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Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, wobei die Ladeeinrichtung eine Abschalteinrichtung umfasst.
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Stand der Technik
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Aufladbare elektrische Energiespeicher, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus, Bleiakkus oder Nickel-Metallhydrid-Akkus können mittels einer elektrischen Ladeeinrichtung aufgeladen werden, so dass sie anschließend in der Lage sind, eine elektrische Energie an einen Verbraucher bereitzustellen. Derartige elektrische Energiespeicher werden beispielsweise in elektrischen Kleingeräten wie Lampen, elektrischen Bohrern oder elektrischen Schraubern eingesetzt. Beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers besteht das grundsätzliche Problem, dass ein inkorrekter Ladestrom zu Beschädigungen sowohl des elektrischen Energiespeichers als auch der Ladeeinrichtung führen kann. Insbesondere Lithium-Ionen-Akkus sind empfindlich und können im Fall einer Überladung platzen, was in ungünstigen Fällen mit einer Explosion oder Feuer einhergehen kann.
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Um die Ladeeinrichtung und den elektrische Energiespeicher abzusichern, wird üblicherweise eine Schalteinrichtung zwischen der Ladeeinrichtung und dem Energiespeicher vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom zu unterbrechen, wenn sich ein kritischer Zustand beim Laden ergibt. Die Schalteinrichtung soll dabei klein und kostengünstig sein und insbesondere im Fall eines zu hohen Ladestroms zuverlässig abschalten. Ferner ist es wünschenswert, dass die Schalteinrichtung reversibel ist, so dass sie nach dem Abschaltvorgang ohne Zutun eines Benutzers ein weiteres Laden zu einem späteren Zeitpunkt ermöglicht. Außerdem soll das Abschalten möglichst von extern steuerbar sein, so dass das Abschalten auch aufgrund eines anderweitig bestimmten kritischen Ladezustands erfolgen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schalteinrichtung anzugeben, welche möglichst viele der oben angegebenen Anforderungen erfüllt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Ladeeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Abhängige Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbahrung der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers umfasst eine Stromquelle und eine Schalteinrichtung zur Verbindung des Energiespeichers mit der Stromquelle in Abhängigkeit eines Steuersignals. Dabei umfasst die Schalteinrichtung ein magnetisch schließbares Schaltelement, einen Magneten zum Schließen des Schaltelements und eine elektrische Heizeinrichtung für den Magneten.
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Auf der Basis des Steuersignals kann die elektrische Heizeinrichtung aktiviert werden, um den Magneten zu erwärmen. Erreicht der Magnet eine vorbestimmte Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur, so verliert er weitgehend seine magnetische Wirkung, so dass das Schaltelement nicht mehr betätigt und ein Ladestrom zwischen der Ladeeinrichtung und dem elektrischen Energiespeicher unterbrochen wird.
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Üblicherweise ist eine gewisse Zeit von Nöten, in der die elektrische Heizeinrichtung den Magneten erwärmt, bis dieser seine Curie-Temperatur erreicht. Umgekehrt dauert es eine gewisse Zeit, bis der erwärmte Magnet die Curie-Temperatur wieder unterschreitet, nachdem die elektrische Heizeinrichtung abgestellt ist. Eine Abschaltverzögerung und eine Einschaltverzögerung des Schaltelements lassen sich somit durch geeignete Auslegung des Magneten, des Schaltelements und der Heizeinrichtung und ihrer relativen Positionen und Abstände beeinflussen. Eine kurzfristige Störung bzw. ein nur kurzzeitig aktiviertes Steuersignal kann so beispielsweise nicht zu einem Abschalten des Schalterelements führen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ladeeinrichtung ferner eine Überwachungseinrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands der Ladeeinrichtung, wobei die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Heizeinrichtung in Abhängigkeit des bestimmten Ladezustands anzusteuern, um das Schaltelement zu öffnen.
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Die Überwachungseinrichtung kann einen oder mehrere Ströme, Spannungen, Temperaturen und andere physikalische Parameter im Bereich der Ladeeinrichtung und/oder des elektrischen Energiespeichers abtasten und auf der Basis der abgetasteten Werte entscheiden, ob ein kritischer Zustand vorliegt. Ist dies der Fall, so kann die Überwachungsreinrichtung die Heizeinrichtung ansteuern, so dass der elektrische Energiespeicher schließlich elektrisch von der Stromquelle getrennt wird. Dadurch kann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung zur Abschaltung auf der Basis einer Vielzahl von Parameter eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung mit dem Schaltelement in Serie geschaltet, so dass die Heizeinrichtung von einem zwischen der Stromquelle und dem Energiespeicher fließenden Strom durchflossen ist.
