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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Portable elektrische Geräte verwenden im Allgemeinen Batterien oder Akkus für den Betrieb. i. d. R. sind beide entnehmbar bzw. austauschbar. Viele Geräte bieten die Möglichkeit, Akkus im Gerät selbst mit Hilfe eines externen Netzteils zu laden. Hierzu wird eine elektrische, kontaktbehaftete Verbindung hergestellt. Im Falle der Verwendung von Batterien muss immer ein Austausch erfolgen, da ein Aufladen i. d. R. nicht möglich ist.
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Bei elektrischen Geräten mit sehr geringer durchschnittlicher Leistungsaufnahme werden im Allgemeinen sog. Knopfzellen (z. B. Lithiumbatterien) mit unterschiedlichen, aber standardisierten Baugrößen verwendet. Diese Batterietypen sind aber nicht drahtlos bzw. kontaktlos aufladbar und müssen daher nach Verbrauch gewechselt werden. Aufgrund von Dichtigkeitsanforderungen des Geräts (z. B. Quarzuhren) führt dies zu erhöhten Stückkosten sowie zu weiteren Kosten beim Austausch durch den Anwender bzw. dem Handel/Service oder zum Verlust der Dichtigkeit.
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Aus der
US 3,708,343 ist ein als Knopfzelle ausgebildeter Energiespeicher bekannt.
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Aus der
DE 600 32 325 T2 ist eine elektronische Uhr bekannt, die einen mittels Induktion aufladbaren Akku aufweist. In der Uhr ist außerhalb des eigentlichen Akkus eine Ladeeinrichtung (Spule) integriert, die die empfangenen elektromagnetischen Wellen in elektrischen Strom umwandelt und an den Akku weiterleitet. Der Akku ist dabei mit der Ladeeinrichtung verbunden bzw. verdrahtet.
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Aus der
DE 19915462 A1 ist ein elektrochemischer Energiespeicher in Form einer Micro-Zelle (AAA) oder Mignon-Zelle (AA) bekannt, welche an der Gehäuseoberfläche über einen oder mehrere photoelektrische Wandler verfügen, die zur Nachladung des Energiespeichers dienen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Energiespeicher eine verbesserte Ausführungsform anzubieten.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem in der Art einer Knopfzelle und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) ausgebildeten elektrischen Energiespeicher mit einem Gehäuse, in diesem Gehäuse ein wieder aufladbares Speichermedium vorzusehen, ebenso wie eine Antenne zum drahtlosen Energieempfang, sodass das Speichermedium und damit der Energiespeicher drahtlos wieder aufladbar sind. Sowohl die Antenne als auch das Speichermedium sind somit in das Gehäuse der Knopfzelle und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) integriert, so dass diese sich bezüglich ihrer Außenabmessungen nicht von herkömmlichen Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) unterscheiden und an Stelle dieser überall eingesetzt werden kann. Die Antenne ist dabei zum drahtlosen Energieempfang, beispielsweise über elektromagnetische Wechselfelder oder vorzugsweise über magnetische Wechselfelder, ausgebildet, sodass der Energiespeicher drahtlos wieder aufladbar ist. Der große Unterschied zu bisher bekannten drahtlosen aufladbaren Systemen besteht also darin, dass der erfindungsgemäße Energiespeicher keinen elektrischen Strom zur Aufladung empfängt, sondern ein elektromagnetisches Wechselfeld, vorzugsweise durch Induktion. Ein weiterer elementarer Vorteil ist dabei, dass die Abmessungen (Durchmesser und/oder Höhe) und die elektrische Spannung des Energiespeichers vorzugsweise exakt an die Abmessungen (Durchmesser und/oder Höhe) und Spannung bisheriger und zukünftiger standardisierter Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) angepasst sind, so dass ein Einsatz bei Geräten oder Produkten, welche eine und/oder mehrere Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) benötigen, problemlos möglich ist. Es erfolgt somit eine Anordnung zumindest der Antenne und des Speichermediums in das Gehäuse des Energiespeichers, wobei die Außenabmessungen dieses Energiespeichers den Außenabmessungen heutiger und zukünftig standardisierter Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) entsprechen.
