DE102020209398A1

DE102020209398A1 - Verfahren zur Erfassung von elektrischen Fehlerzuständen eines Wechselakkupacks und/oder eines mit dem Wechselakkupack verbindbaren Elektrogeräts sowie System zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102020209398A1
Application number: DE102020209398.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Klee; Marc-Alexandre SEIBERT; Holger Wernerus; Tim Brecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-01-27
Also published as: US20220026493A1; CN113970706A

Abstract

Der Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erfassung von elektrischen Fehlerzuständen eines Wechselakkupacks (10) und/oder eines mit dem Wechselakkupack (10) verbindbaren Elektrogeräts (16), insbesondere eines Ladegeräts (18), eines Diagnosegeräts (20) oder eines elektrischen Verbrauchers (22), mittels einer ersten im Wechselakkupack (10) integrierten Überwachungseinheit (56). Es wird vorgeschlagen, dass ein Lade- oder Entladestrom (I) mittels einer im Elektrogerät (16) integrierten ersten Strommessvorrichtung (84) gemessen und direkt oder als umgewandelter Spannungswert (UCharge)an die erste Überwachungseinheit (56) des Wechselakkupacks (10) übertragen wird und dass die erste Überwachungseinheit (56) auf Grundlage eines daraus berechneten Lade- oder Entladestroms (I) und/oder Spannungswerts (UCharge)ermittelt, ob der Wechselakkupack (10) in einem zulässigen Arbeitsbereich arbeitet. Zudem betrifft die Erfindung ein System umfassend einen Wechselakkupack (10) sowie ein Elektrogerät (16) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von elektrischen Fehlerzuständen eines Wechselakkupacks und/oder eines mit dem Wechselakkupack verbindbaren Elektrogeräts, insbesondere eines Ladegeräts, eines Diagnosegeräts oder eines elektrischen Verbrauchers, mittels einer ersten im Wechselakkupack integrierten Überwachungseinheit, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Akkupacks - im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet - betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Wechselakkupacks aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Wechselakkupack-Spannung bzw. -Kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Andererseits erfordern derartige Zellen zur Vermeidung elektrischer Fehlerzustände auch das Einhalten enger Spezifikationen bezüglich des maximalen Lade- und Entladestroms, der Spannung und der Temperatur.
In modernen Wechselakkupacks wird die Zellspannung der parallel geschalteten Energiespeicherzellen eines so genannten Zell-Clusters beispielsweise durch eine im Wechselakkupack integrierte Überwachungseinheit ausgewertet. Unter dem Begriff „Zellspannung“ soll demnach nicht ausschließlich die Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle, sondern auch die eines aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen bestehenden Zell-Clusters verstanden werden. Ein derartiges so genanntes Single-Cell-Monitoring (SCM) ist beispielsweise aus der WO 20043386 A1 bekannt, in der zudem ein gefährlicher Betrieb des Wechselakkupacks im Fehlerfall durch eine redundante Überwachung ausgeschlossen wird.
Damit ein Ladegerät oder ein elektrischer Verbraucher weiß, mit welchem Lade- oder Entladestrom ein Wechselakkupack maximal betrieben werden darf, wird dies in der Regel durch eine elektrische Kodierung, beispielsweise durch im Wechselakkupack integrierte Kodierwiderstände, die vom Elektrogerät gemessen und mit einer hinterlegten Tabelle verglichen werden, eine mechanische Kodierung oder eine Kommunikationsschnittstelle mitgeteilt. Ebenfalls ist aus der DE 10 2016 209 822 A1 bekannt, dass das Elektrogerät dem Wechselakkupack mitteilt, dass er nicht weiterverwendet werden darf. Über eine solche Schnittstelle können auch die Zellspannungen an das Gerät übertragen werden.
Bei Batteriepacks, bei denen die erwarteten Ladeströme sehr viel kleiner sind als die Entladeströme, stoßen die Messsysteme in der Regel an ihre Grenzen. Eine typische Messvorrichtung ist zum Beispiel ein sogenannter Shunt, d.h. ein Widerstand mit einem relativ niedrig definierten Widerstandwert, im Strompfad. Der Widerstandswert muss einerseits so niedrig sein, dass er im Nennbetrieb keine gefährliche Wärme erzeugt, andererseits muss die durch den Lade- oder Entladestrom am Shunt abfallende Spannung für eine präzise Messung hoch genug sein. Ein derartiger Shunt muss für hohe Ströme demnach sehr niederohmig sein, um keine Wärme zu erzeugen, erzeugt aber insbesondere bei kleinem Ladestrom einen sehr kleinen Spannungsabfall, der relativ ungenau messbar ist. Ein Umschalten zwischen verschiedenen Shunts wäre zwar denkbar, setzt aber Schaltelemente im Wechselakkupack voraus, die ihrerseits wieder unerwünschte Verluste verursachen.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, etwaige Fehlerzustände in einem Wechselakkupack und/oder mit diesem verbindbaren Elektrogerät sowohl für hohe als auch für geringe Lade- oder Entladeströme für einen sicheren Betrieb präzise zu erkennen und in Abhängigkeit davon den Lade- oder Entladevorgang zu steuern.