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Stand der Technik
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Diese Erfindung betrifft einen Lithium-Ionen-Energiespeicher und ein Verfahren zum Erfassen einer Entladungstiefe und/oder eines Ladungszustands eines erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Energiespeichers.
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Lithium-Ionen-Energiespeicher haben eine hohe Zellenspannung und ein gutes Verhältnis zwischen gespeicherter Energie und Gewicht und sind daher für mobile Anwendungen geeignet, insbesondere für elektrisch betriebene Fahrzeuge. Lithium-Ionen-Energiespeicher werden häufig in gewickelter Bauform hergestellt, wobei ein flächiges Material aufgewickelt wird, das zwei flächige Elektroden umfasst, sowie einen Separator, der die Elektroden elektrisch voneinander trennt. Die Elektroden umfassen typischerweise einen Metallkollektor, der vorzugsweise beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet ist. Typischerweise wird in der Kathodenelektrode Aluminiumfolie und in der Anodenelektrode Kupferfolie als Metallkollektor verwendet. Gewöhnlich wird der Separator zwischen den Elektroden mit einem Ionen-Transportmittel getränkt, das den Durchgang von Ionen durch den Separator ermöglicht.
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Es ist bekannt, den von einem Lithium-Ionen-Energiespeicher abgegebenen Strom mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren, beispielsweise Sensoren mit Shunt-Widerstand oder mit Hall-Sensoren, zu messen. Neben Messmitteln für den direkten Stromfluss existiert eine Vielzahl von anderen Sensoren und/oder theoretischen Modellen, mit denen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Energiespeichern erfasst werden können. Dazu werden typischerweise mit Sensoren eine Anzahl bestimmter Eigenschaften des Energiespeichers erfasst und auf die erfassten Werte die theoretischen Modelle angewendet, um auf die elektrischen Eigenschaften bzw. den Zustand des Energiespeichers zu schließen.
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Die
EP 2442400 A1 offenbart eine elektrochemische Zelle auf Basis von Lithium-Technologie mit einer innenliegenden Referenzelektrode. Diese wird in den Separator eingebettet, so dass sich zwischen der Referenzelektrode und jeder der herkömmlichen Elektroden der Zelle eine Referenzzelle bildet. Durch die Bestimmung von Eigenschaften der beiden Referenzzellen, die Halbzellen des Energiespeichers repräsentieren, können Informationen über jede dieser Halbzellen und somit auch über den gesamten Energiespeicher gewonnen werden. Hierbei wird entweder der Strom der gesamten Zelle gemessen oder über andere Parameter und theoretische Modelle auf einen Zustand des Energiespeichers geschlossen. Die in den Separator eingebrachte zusätzliche Elektrode behindert an dieser Stelle den Ionenfluss und bringt die Gefahr eines Kurzschlusses der Elektroden mit sich.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Lithium-Ionen-Energiespeicher mit einer Messzelle, einer Hauptzelle und einer Messung zu versehen, mit der die Entladungstiefe und/oder der Ladungszustand der Messzelle erfassbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Energiespeicher ist zumindest eine von Anode und Kathode in einen Hauptabschnitt und in einen Messabschnitt unterteilt, welche elektrisch voneinander getrennt sind, wodurch sich eine Messzelle und eine Hauptzelle des Energiespeichers ergeben. Die Messzelle umfasst den Messabschnitt der Elektrode, einen Gegenelektroden-Messabschnitt, der dem Messabschnitt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüberliegt und einen Abschnitt des Separators, der sich zwischen dem Messabschnitt der Elektrode und dem Gegenelektroden-Messabschnitt befindet. Die Hauptzelle umfasst den Gegenelektroden-Hauptabschnitt der Elektrode und analog zur Messzelle einen Gegenelektroden-Hauptabschnitt, der dem Hauptabschnitt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüberliegt und einen Abschnitt des Separators, der sich zwischen dem Gegenelektroden-Hauptabschnitt der Elektrode und dem Hauptabschnitt der Gegenelektrode befindet. Eine Elektrode des Energiespeichers umfasst den Hauptabschnitt und den Messabschnitt. Typischerweise ist der Messabschnitt erheblich kleiner als der Hauptabschnitt. Eine Gegenelektrode liegt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüber und kann für den Hauptabschnitt und den Messabschnitt zugleich wirksam sein. Ein als Gegenelektroden-Messabschnitt bezeichneter Teil der Gegenelektrode liegt der Messelektrode gegenüber, während ein als Gegenelektroden-Hauptabschnitt bezeichneter Teil der Gegenelektrode der Hauptelektrode gegenüberliegt. Es ist möglich, sowohl die Anode, als auch die Kathode als Elektrode zu verwenden, während entsprechend die Kathode oder die Anode als Gegenelektrode dient. Der Separator kann als ein einziges, zusammenhängendes Element sowohl für die Messzelle als auch für die Hauptzelle vorgesehen sein. Es ist jedoch denkbar, auch den Separator oder/und die Gegenelektrode zu unterteilen, so dass sich Abschnitte ergeben, die jeweils dem Hauptabschnitt der Elektrode bzw. dem Messabschnitt der Elektrode zugeordnet sind.