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Derartige kleine drahtlos vorzugsweise mittels magnetischem Wechselfeld aufladbare Energiespeicher könnten somit besonders bevorzugt in Form einer Knopfzelle in vollständig dicht verschlossenen Uhrengehäusen eingesetzt werden, die bisher zum Austausch der Knopfzellen geöffnet werden mussten und dadurch u. U. ihre Dichtigkeit verloren und/oder den Hersteller mit Garantieforderungen konfrontierten.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Energiespeichers besteht aufgrund der komplett möglichen Entnahme des Energiespeichers darin, dass bereits alle vorhandene und herkömmliche Batterien oder Akkus problemlos gegen den erfindungsgemäßen Energiespeicher ersetzt werden können. Das bedeutet auch, dass der erfindungsgemäße Energiespeicher für alle derzeitig gängigen und zukünftigen am Markt befindlichen Geräten nachrüstbar ist.
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Unter dem Begriff „Knopfzelle” soll eine elektrochemische Zelle (umgangssprachlich Batterie) mit runder flacher Bauform und typischen Durchmessern von 5,0 bis 25,0 mm und typischen Höhen von 2,0 bis 6,0 mm und typischen Zellspannungen von 1,35 bis 3,6 V verstanden werden. Sie erhält ihre Bezeichnung durch die Bauform, die in Größe und Form einem Kleidungsknopf ähnelt. Nach dem Elektrodenmaterial unterscheidet man u. a. zwischen Silberoxid-, Quecksilberoxid- und Lithiumzelle. Knopfzellen werden als Stromquelle in Geräten eingesetzt, die einen geringen Strombedarf haben und sehr klein sind, wie zum Beispiel Taschenrechner, Armbanduhren und Hörgeräte. Die Bezeichnung verschiedener Knopfzellen ist in der Norm DIN/EN der 60086er-Reihe standardisiert. Es gibt aber auch weitere populäre Bezeichnungen von „Knopfzellen”, die von einzelnen Herstellern entwickelt wurden. Unter dem Begriff „Micro-Zelle (AAA)” oder „Mignon-Zelle (AA)” wird die gängige Bezeichnung für eine genormte, weit verbreitete Baugröße von Batterien und Akkumulatoren mit typischen Durchmessern von 9,5 bis 10,5 mm und einer Höhe von 43,3 bis 44,5 mm (gemäß IEC-Norm) verstanden. Diese Zelltypen werden unterschieden in nichtwiederaufladbare elektrochemische Systeme wie z. B. Alkali-Mangan oder Zink-Kohle und in extern wiederaufladbare elektrochemische Systeme wie z. B. Nickel-Metallhydrid oder Nickel-Cadmium. Micro-Zelle (AAA)” oder „Mignon-Zelle (AA) werden vorwiegend in kleinen, oft tragbaren, elektrischen und elektronischen Geräten verwendet. Beispiele sind Mobiltelefone, Pager, Digitalkameras, PDAs, MP3-Player, Computermäuse, Spielzeuge, Vibratoren, Taschenlampen, Laserpointer, Taschenrechner, Uhren und Fernbedienungen.
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Durch den erfindungsgemäßen Energiespeicher ist ein Ersatz herkömmlicher standardisierter Knopfzellen und/oder herkömmlichem standardisierten Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) möglich, welche
- – der Bauform und Größe herkömmlicher heutiger und zukünftig standardisierter Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) entsprechen,
- – elektrisch kompatibel zu bestehenden Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) sind,
- – sich durch ein externes elektromagnetisches Wechselfeld, vorzugsweise durch Induktion kontaktlos aufladen lassen.
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Außerhalb und innerhalb des Gehäuses, das beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall ausgebildet sein kann, können vorteilhafterweise folgende Funktionseinheiten integriert werden:
- 1. mindestens eine Antenne, z. B. in Form einer Induktionsspule (z. B. Kupferdrahtwicklungen),
- 2. Gleichrichtereinheit (z. B. Schottky-Diode)
- 3. Speichermedium (z. B. Kondensator/Goldcap),
- 4. Kontaktflächen („+” und „–”), z. B. über ITO-Beschichtung,
- 5. a. Sicherheitseinrichtung gegen Überspannung (z. B. Zenerdiode),
b. Schaltnetzteilfunktionseinheit zur Ausgabe einer vorher festgelegten Ausgangsspannung
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Wobei die Funktionseinheiten 1, 2, 3 und 5 innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und die Funktionseinheit 4 außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Die Funktionsweise kann dann insbesondere wie folgt sein:
- 1. Die mindestens eine Antenne, vorzugsweise in Form einer oder mehrerer Spulen, empfängt die elektromagnetischen Wellen. Dies führt bei einer Spule durch Induktion zu einem Stromfluss. Bei Verwendung von zwei oder mehreren Spulen kann bei einer beliebigen Ausrichtung im Raum nahezu immer ein Empfang garantiert werden. Bei Verwendung einer Spule muss ein gezieltes Ausrichten erfolgen.