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Auf diese Weise kann eine einfache und robuste Überstromabschaltung des Energiespeichers von der Stromquelle implementiert sein. In diesem Fall kann die Schalteinrichtung ohne eine Hilfsspannung bzw. einen Hilfsstrom ausgelöst werden, so dass ein sehr robuster und ausfallsicherer Betrieb ermöglicht sein kann. Wie oben ausgeführt ist, kann die Schalteinrichtung einen weiteren Betrieb der Ladeeinrichtung zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich dann, wenn der Magnet wieder unter seine Curie-Temperatur abgekühlt ist, ermöglichen, ohne einen Eingriff durch einen Benutzer zu erfordern. Die angegebene Schalteinrichtung arbeitet im Gegensatz zu beispielsweise einer Schmelzsicherung zerstörungsfrei, so dass die Funktionsfähigkeit der Schalteinrichtung beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung auch zerstörungsfrei geprüft werden kann.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ladeeinrichtung eine weitere Heizeinrichtung und eine Überwachungseinrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands der Ladeeinrichtung, wobei die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die weitere Heizeinrichtung in Abhängigkeit des bestimmten Ladezustands anzusteuern, um das Schaltelement zu öffnen. Dadurch können die Vorteile des beschriebenen Schaltelements mit der vom Ladestrom durchflossenen Heizeinrichtung mit der universellen Auslösbarkeit einer separat angesteuerten Heizeinrichtung kombiniert werden. In einer Variante können die beiden Heizeinrichtungen ganz oder teilweise miteinander identisch sein.
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Der Magnet kann in Form eines Hohlzylinders ausgeführt sein und das Schaltelement kann im Hohlraum des Magneten angeordnet sein. Dabei sind Pole des Magneten üblicherweise an den Enden des Hohlzylinders angeordnet. Das Magnetfeld des Magneten kann dabei im Bereich des Hohlraums besonders stark sein, so dass zum zuverlässigen Schließen des Schaltelements ein relativ schwacher Magnet ausreichend sein kann. Der Magnet kann dadurch eine relativ geringe Masse aufweisen, so dass eine Wärmekapazität des Magneten gesenkt sein kann, was zu einer verkürzten Ausschalt- bzw. Einschaltverzögerung führen kann. Das Schaltelement ist üblicherweise in einem Glasrohr eingeschlossen, so dass der hohlzylindrische Magnet gleichzeitig als mechanischer Schutz des Glasrohrs dienen kann.
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Die Heizeinrichtung kann eine den Magneten umlaufende Wicklung umfassen. Dadurch kann die durch die Heizeinrichtung erzeugte Wärme verlustarm in den Magneten eingeleitet werden.
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Die Wicklung kann so orientiert sein, dass ein durch die stromdurchflossene Wicklung hervorgerufenes Magnetfeld dem Magnetfeld des Magneten entgegenwirkt. Dadurch kann eine schnellere Abschaltung ermöglicht sein. Die thermische Trägheit des Magneten kann trotzdem ausreichen, das geöffnete Schaltelement zunächst offen zu halten, auch wenn der durch die Heizeinrichtung fließende Strom durch das Öffnen des Schaltelements abgestellt wird.
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Die Überwachungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die oben erwähnte Heizeinrichtung bzw. die weitere Heizeinrichtung parallel zum Energiespeicher zu Schalten. Aufladbare Energiespeicher sind üblicherweise in der Lage, einen relativ hohen Endladestrom abzugeben. Dadurch kann die Heizeinrichtung bzw. die weitere Heizeinrichtung eine große Heizleistung umsetzen, um den Magneten schnell zu erwärmen und das Abschalten schnell herbeizuführen. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig der Energiespeicher im Rahmen des Abschaltvorgangs entladen, was insbesondere bei einer drohenden Überladung des Energiespeichers hilfreich sein kann.
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Es kann eine Ummantelung zur thermischen Isolation des Magneten und der Heizeinrichtung von einer Umgebung vorgesehen sein. Ein thermischer Einfluss der Heizeinrichtung auf die Umgebung, insbesondere im Bereich elektronischer Komponenten der Ladeeinrichtung und/oder des Energiespeichers, kann dadurch verringert sein. Außerdem kann die durch die elektrische Heizeinrichtung freigesetzte Wärmeenergie zu einem großen Anteil in den Magneten eingeleitet werden, so dass ein energetischer Aufwand zum Abschalten mittels der Schalteinrichtung minimiert sein kann.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine Ladeeinrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers;
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2 eine Variante eines Teils der Ladeeinrichtung von 1; und
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3 eine Schalteinrichtung zum Einsatz in der Ladeeinrichtung von 1 oder 2
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine Ladeeinrichtung 100 zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 105. Die Ladeeinrichtung 100 umfasst eine Stromquelle 110 und eine Schalteinrichtung 115. Die Schalteinrichtung 115 umfasst einen Reed-Kontakt 120, einen Magneten 125 und ein elektrisches Heizelement 130. Die Ladeeinrichtung 100 umfasst ferner eine erste Überwachungseinrichtung 135.