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Die Hauptleistung des Lithium-Ionen-Energiespeichers wird von der Hauptzelle erbracht. Die Hauptzelle ist üblicherweise erheblich größer als die Messzelle, sowohl hinsichtlich der Speicherkapazität des Energiespeichers, als auch in Bezug auf ihren Flächenanteil an der Elektrode bzw. der Gegenelektrode. Beispielsweise beträgt die Kapazität der Hauptzelle mindestens das Zehnfache der Kapazität der Messzelle. Entsprechend können die Eigenschaften der Messzelle, die flächenbezogen sind, wie etwa die Stromabgabefähigkeit, ein Energieinhalt und dgl. von der Messzelle auf die Hauptzelle übertragen werden, indem mit einem Faktor des Flächenverhältnisses der beiden Zellen skaliert wird. Nicht flächenbezogene Eigenschaften des Lithium-Ionen-Energiespeichers wie eine Entladungstiefe, ein Ladungszustand oder ein Alterungszustand können ausgehend von einer Messung an der Messzelle auf die Hauptzelle übertragen werden, insbesondere, wenn davon auszugehen ist, dass die zumindest näherungsweise gleiche Verhältnisse an der Messzelle und der Hauptzelle vorliegen.
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Der erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Energiespeicher mit einer Messvorrichtung für die Entladungstiefe und/oder die Ladungszustand der Messzelle hat den Vorteil, dass die Messzelle für diese Erfassung geladen oder entladen werden kann, ohne dass die Hauptzelle geladen oder entladen werden muss. Unter Umständen kann der Betrieb mit der Hauptzelle unabhängig von der Erfassung der Entladungstiefe und/oder des Ladungszustands der Messzelle erfolgen. Vorzugsweise sind die Entladungstiefe und/oder der Ladungszustand der Messzelle und der Hauptzelle zu Beginn der Messung der Entladungstiefe und/oder des Ladungszustands der Messzelle gleich oder zumindest ähnlich. Als Definition für die Begriffe Entladungstiefe bzw. Ladungszustand kann das Ausmaß der Ladung der Lithium-Ionen-Energiespeicher in Bezug auf zwei Referenzzustände, von denen einer ein Zustand mit maximaler Ladung in dem Lithium-Ionen-Energiespeicher und der andere ein Zustand mit minimaler Ladung in dem Lithium-Ionen-Energiespeicher ist, angesehen werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers umfasst die Messvorrichtung eine Stromquelle, mit der die Messzelle geladen oder entladen werden kann. Dazu ist die Stromquelle mit dem Messabschnitt der Elektrode und der Gegenelektrode, insbesondere dem Gegenelektroden-Messabschnitt, verbunden. Weiter umfasst der Lithium-Ionen-Energiespeicher eine Spannungserfassungseinrichtung, mit der die Spannung der Messzelle erfasst werden kann. Dazu ist die Spannungserfassungseinrichtung mit dem Messabschnitt der Elektrode verbunden. Eine Erfassung kann hier das Messen einer Spannung, aber auch den Vergleich mit einer Referenzspannung bedeuten. Weiter umfasst der Lithium-Ionen-Energiespeicher eine Zeitmesseinrichtung, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, einen Zeitraum von einem Ladebeginn bzw. einem Entladebeginn bis zum Erreichen einer vordefinierten Spannung der Messzelle zu messen. Die Zeitmesseinrichtung reagiert bevorzugt auf ein Signal, das den Startzeitpunkt des Ladens oder Entladens wiedergibt, und reagiert bevorzugt auf ein Signal, das das Erreichen einer vordefinierten Spannung in der Messzelle wiedergibt.
