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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen von Batteriezellen einer Batterie. Die Batterie ist beispielsweise in einer Handwerkzeugmaschine einsetzbar, die insbesondere eine elektrische Handwerkzeugmaschine, wie zum Beispiel ein Elektroschrauber ist.
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Batterien, die auch eine Sekundärbatterie oder wiederaufladbare Batterie sein können, haben bei Temperaturen unterhalb der normalen Raumtemperatur verschlechterte Betriebseigenschaften. Insbesondere ist bei solchen Temperaturen bei Batterien die Fähigkeit vermindert, höhere elektrische Ströme entnehmen oder einladen zu können. Als Folge davon sind batteriegespeiste Geräte in der Praxis nur stark eingeschränkt verfügbar. Dies ist insbesondere bei Elektrohandwerkzeugen ein großer Nachteil.
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Um dem zu begegnen, werden herkömmlicherweise elektrische Heizelemente in die Batterie integriert, welche bei Bedarf eingeschaltet werden können. Dadurch können die Batteriezellen der Batterie soweit erwärmt, dass ein normaler Betrieb der Batterie, also Laden oder Entladen in der Anwendung, möglich ist. Die Heizelemente werden hierbei entweder durch die Batterie selbst oder über ein externes Gerät, beispielsweise ein Ladegerät, mit elektrischer Energie versorgt. Eine solche Lösung hat jedoch zum einen den Nachteil, dass zusätzlich Heizelemente eingebaut werden müssen. Zum anderen benötigen die Heizelemente zum Heizen der Batteriezellen eine nicht vernachlässigbare Energiemenge. Werden die Heizelemente von der Batterie selbst mit Energie versorgt, verringert sich die Leistung beträchtlich, die letztlich für das mit dem Batterie eigentlich zu speisende Gerät zur Verfügung steht. Werden die Heizelemente zur Vermeidung dieses Nachteils von dem externen Gerät, beispielsweise dem Ladegerät, mit Energie versorgt, wird in der Regel die örtliche Einsetzbarkeit des mit der Batterie eigentlich zu speisenden Geräts deutlich vermindert. Bei einem Elektrohandwerkzeug ist eine dauerhafte Speisung mit einem externen Gerät in der Regel nicht möglich.
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Darüber hinaus können bei sehr kalten Batterien, das heißt bei Batterien mit einer Temperatur von ca. –10°C, noch folgende Fälle auftreten.
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In einem ersten Fall kann der Batterie trotz der Kälte noch genügend Leistung entnommen werden, um damit beispielsweise ein elektrisches Gerät zu betreiben. Nachteilig ist jedoch, dass dadurch die Batterie geschädigt werden kann, so dass ihre Lebensdauer deutlich verkürzt wird.
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In einem zweiten Fall kann die Batterie, auch wenn sie vollständig aufgeladen ist, nicht mehr genügend Leistung liefern, um damit beispielsweise das elektrische Gerät zu betreiben. Hier besteht demnach der Nachteil, dass trotz vollständig aufgeladener Batterie nicht mit dem elektrischen Gerät gearbeitet werden kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen einer Batterie mit mindestens einer Batteriezelle hat einen Kondensator, mit der die Induktivität der mindestens einen Batteriezelle und ihrer Verbindungselemente derart zu einem Schwingkreis verschaltet ist, dass dessen Verlustwärme die mindestens eine Batteriezelle erwärmt.
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Erfindungsgemäß wird der Schwingkreis praktisch ausschließlich durch den Innenwiderstand der Batteriezellen und, bei mindestens zwei Batteriezellen, ihrer Verbindungselemente bedämpft. Die Verbindungselemente können auch als Batteriezellverbinder bezeichnet werden. Der Innenwiderstand setzt sich zusammen aus ohmschem Widerstand und Induktivität der Batteriezellen und, bei mindestens zwei Batteriezellen, ihrer Verbindungselemente. Die bei der Bedämpfung entstehende Verlustwärme dient fast ausschließlich zum Heizen der Batterie. Daher arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr effizient.
