Anzeigeeinrichtung
- 40
- Temperatursensor
- 41
- Kontakt
- 50
- Unterbrechungskontakt
- 51
- Stift