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In der Darstellung von 1 ist der elektrische Energiespeicher 105 Teil eines Akkupacks 140, der außerdem eine zweite Überwachungseinrichtung 145 umfasst. Die zweite Überwachungseinrichtung 145 ist vorzugsweise mit einzelnen Zellen des Energiespeichers 105 verbunden und dazu eingerichtet, einen oder mehrere Parameter im Bereich des Akkupacks 140 abzutasten, um einen Aufladevorgang des elektrischen Energiespeichers 105 zu steuern.
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Der Akkupack 140 ist mittels dreier Kontakte 150, 155 und 160 mit der Ladeeinrichtung 100 verbunden. Die Kontakte 150 und 160 repräsentieren einen positiven und einen negativen Anschluss für einen Ladestrom zum Aufladen des Energiespeichers 105. Über den Kontakt 155 ist die zweite Überwachungseinrichtung 145 mit der ersten Überwachungseinrichtung 135 verbunden, um Messwerte und/oder Steuerinformationen zu übermitteln. In einer alternativen Ausführungsform können der Kontakt 155 und/oder die zweite Überwachungseinrichtung 145 auch entfallen.
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Die Stromquelle 110 ist mit zwei Anschlüssen 165, 170 verbunden, an denen eine Ladespannung bzw. ein Ladestrom bereitgestellt ist. Der erste Anschluss 165 ist mittels des Reed-Kontakts 120 mit dem Kontakt 150 für den Akkupack 140 verbunden. Der zweite Anschluss 170 ist direkt mit dem Kontakt 160 für den Akkupack 140 verbunden. Solange der Reed-Kontakt 120 geschlossen ist, kann ein Ladestrom zwischen der Stromquelle 110 und dem Energiespeicher 105 fließen, so dass der Energiespeicher 105 aufgeladen wird. Der Reed-Kontakt 120 kann magnetisch betätigt werden. Insbesondere ist der Reed-Kontakt 120 dazu eingerichtet, zu schließen, wenn der Reed-Kontakt 120 im Bereich eines ausreichend starken Magnetfelds liegt. In geringer Distanz zum Reed-Kontakt 120 ist der Magnet 125 so angeordnet und ausgerichtet, dass sein Magnetfeld den Reed-Kontakt 120 schließt. Der Magnet 115 ist mittels des elektrischen Heizelements 130, das durch die erste Überwachungseinrichtung 135 aktiviert werden kann, erwärmbar.
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Bestimmt die erste Überwachungseinrichtung 135 einen kritischen Ladezustand im Bereich der Ladeeinrichtung 100 und/oder des Akkupacks 140, so bewirkt sie einen Strom durch das elektrische Heizelement 130, so dass das elektrische Heizelement 130 den Magneten 125 erwärmt, bis der Magnet 125 seine ihm zugeordnete Curie-Temperatur überschreitet, worauf sein Magnetfeld weitgehend zusammenbricht. Dadurch entfällt eine Betätigung des Reed-Kontakts 120, so dass der Reed-Kontakt 120 den ersten Anschluss 165 elektrisch vom Kontakt 150 trennt. Der durch den elektrischen Energiespeicher 105 fließende Ladestrom wird dadurch abgeschaltet.
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In der Darstellung von 1 ist die erste Überwachungseinrichtung 135 elektrisch mit den Kontakten 150 und 160 verbunden, um einen zum Betrieb des elektrischen Heizelements 130 erforderlichen Strom ganz oder teilweise dem elektrischen Energiespeicher 105 zu entnehmen. Dieser Strom kann auch aufrecht erhalten werden, nachdem der Reed-Kontakt 120 den ersten Anschluss 165 vom Kontakt 150 getrennt hat. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Überwachungseinrichtung 135 statt mit dem Kontakt 150 mit dem ersten Anschluss 165 elektrisch verbunden, so dass nach Öffnen des Reed-Kontakts 120 das elektrische Heizelement 130 nur noch mit dem durch die Stromquelle 110 bereitgestellten Strom betrieben werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform kann, anders als in 1 dargestellt, die Schalteinrichtung 115 auch seitens des Akkupacks 140 verbaut sein. In der Darstellung von 1 entfallen in diesem Fall die Kontakte 150 und 160 und eine elektrische Verbindung des Akkupacks 140 mit der Stromquelle 110 erfolgt im Bereich der Anschlüsse 165 und 170. Die Überwachungseinrichtungen 135 und 145 können dann in einer gemeinsamen Überwachungseinrichtung integriert sein.