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Zudem ist es möglich, dass in der Batterie, genauer gesagt ihren Batteriezellen, ein Wechselstrom mit einer geeigneten Frequenz fließt. Dadurch wird die der Batterie entnommene und wieder zurück gespeiste Ladung (Strom-Zeitfläche) pro Halbwelle kleiner, was zu einem geringeren Stress der inneren Batteriezellenelemente, wie Elektroden, Elektrolyt und Separatoren, führt.
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Darüber hinaus ist der Aufwand zum Einbau des Kondensators sehr gering. Zudem hat der Kondensator und damit die erfindungsgemäße Vorrichtung einen nur sehr geringen Platzbedarf, so dass er bzw. sie sehr einfach entweder in der Batterie selbst, in einem Ladegerät oder in dem mit der Batterie zu betreibenden Gerät untergebracht werden kann. Im Falle eines elektrischen Geräts mit einem Motor kann auch ein bereits vorhandener Kondensator Verwendung finden.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch betrieben werden kann, wenn die Batterie geladen oder entladen wird. Dadurch verringert sich oder entfällt bei Temperaturen unterhalb der normalen Raumtemperatur die Wartezeit, bis die Batterie einsatzbereit ist.
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Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Oszillatorsteuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, den Schwingkreis mit einer in einem vorbestimmten Bereich einstellbaren Frequenz anzuregen.
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Die Batteriezellen der Batterie können in Reihe geschaltet sein und der Kondensator kann parallel zu der dadurch gebildeten Reihenschaltung geschaltet sein.
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Bei einer Ausführungsform ist ein von der Oszillatorsteuereinrichtung gesteuerter Schalter in Reihe zum Kondensator geschaltet und die dadurch gebildete Reihenschaltung ist parallel zur Reihenschaltung der Batteriezellen geschaltet.
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In dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig davon einsetzbar, ob ein ohmsch-induktiver Verbraucher mit einer entsprechenden Halbleiterschaltung vorhanden ist oder nicht.
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Auch die Oszillatorsteuereinrichtung und der von ihr gesteuerte Schalter haben nur eine geringe Größe, so dass die Vorrichtung weiterhin so wenig Platz benötigt, dass sie einfach entweder in der Batterie selbst, in dem Ladegerät oder in dem mit der Batterie zu betreibenden Gerät untergebracht werden kann.
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Bei einer Ausführungsform ist der Schalter ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Feldeffekttransistor.
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Außerdem kann der Schalter mit einer Freilaufdiode und/oder mindestens zwei Ansteuerstufen verschaltet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Oszillatorsteuereinrichtung zur Steuerung eines Übertragers eingerichtet sein. In diesem Fall ist kein Schalter vorhanden, der direkt in den Schwingkreis eingebaut ist.
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Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strommesseinrichtung zum Messen des im Schwingkreis fließenden elektrischen Stroms auf, wobei die Oszillatorsteuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die mit der Vorrichtung erzeugte Erwärmungsleistung in Abhängigkeit des mit der Strommesseinrichtung gemessenen Stroms zu steuern. Die Steuerung der mit der Vorrichtung erzeugten Erwärmungsleistung in Abhängigkeit von dem mit der Strommesseinrichtung gemessenen Strom kann entweder alternativ zu einer Steuerung der Frequenz des Schwingkreises oder zusätzlich dazu erfolgen.
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Ferner wird eine Batterie zur Versorgung eines elektrischen Geräts mit elektrischer Energie vorgeschlagen. Die Batterie hat mindestens eine Batteriezelle und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen der mindestens einen Batteriezelle.
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Das elektrische Gerät ist beispielsweise eine Handwerkzeugmaschine oder ein Ladegerät zum Laden einer Batterie, die zum Betrieb der Handwerkzeugmaschine zum Einsatz kommen kann.
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Die Batterie kann eine Zellenüberwachungseinrichtung zur Überwachung der mindestens einen Batteriezelle der Batterie aufweisen, wobei die Oszillatorsteuereinrichtung in die Zellenüberwachungseinrichtung integriert ist.
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Ferner wird ein Ladegerät zum Laden einer Batterie vorgeschlagen, die mindestens eine Batteriezelle aufweist. Das Ladegerät hat eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen der Batterie.
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Ferner wird eine Handwerkzeugmaschine mit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen der Batterie vorgeschlagen.