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In einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers ist die Spannungserfassungseinrichtung als Komparator ausgeführt. Vorzugsweise ist der Komparator ein analoger Komparator mit einem positiven und einem negativen Eingang, wobei der Komparator ein Ausgangssignal erzeugt, das anzeigt, welche der beiden Spannungen, die an den positiven bzw. negativen Eingang angelegt sind, größer ist. Ein Eingang des Komparators ist mit dem Messabschnitt der Elektrode verbunden. Der andere Eingang ist vorzugsweise mit einer Referenzspannungsquelle verbunden. Das Bezugspotential der Spannung an dem Messabschnitt und der Referenzspannungsquelle ist bevorzugt jeweils die Gegenelektrode des Lithium-Ionen-Energiespeichers. Insbesondere dient das Ausgangssignal des Komparators dazu, die Zeitmesseinrichtung zu veranlassen, die Zeitmessung zu beenden. Außerdem kann mittels des Ausgangssignals des Komparators das Laden oder Entladen der Messzelle beendet werden, indem beispielsweise die Stromquelle abgeschaltet wird, wodurch kein Lade- oder Entladestrom mehr fließt.
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In einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers weist die Messvorrichtung eine Referenzspannungsquelle auf, die mit dem Komparator verbunden ist. Vorzugsweise liefert die Referenzspannungsquelle eine Referenzspannung von 2,8 V, die bevorzugt zur Festlegung der Beendigung eines Entladevorgangs dient, oder eine Referenzspannung von 4,2 V auf, bei deren Erreichen ein Ladevorgang beendet werden kann. Andere Referenzspannungen sind ebenfalls denkbar. Die Referenzspannungsquelle ist vorzugsweise zwischen einen Eingang eines Komparators und die Gegenelektrode geschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers arbeitet die Zeitmesseinrichtung getaktet. Mit dem Takt kann ein Zähler versorgt werden, der die Taktzyklen als Maß für die vergangene Zeit zählen kann. Vorzugsweise ist die Zeitmesseinrichtung ein Mikrocontroller oder ein Teil davon. Das Startsignal für die Zeitmesseinrichtung wird bevorzugt von dem Komparator generiert. Alternativ zu einem analogen Komparator kann auch ein digitaler Komparator vorgesehen sein. Beispielsweise können die Spannungen an den Eingängen mit Analog-Digital-Wandlern gemessen, ein Vergleich zwischen den Eingangsspannungen digital gezogen und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt werden. Ein solcher digitaler Komparator kann Teil des Mikrocontrollers sein. Der Mikrocontroller weist vorzugsweise einen Ausgang auf, mit dem die Stromquelle ein- und ausschaltbar ist, wobei dieser Aufgang bevorzugt auf ein Ausgangssignal des Komparators reagiert.
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In einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers ist die Stromquelle zur Abgabe eines konstanten Stroms eingerichtet. Ein konstanter Strom führt zu einer besonders einfachen Berechnung der geflossenen Ladungsmenge und damit auch des Ladungszustands bzw. der Entladungstiefe der Messzelle. Der Mikrocontroller kann mit einem Steuereingang der Stromquelle verbunden sein, so dass der Mikrocontroller die Stromquelle ein- und ausschalten kann. Vorzugsweise sind in dem Mikrocontroller der Komparator, die Zeitmesseinrichtung und eine Ansteuereinrichtung für ein Ein- und Ausschalten der Stromquelle vereint.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Entladungstiefe und/oder ein Ladungszustand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen erfasst wird. In dem Verfahren wird das Fließen eines Lade- oder Entladestroms in oder aus der Messzelle gestartet, wobei der Startzeitpunkt zugleich eine Zeitmessung startet. Das Laden bzw. Entladen der Messzelle führt zu einer Änderung der Spannung der Messzelle. Gemäß dem Verfahren wird die Zeitmessung beendet, wenn die Spannung über die Messzelle eine vordefinierte Spannung erreicht. Vorzugsweise ist beim Laden die Referenzspannung als die Spannung der Messzelle zum Startzeitpunkt. Ebenso ist vorzugsweise die Referenzspannung beim Entladen geringer als die Spannung der Messzelle zum Startzeitpunkt. Die Referenzspannung wird vorzugsweise von der Referenzspannungsquelle erzeugt. Die gemessene