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2 zeigt eine Variante eines Teils der Ladeeinrichtung 100 aus 1. Dargestellt ist der in 1 zwischen den Anschlüssen 165, 170 und den Kontakten 150 bis 160 dargestellte Abschnitt.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform der Ladeeinrichtung 100 ist das elektrische Heizelement 130 mit dem Reed-Kontakt 120 in Serie geschaltet, so dass der vom ersten Anschluss 165 fließende Strom zunächst den Reed-Kontakt 120 und dann das elektrische Heizelement 130 passiert, bevor er den Kontakt 150 erreicht. Die Erwärmung des Magneten 125 durch die Heizeinrichtung 130 ist somit abhängig von dem zwischen dem ersten Anschluss 165 und dem Kontakt 150 fließenden Ladestrom. In einer Ausführungsform ist keine weitere Möglichkeit vorgesehen, die Schalteinrichtung 115 mittels der ersten Überwachungseinrichtung 135 auszulösen, so dass die erste Überwachungseinrichtung 135 entfallen kann.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist jedoch die erste Überwachungseinrichtung 135 mit einem weiteren elektrischen Heizelement 205 verbunden, welches wie das Heizelement 130 dazu eingerichtet ist, den Magneten 125 zu erwärmen. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Auslösung der Schalteinrichtung 115 auf der Basis des Ladestroms kann somit auch eine unabhängige Auslösung des Schaltelements 115 auf der Basis von anderen Parameter durch die erste Überwachungseinrichtung 135 bewirkt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform können die elektrischen Heizelemente 130 und 205 durch ein einziges Heizelement gebildet sein. Die Heizelemente 130 und 205 können auch beispielsweise durch einen einzigen Leiter mit unterschiedlichen Abgriffen gebildet sein.
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3 zeigt eine Schalteinrichtung 115 zum Einsatz in der Ladeeinrichtung 100 aus 1 bzw. 2.
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Der Reed-Kontakt 120 umfasst zwei Kontaktelemente 305 und 310, die teilweise in ein Glasrohr 315 eingeschmolzen sind. Die Kontaktelemente 305 und 310 werden in der Anordnung von 1 mit dem ersten Anschluss 165 bzw. dem Kontakt 150 verbunden. Der Magnet 125 von 3 ist als Hohlzylinder geformt, wobei der Reed-Kontakt 120 im Hohlraum des Magneten 125 aufgenommen ist. Ein Nordpol des Magneten 125 ist in der Darstellung von 3 exemplarisch links, ein Südpol rechts dargestellt. Das Heizelement 130 ist durch einen Draht mit Windungen 320 gebildet. Die Windungen 320 umlaufen den hohlzylindrischen Magneten 125 auf dessen Außenseite. Enden des Drahts bilden einen positiven Heizungsanschluss 325 und einen negativen Heizungsanschluss 330. In einer Ausführungsform ist die Polarität der Heizungsanschlüsse 325, 330 derart gewählt, dass ein Magnetfeld, das sich im Bereich der Wicklungen 320 des Heizelements 130 einstellt, wenn das Heizelement 130 von einem Strom durchflossen wird, dem Magnetfeld des Magneten 125 entgegengesetzt ist. Dadurch kann das Magnetfeld des Magneten 125 bereits geschwächt sein, noch bevor er in allen Bereichen seine Curie-Temperatur erreicht, so dass ein Abschaltverhalten der Schalteinrichtung 115 insgesamt beschleunigt sein kann.
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In einer Ausführungsform ist die Schalteinrichtung 115 von einer Ummantelung 335 umgeben, die eine thermische Isolation gegenüber einer Umgebung der Schalteinrichtung 115 bereitstellt. Enden der Kontaktelemente 305, 310 sowie die Heizungsanschlüsse 325, 330 sind durch die Ummantelung 335 nach außen geführt.
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Der Aufbau der Schalteinrichtung 115 von 3 ist exemplarischer Natur. In anderen Ausführungsformen kann auch beispielsweise ein stabförmiger Magnet 125 in einer geeigneten Anordnung und einem geeigneten Abstand zum Reed-Kontakt 120 verwendet werden. Allgemein kann die zum Schließen des Reed-Kontakts 120 wirksame Kraft des Magnetfelds des Magneten 125 über die Ausrichtung und den Abstand beeinflusst werden. Die wirksame Kraft kann auch durch die Größe, die Form und das Material des Magneten 125 beeinflusst werden. Vorzugsweise ist der Magnet 125 zusammen mit dem Reed-Kontakt 120 so ausgelegt, dass der Reed-Kontakt 120 sicher geschlossen ist, solange der Magnet 125 eine Temperatur unterhalb seiner Curie-Temperatur aufweist.
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Zur Beeinflussung einer zeitlichen Verzögerung zwischen einem Aktivieren des Heizelements 130 und einem Abschalten des Reed-Kontakts 120 können insbesondere der Curie-Punkt des Magneten 125 durch entsprechende Wahl des Materials des Materials des Magneten 125 und einer Heizleistung des elektrischen Heizelements 130 beeinflusst werden.