- 2. Da das empfangene Signal ein Wechselsignal ist, ist auch der induzierte Strom ein Wechselstrom. Daher muss mit Hilfe einer Gleichrichtereinheit (z. B. mit Hilfe einer Diode(n), Schottky-Diode) das Wechselsignal (Vorzeichenwechsel des Stroms) in ein Gleichsignal (Vorzeichen des Stroms bleibt immer gleich) umgewandelt werden.
- 3. Der induzierte Strom wird nach der Gleichrichtung in einem Speichermedium zwischengespeichert. Dies kann z. B. in einem Goldcap (Doppelschicht-Kondensator) oder in einem Akku erfolgen.
- 4. Die elektrische Verbindung des internen Speichermediums wird mit Hilfe elektrischer Kontakte hergestellt. Bei Kunststoffgehäusen kann dies mit Hilfe einer sog. ITO-Beschichtung erfolgen (wird ebenfalls bei TFT's oder Touchbildschirmen verwendet).
- 5. a. Da in der Regel die gleichgerichtete Spannung nicht direkt mit dem Speichermedium verbunden werden darf (z. B. wegen einer zu hohen Spannung), muss mit Hilfe geeigneter elektronischer Bauelemente eine Anpassung und ein Überspannungsschutz realisiert werden. Im einfachsten Fall kann mit Hilfe einer Zenerdiode die Spannung auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt werden.
b. Für eine effektive Anpassung der Spannung werden i. A. Schaltnetzteile verwendet.
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Ladegerät:
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Das Ladegerät stellt die primärseitige Sendeantenne dar. Beruht das Prinzip der Übertragung auf Induktion, ist die Primärantenne ebenfalls eine Spule. Die Energieübertragung erfolgt analog den Vorgängen innerhalb eines Transformator – nur das der Kopplungsfaktor < < 1 ist. Mit Hilfe von Ferriten innerhalb der Primär- als auch innerhalb der Sekundärspule(n) kann die Effizienz der Übertragung erhöht werden.
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Der typische Leistungsbereich bei Verwendung von Knopfzellen beträgt pro Zelle < 100 mW. Sollten Vielfache der Nennspannung eines Energiespeichers erforderlich sein, erfolgt die Anpassung vorzugsweise durch Änderung der äußeren Bauform, oder aber durch Reihenschaltung mehrerer Energiespeicher.
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Durch den erfindungsgemäßen Energiespeicher ergeben sich folgende Vorteile:
- – Der Aufwand für den Austausch verbrauchter Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) entfällt.
- – Erhebliche Reduzierung des Müllanfalls durch den Entfall verbrauchter Knopfzellen und/oder Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA).
- – Erstes System, welches erlaubt, einen Energiespeicher in Knopfzellenbauform oder in der Bauform von Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) vollständig innerhalb des eingesetzten Gerätes drahtlos über ein elektromagnetisches Wechselfeld, vorzugsweise durch Induktion wieder aufzuladen, ohne den Aufwand des Herausnehmens betreiben zu müssen.
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Hierdurch lassen sich zudem erhebliche Müllmengen vermeiden, wie folgende Hochrechnungen zeigen.
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Anzahl Knopfzellen:
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- 1 Mrd Menschen a 4 Knopfzellen p. a. = 4 Mrd Knopfzellen p. a.. Gewicht p. a.: 4 Mrd St p. a. a 2 Gramm pro Knopfzelle = 8.000 to Knopfzellen p. a. Müllvolumen: V = 8.000.000 kg/4.000 kg/m3 = 2.000 m3 Sondermüll.
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Dies entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von 12,6 m an Sondermüll, welcher jährlich bei Knopfzellen eingespart werden könnte.
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Anzahl Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA):
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- 1 Mrd Menschen a 10 Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) p. a. = 10 Mrd Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) p. a.. Gewicht p. a.: 10 Mrd St p. a. a 17 Gramm (im Durchschnitt) pro Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) = 170.500 to Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) p. a. Müllvolumen: V = 170,5 Mio kg/4.000 kg/m3 = 42.600 m3 Sondermüll.