Lade- oder Entladezeit ist der Zeitraum zwischen dem Startzeitpunkt des Ladens bzw. Entladens und dem Zeitpunkt des Erreichens der Referenzspannung. Dieser Zeitraum repräsentiert, wie viel Ladung in die Messzelle geflossen ist bzw. wie viel Ladung aus der Messzelle entnommen wurde. Diese Ladungsmenge wiederum gibt an, wo in Bezug auf einen maximalen oder minimalen Ladezustand der Messzelle der Ladezustand der Messzelle zum Startzeitpunkt einzuordnen ist. Analog zu einem solchen Ladezustand zum Ladezeitpunkt kann eine Entladungstiefe der Messzelle definiert werden. Diese bezieht sich nicht darauf, wie voll der Energiespeicher ist, sondern wie leer er ist.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Zeitmessung mittels der Zeitmesseinrichtung durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird von der Entladungstiefe und/oder dem Ladungszustand der Messzelle zum Startzeitpunkt auf die Entladungstiefe und/oder den Ladungszustand der Hauptzelle, insbesondere zum Startzeitpunkt, geschlossen. Dies gilt für alle Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen. Die Messzelle kann somit verwendet werden, um den Ladungszustand der Hauptzelle zu ermitteln. Dies kann stattfinden, während die Hauptzelle ihren Normalbetrieb fortsetzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
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2a ein Schaltsymbol einer ersten Variante des Energiespeichers nach der Erfindung;
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2b ein Schaltsymbol einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Energiespeichers;
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3 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Lithium-Ionen-Energiespeichers 1. Dieser umfasst eine Elektrode 2, 3, die in einen Hauptabschnitt 2 und einen Messabschnitt 3 unterteilt ist. Der Hauptabschnitt 2 und der Messabschnitt 3 sind elektrisch voneinander isoliert. Der Energiespeicher umfasst weiter einen Separator 5 und eine Gegenelektrode 4, wobei der Separator 5 zwischen der Elektrode 2, 3 und der Gegenelektrode 4 angeordnet ist und den Übertritt von Elektronen zwischen Elektrode und Gegenelektrode verhindert. Bevorzugt sind der Hauptabschnitt 2, der Messabschnitt 3 und die Gegenelektrode 4 jeweils mit einem separaten Anschluss zur Kontaktierung versehen, die in 1 nicht dargestellt sind. Die Elektrode 2, 3 und die Gegenelektrode 4 sind jeweils im Wesentlichen flächige Gebilde, die gemeinsam aufgerollt sein können. Der Hauptabschnitt 2 bildet mit der Gegenelektrode 4 und dem dazwischen liegenden Abschnitt des Separators 5 eine Hauptzelle des Energiespeichers. Eine Messzelle des Energiespeichers ist aus dem Messabschnitt 3, der Gegenelektrode 4 und dem zwischen diesen beiden Elementen liegenden Abschnitt des Separators 5 gebildet.
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2a zeigt ein Schaltsymbol für den Lithium-Ionen-Energiespeicher 1. Der Energiespeicher 1 selbst ist als Schaltzeichen für eine galvanische Zelle dargestellt, die die Anschlüsse 12, 13 und 14 aufweist. Der Hauptabschnittsanschluss 12 ist dabei mit dem Hauptabschnitt 2 der Elektrode 2, 3 und der Messanschluss 13 mit dem Messabschnitt 3 der Elektrode 2, 3 verbunden. Die Elektrode 2, 3 ist als Kathode ausgeführt. Mit der als Anode ausgeführten Gegenelektrode 4 ist der Gegenelektrodenanschluss 14 verbunden.
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2b zeigt eine weitere Variante des Energiespeichers 1 als Schaltzeichen. In diesem Beispiel ist die Anode als geteilte Elektrode 2, 3 ausgeführt. Der Hauptabschnitt 2 ist wiederum mit dem Hauptabschnittsanschluss 12 und der Messabschnitt 3 mit dem Messanschluss 13 verbunden. Die als Kathode ausgeführte Gegenelektrode 4 ist mit dem Gegenelektrodenanschluss 14 verbunden.
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2b zeigt eine weitere Variante des Energiespeichers 1 als Schaltzeichen. In diesem Beispiel ist die Anode als geteilte Elektrode 2, 3 ausgeführt. Der Hauptabschnitt 2 ist wiederum mit dem Hauptabschnittsanschluss 12 und der Messabschnitt 3 mit dem Messanschluss 13 verbunden. Die als Kathode ausgeführte Gegenelektrode 4 ist mit dem Gegenelektrodenanschluss 14 verbunden.