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Die Handwerkzeugmaschine ist insbesondere eine elektrische Handwerkzeugmaschine, wie zum Beispiel ein Elektroschrauber.
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Der Elektroschrauber hat ein Gehäuse mit einem Handgriff, mittels welchem ein Anwender den Elektroschrauber halten und führen kann. Ein Taster an dem Handgriff ermöglicht dem Anwender den Elektroschrauber in Betrieb zu nehmen. Beispielsweise muss der Anwender den Taster durchgehend gedrückt halten, um den Elektroschrauber in Betrieb zu halten.
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Der Elektroschrauber hat eine Werkzeugaufnahme, in welche der Anwender ein Schrauberbit einsetzen kann. Bei Betätigen des Tasters dreht ein Elektromotor die Werkzeugaufnahme um ihre Achse. Der Elektromotor ist über eine Spindel und ggf. weitere Komponenten eines Antriebsstrangs, z.B. Kupplung, Getriebe, mit der Werkzeugaufnahme gekoppelt.
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Eine Handwerkzeugmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch bei tiefen Temperaturen unabhängig von zur Verfügung stehenden externen Einrichtungen, wie elektrischer Stromversorgung, Ladegerät, usw. Außerdem ist die Handwerkzeugmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch unabhängig von speziellen Konfigurationen, wie Einsatz der Batterie in der Handwerkzeugmaschine oder dem externen Ladegerät. Somit ergibt sich für den Benutzer der Handwerkzeugmaschine auch bei tiefen Temperaturen eine deutliche Erhöhung seiner Mobilität und damit des Benutzungskomforts und/oder der Verfügbarkeit der Handwerkzeugmaschine.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie mit mindestens einer Batteriezelle vorgeschlagen. In einem Verfahrensschritt wird ein Schwingkreis, zu welchem ein Kondensator und die Induktivität der mindestens einen Batteriezelle und ihrer Verbindungselemente verschaltet sind, angeregt, so dass die Verlustwärme des Schwingkreises die mindestens eine Batteriezelle erwärmt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigt:
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1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Batterie;
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erwärmen einer Batterie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Geräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels;
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4 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Batterie;
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5 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Batterie;
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren durch gleiche Bezugszeichen indiziert, soweit nicht anders angegeben.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein Schaltbild einer Batterie 1 dargestellt, welche mit einer Vorrichtung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel verschaltet ist. Die Batterie 1 kann auch als Sekundärbatterie oder wiederaufladbare Batterie bezeichnet werden.
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Die Batterie 1 hat eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 3. Hierzu sind die Batteriezellen 3 mit Verbindungselementen 4, das heißt Verbindungsleitungen und/oder Verbindern, verbunden und bilden eine Reihenschaltung 5. Die Batteriezellen 3 werden mit einer Zellenüberwachungseinrichtung 6 der Batterie 1 überwacht, beispielsweise in Hinblick auf ihre Temperatur, die von einem Temperatursensor 7 erfasst und an die Zellenüberwachungseinrichtung 6 übertragen wird. Die aus den Batteriezellen 3 gebildete Reihenschaltung 5 hat einen Innenwiderstand 8 und eine Induktivität 9. Der Innenwiderstand 8 ist der ohmsche Widerstand der Batteriezellen 3 und ihrer Verbindungselemente 4. Die Induktivität 9 ist die Induktivität der Batteriezellen 3 und ihrer Verbindungselemente 4.
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Die Vorrichtung 2 hat einen Kondensator 10, einen Schalter 11, insbesondere einen Halbleiterschalter, und eine Oszillatorsteuereinrichtung 12. Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 kommuniziert mit der Zellenüberwachungseinrichtung 6 über eine Kommunikationsverbindung 13. Darüber hinaus kann die Zellenüberwachungseinrichtung 6 über eine Kommunikationsverbindung 14 mit einem externen Gerät 15 kommunizieren, welches in 3 schematisch dargestellt ist.