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Dies entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von 35,0 m an Sondermüll, welcher jährlich bei Micro-Zellen (AAA) und/oder Mignon-Zellen (AA) eingespart werden könnte.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 einen in einem Verbraucher eingebauten erfindungsgemäßen Energiespeicher mit einem externen Ladegerät,
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2 den erfindungsgemäßen Energiespeicher.
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Gemäß der 1 ist ein in der Art einer Knopfzelle ausgebildeter elektrischer Energiespeicher 1 dargestellt mit einem Gehäuse 2, wobei im Gehäuse 2 des Energiespeichers 1 ein wieder aufladbares Speichermedium 3 vorgesehen ist, und wobei im Gehäuse 2 des Energiespeichers 1 mindestens eine Antenne 4 zum drahtlosen Energieempfang 5 vorgesehen ist, sodass das Speichermedium 3 und damit der Energiespeicher 1 drahtlos wieder aufladbar sind. Dabei sind die Abmessungen (Durchmesser und/oder Höhe) und die elektrische Spannung des Energiespeichers 1 vorzugsweise exakt an die Abmessungen (Durchmesser und/oder Höhe) und Spannung standardisierter Knopfzellen angepasst, so dass ein Einsatz bei Geräten 6 bzw. Produkten, welche eine und/oder mehrere Knopfzellen benötigen, problemlos möglich ist.
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Das Gehäuse 2 des Energiespeichers 1 kann aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet und insbesondere abgedichtet sein. Das Speichermedium 3 kann durch einen Kondensator, einen Doppelschicht-Kondensator, mit den derzeitigen Markennamen (Goldcap, Supercap, BoostCap oder Ultracap) oder einen Knopfzellenakku gebildet sein, wobei ein Aufladen des sich innerhalb des elektrischen Energiespeichers 1 befindlichen Speichermediums 3 kontaktlos durch ein externes Ladegerät 7, vorzugsweise durch Induktion, erfolgen kann. Der Leistungsbereich des elektrischen Energiespeichers 1 bei der Ausbildung in Form einer Knopfzelle bewegt sich vorzugsweise in einem Bereich bis max. 100 mW.
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Innerhalb des Gehäuses 2 des elektrischen Energiespeichers 1 kann zumindest eine der folgenden Funktionseinheiten integriert sein:
- – Antenne, z. B. in Form einer Induktionsspule (z. B. Kupferdrahtwicklungen),
- – Gleichrichtereinheit (z. B. Schottky-Diode),
- – Speichermedium (z. B. Kondensator/Goldcap, Supercap, BoostCap, Ultracap),
- – Sicherheitseinrichtung gegen Überspannung (z. B. Zenerdiode),
- – Schaltnetzteilfunktionseinheit zur Ausgabe einer vorher festgelegten Ausgangsspannung.
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Die mindestens eine Antenne 4 kann als Spule ausgebildet sein, wobei zwischen dieser und dem Speichermedium 3 eine elektrische Baueinheit, insbesondere ein Gleichrichter 8 (vgl. 2) angeordnet sein kann, wobei die Ladeeinrichtung 4, das Speichermedium 3 und die elektrische Baueinheit 8 innerhalb des standardisierten Gehäuses 2 des knopfzellenartigen und/oder micro- bzw. mignozellenartigen Energiespeichers 1 angeordnet sind.
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Der Energiespeicher 1 kann in einem als Uhr, als elektronischer Autoschlüssel oder als Hörgerät ausgebildeten Gerät 6 als Ersatz für bisher dort angeordnete Knopfzellen eingesetzt werden. Selbstverständlich sind auch alle derzeit bekannten Geräte wie z. B. Mobiltelefone, Pager, Digitalkameras, PDAs, MP3-Player, Computermäuse, Spielzeuge, Vibratoren, Taschenlampen, Laserpointer, Taschenrechner, Uhren und Fernbedienungen welche eine oder mehrere Micro-Zellen (AAA) oder Mignon-Zellen (AA) benötigen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3708343 [0004]
- DE 2854906 C2 [0005]
- DE 60032325 T2 [0006]
- DE 19915462 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN/EN der 60086er-Reihe [0013]