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3 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers 1. Der Messanschluss 13 des Lithium-Ionen-Energiespeichers 1 mit einem Anschluss einer Stromquelle 100 verbunden. Der Gegenelektrodenanschluss 14 des Energiespeichers 1 ist mit einem zweiten Anschluss der Stromquelle 100 verbunden, so dass die Stromquelle die Messzelle 3, 4 des Energiespeichers laden kann. Die technische Stromrichtung der Stromquelle 100 ist durch einen Pfeil in der Verbindungsleitung zu dem Messanschluss 13 dargestellt. Die Stromquelle 100 ist als eine ein- und ausschaltbare Stromquelle 100 ausgeführt, die dementsprechend einen Schalteingang aufweist. Der Messanschluss 13 ist mit einem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 102 verbunden. Ein invertierender Eingang des Komparators 102 ist mit einem Anschluss einer Referenzspannungsquelle 101 verbunden. Ein weiterer Anschluss der Referenzspannungsquelle 101 ist mit der Gegenelektrode 2 verbunden, deren Potential als Bezugspotential für die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 101 dient. Vor dem Einschalten der Stromquelle 100 ist die Spannung zwischen dem Messanschluss 13 und dem Gegenelektrodenanschluss 14 im Normalfall kleiner als die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 101. Steigt durch ein Aufladen der Messzelle 3, 4 die Spannung zwischen dem Messanschluss 13 und dem Gegenelektrodenanschluss 14 über die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 101 hinaus an, so reagiert der Komparator 102 mit der Ausgabe einer ansteigenden Flanke 106 auf der Signalleitung 105 zu einem Mikrocontroller 103. Der Mikrocontroller 103 umfasst eine Zeitmesseinrichtung. Diese Zeitmesseinrichtung wird für eine Zeitmessung gestartet, wenn die Stromquelle zum Laden eingeschaltet wird. Dazu gibt der Mikrocontroller 103 wenigstens näherungsweise zeitgleich mit dem Starten der Zeitmessung eine Steuerflanke 107 über eine Schaltleitung 104 an den Schalteingang der Stromquelle 100 aus. Dies kann, wie dargestellt, eine positive Flanke sein, in alternativen Varianten jedoch auch eine negative Flanke oder ein Puls oder dergleichen sein. Trifft die Flanke 106 von dem Komparator 102 bei dem Mikrocontroller 103 ein, so beendet dieser die Zeitmessung, wodurch eine Ladezeit gemessen wird. Vorzugsweise wird beim Eintreffen des Pulses 106 über die Steuerleitung 105 die Stromquelle 100 über die Steuerleitung 104 von dem Mikrocontroller 103 ausgeschaltet. Die Stromquelle 100 ist vorzugsweise eine Konstantstromquelle, deren abgegebener Strom von der Spannung der Messzelle 3, 4 unabhängig ist. Dann entspricht die gemessene Ladezeit einer Ladungsmenge, die in die Messzelle 3, 4 geflossen ist. Je größer diese Zeit ist, desto größer ist die Entladungstiefe bzw. desto niedriger ist der Ladungszustand der Messzelle 3, 4.
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4 zeigt schematisch ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers 1. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist. Gleiche Komponenten und Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen eingegangen. Der wichtigste Unterschied ist, dass die Stromquelle 100 eine technische Stromrichtung von dem Messanschluss 13 zu dem Gegenelektrodenanschluss 14 erzeugt. Dies ist durch einen Pfeil in der Zuleitung zu dem Gegenelektrodenanschluss 14 dargestellt. Das Einschalten dieser Stromquelle 100 führt somit zum Entladen der Messzelle 3, 4. Üblicherweise ist die Spannung der Messzelle 3, 4 vor Beginn eines Entladevorgangs höher als die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 101. Die Referenzspannungsquelle 101 liefert somit im Vergleich zu der Ausführungsform in der 3 eine geringere Referenzspannung. Dementsprechend gibt der Komparator eine negative Flanke 108 über die Signalleitung 105 an den Mikrocontroller 103 aus. Der Mikrocontroller 103 reagiert auf eine solche negative Flanke 108 mit der Beendigung der Zeitmessung. Der Mikrocontroller 103 misst eine Entladezeit. Die Entladezeit ist umso länger, je höher der Ladungszustand bzw. je niedriger die Entladungstiefe der Messzelle ist. Aus dem Ladungszustand bzw. die Entladungstiefe der Messzelle kann der Ladungszustand bzw. Entladungstiefe der Hauptzelle abgeleitet werden, was auch für die Ausführungsform der 3 gilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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