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In 1 ist der Kondensator 10 mit der Induktivität 9 der Batterie 1 zu einem Schwingkreis, verschaltet. Insbesondere bilden Kondensator 10 und Induktivität 9 einen Parallelschwingkreis. Der Schalter 11 ist in Reihe zum Kondensator 10 geschaltet. Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 steuert den Schalter 11, um die Oszillation des Schwingkreises aus Kondensator 10 und Induktivität 9 zu steuern. Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 steuert den Schwingkreis 9, 10 derart, dass er in Resonanz ist. Hierzu ist der Kondensator 10 entsprechend an die Induktivität 9 angepasst, das heißt er ist ein Resonanzkondensator. Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 ist jedoch dazu eingerichtet, den Schwingkreis in einem gewissen Bereich um die Resonanzfrequenz fR des Schwingkreises aus Kondensator 10 und Induktivität 9 anzuregen, insbesondere zu steuern. Dieser gewisse Bereich um die Resonanzfrequenz fR wird auch als vorbestimmter Bereich bezeichnet, in dem die Frequenz des Schwingkreises aus Kondensator 10 und Induktivität 9 einstellbar ist. Durch die Einstellung der Frequenz des Schwingkreises kann die mit der Vorrichtung 2 erzeugte Erwärmungsleistung gesteuert werden, wie insbesondere unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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2 zeigt ein Verfahren zum Erwärmen der Batterie 1 zur Versorgung des elektrischen Geräts 15 mit elektrischer Energie. Insbesondere handelt es sich hier um ein Verfahren zum Erwärmen der Batteriezellen 3 der Batterie 1.
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In Schritt S1 misst der Temperatursensor 7 die Temperatur der Vielzahl von Batteriezellen 3 und/oder die Umgebungstemperatur um die Batterie 1 und/oder ihre Batteriezellen 3. Hierzu umfasst der Temperatursensor 7 insbesondere eine Vielzahl von Einzelmesszellen, um die genannten Temperatur(en) zu erfassen.
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In Schritt S2 überträgt die Zellenüberwachungseinrichtung 6 die vom Temperatursensor 7 gemessene Temperatur(en) an die Oszillatorsteuereinrichtung 12 mit Hilfe der Kommunikationsverbindung 13.
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Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 vergleicht in Schritt S3 die vom Temperatursensor 7 gemessene Temperatur mit der Raumtemperatur, welche als ca. 20°C verstanden wird. Insbesondere wird bei Schritt S3 ermittelt, ob die Batteriezellen 3 für einen zufriedenstellenden Betrieb eines elektrischen Geräts 15 mit der Batterie 1 zu kalt sind oder nicht.
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Ist die Temperatur der Batterie 1 und/oder ihrer Batteriezellen 3 zu niedrig und/oder ist die Umgebungstemperatur um die Batterie 1 niedriger als die Raumtemperatur, geht der Fluss zu Schritt S4 über, bei welchem die Oszillatorsteuereinrichtung 12 den Schalter 11 in eine geschlossene Stellung schaltet. Dadurch kann die Oszillatorsteuereinrichtung 12 in Schritt S5 den Schwingkreis anregen, insbesondere in dem vorbestimmten Bereich um die Resonanzfrequenz. Durch die dabei entstehende Verlustwärme des Schwingkreises aus Kondensator 10 und Induktivität 9 werden die Batteriezellen 3 erwärmt.
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Ergibt der Vergleich bei Schritt S3 hingegen, dass die Temperatur der Batterie 1 und/oder ihrer Batteriezellen 3 nicht zu niedrig ist und/oder ist die Umgebungstemperatur um die Batterie 1 und/oder ihre Batteriezellen 3 etwa gleich der Raumtemperatur ist, schaltet die Oszillatorsteuereinrichtung 12 bei Schritt S6 den Schalter 11 in die geöffnete Stellung oder hält ihn dort, wie in 1 gezeigt. Dadurch kann die Oszillatorsteuereinrichtung 12 in Schritt S7 den Schwingkreis nicht anregen. In Folge dessen entsteht keine Verlustwärme durch den Schwingkreis aus Kondensator 10 und Induktivität 9, so dass die Batteriezellen 3 nicht dadurch erwärmt werden können.
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Im Anschluss an Schritt S5 und an Schritt S7 geht der Fluss jeweils wieder zu Schritt S1 über.
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Zusammenfassend kann die Oszillatorsteuereinrichtung 12 die Steuerung des Schwingkreises aus Kondensator 10 und Induktivität 9 auf der Grundlage der von dem Temperatursensor 7 erfassten Temperatur(en) ausführen. Die Steuerung wird also in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor 7 erfassten Temperatur(en) ausgeführt.
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3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des elektrischen Geräts 15. Das elektrische Gerät 15 weist die Batterie 1 mit der Vorrichtung 2 nach 1 auf. Das elektrische Gerät 15 ist beispielsweise eine Handwerkzeugmaschine. Das elektrische Gerät 15 kann auch beispielsweise ein Ladegerät zum Laden der Batterie 1 sein, in welches die Vorrichtung 2 eingebaut ist. Das Gerät 15 und die Zellenüberwachungseinrichtung 6 kommunizieren über die Kommunikationsverbindung 14 miteinander. Die Vorrichtung 2 ist insbesondere in die Batterie 1 eingebaut. Die Vorrichtung 2 kann auch in das Ladegerät 15 eingebaut sein.
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4 zeigt ein Schaltbild einer Batterie 1, mit welcher eine Vorrichtung 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verschaltet ist. Die Vorrichtung 20 ist in weiten Teilen auf die gleiche Weise aufgebaut wie die Vorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Ferner hat sie die gleiche Funktionsweise, so dass in dieser Hinsicht auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
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Die Vorrichtung 20 hat jedoch zusätzlich eine Strommesseinrichtung 21, welche zum Messen des im Schwingkreis aus Kondensator 10 und Induktivität 9 fließenden elektrischen Stroms dient. Die Oszillatorsteuereinrichtung 12 ist derart eingerichtet, dass sie den im Schwingkreis 9, 10 fließenden elektrischen Strom steuert oder regelt.
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Die von der Oszillatorsteuereinrichtung 12 ausgeführte Steuerung funktioniert analog zu der in 2 beschriebenen Steuerung. Das heißt, bei Schritt S6 steuert oder regelt die Oszillatorsteuereinrichtung 12, anstelle der Frequenz fR, den im Schwingkreis 9, 10 fließenden elektrischen Strom. Alle weiteren Schritte S1 bis S5 und der Schritt S7 sind bei diesem Ausführungsbeispiel gleich den Schritten S1 bis S5 und dem Schritt S7 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Durch die Einstellung des elektrischen Stroms des Schwingkreises und/oder der Amplitude des elektrischen Stroms des Schwingkreises kann die mit der Vorrichtung 20 erzeugte Erwärmungsleistung gesteuert oder geregelt werden. Die übrigen Teile der Batterie 1 sind gleich den beim ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Teilen, so dass auch in dieser Hinsicht auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
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Analog zu 3 kann die Batterie 1 mit der Vorrichtung 20 auch in dem elektrischen Gerät 15 angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist das elektrische Gerät 15 beispielsweise eine Handwerkzeugmaschine. Das elektrische Gerät 15 kann jedoch auch beispielsweise ein Ladegerät zum Laden der Batterie 1 sein.
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In 5 ist ein Schaltbild einer Batterie 1 dargestellt, mit welcher eine Vorrichtung 30 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel verschaltet ist. Auch die Vorrichtung 30 ist in weiten Teilen auf die gleiche Weise aufgebaut wie die Vorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels und sie hat die gleiche Funktionsweise, so dass in dieser Hinsicht auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird. Die Vorrichtung 30 hat jedoch, anstelle des bei der Vorrichtung 2 direkt im Schwingkreis eingebauten Schalters 11, einen Übertrager 31 zum Aufbau eines aktiven Oszillators. Auch mit einer solchen Schaltung kann die mit der Vorrichtung 30 erzeugte Erwärmungsleistung gesteuert werden. Die übrigen Teile der Batterie 1 sind gleich den beim ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Teilen, so dass auch in dieser Hinsicht auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
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Analog zu 3 kann die Batterie 1 mit der in 5 dargestellten Vorrichtung 30 auch in dem elektrischen Gerät 15 vorhanden sein. Auch in diesem Fall ist das elektrische Gerät 15 beispielsweise eine Handwerkzeugmaschine. Das elektrische Gerät 15 kann jedoch auch beispielsweise ein Ladegerät zum Laden der Batterie 1 sein.