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Lade- oder Entladestrom mittels einer im Elektrogerät integrierten ersten Strommessvorrichtung gemessen und direkt oder als umgewandelter Spannungswert an die erste Überwachungseinheit des Wechselakkupacks übertragen wird und dass die erste Überwachungseinheit auf Grundlage eines daraus berechneten Lade- oder Entladestroms und/oder Spannungswerts ermittelt, ob der Wechselakkupack in einem zulässigen Arbeitsbereich arbeitet. Insbesondere für den Fall, dass das Elektrogerät als Ladegerät ausgebildet ist, besteht der besondere Vorteil des Auslagerns einer Strommessvorrichtung in das Ladegerät darin, dass diese nicht in der Lage sein muss, einen sehr hohen Entladestrom zu tragen, sondern nur einen relativ geringen Ladestrom. So wäre eine Strommessvorrichtung im Wechselakkupack, die Entladeströme von bis zu 250 A tragen können muss, deutlich aufwändiger, als eine Strommessvorrichtung im Ladegerät, bei der Ladeströme von lediglich ca. 16 A oder weniger anfallen. Aber auch im Falle eines elektrischen Verbrauchers oder Diagnosegeräts kann die ausgelagerte Stommessvorrichtung besser an den jeweiligen Entladestrom angepasst werden, so dass die eingangs beschriebenen Nachteile einer im Wechselakkupack integrierten Strommessvorrichtung wirksam vermieden werden können.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem Wechselakkupack betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Wechselakkupack betriebene Gartengeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen oder dergleichen sowie mit einem Wechselakkupack betriebene Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Die Spannung eines Wechselakkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-lon, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.
Es sei darüber hinaus angemerkt, dass die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen der Wechselakkupacks und der mit ihnen verbindbaren Elektrogeräte sowie die zugehörigen Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung nicht Gegenstand dieser Erfindung sein soll. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse des Elektrogeräts und/oder der Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die Schnittstelle wählen. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der von der ersten Überwachungseinheit berechnete Lade- oder Entladestrom an die weitere Überwachungseinheit des Elektrogeräts übertragen wird und dass mittels einer zweiten Strommessvorrichtung des Elektrogeräts der Lade- oder Entladestrom gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit des Elektrogeräts mit dem von der ersten Überwachungseinheit berechneten Lade- oder Entladestrom verglichen wird. Auf diese Weise kann eine einfache und effektive Plausibilitätsprüfung im Elektrogerät durchgeführt werden. Die zweite Strommessvorrichtung des Elektrogeräts kann dabei mit Vorteil analog der ersten Strommessvorrichtung ausgestaltet sein.
Für die erste Strommessvorrichtung des Elektrogeräts ist zumindest ein unzulässiger Spannungsbereich und zumindest ein zulässiger Spannungsbereich für den gemessenen Lade- oder Entladestrom definiert, wobei in dem zumindest einen zulässigen Spannungsbereich eine lineare, nichtlineare oder unstetige Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion vorgesehen ist. Mit Vorteil ist die Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion der ersten Überwachungseinheit des Wechselakkupacks bekannt, so dass diese sehr einfach und schnell eine entsprechende Plausibilisierung für den zulässigen Arbeitsbereich durchführen kann. Zudem kann die erste Überwachungseinheit im Wechselakkupack sofort bewerten, ob ein Elektrogerät verwendet wird, dass keine entsprechende Strommessvorrichtung aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste Überwachungseinheit eine Verstärkerschaltung des Wechselakkupacks zur Verstärkung des gemessenen Lade- oder Entladestroms oder des daraus abgeleiteten Spannungswerts derart anpassen kann, dass sich im Falle eines Spannungswerts außerhalb ihres Messbereichs ein Spannungswert innerhalb des Messbereichs ergibt. Da die erste Überwachungseinheit selbst Kenntnis von dieser Umschaltung hat, kann sie mit Vorteil die jetzt kleiner gemessene Spannung als tatsächlich höhere Spannung interpretieren und bewerten.
Die weitere Überwachungseinheit des Elektrogeräts bricht den Lade- oder Entladevorgang ab oder reduziert ihn und/oder signalisiert einen Fehlerzustand des Wechselakkupacks, wenn der berechnete und der gemessene Lade- oder Entladestrom um einen definierten Differenzwert, beispielsweise um mehr als 0,5 A voneinander abweichen.
Die Erfindung betrifft auch ein System umfassend einen Wechselakkupack mit einer ersten Überwachungseinheit und einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle, sowie ein Elektrogerät, insbesondere ein Ladegerät, ein Diagnosegerät oder einen elektrischen Verbraucher, mit einer weiteren Überwachungseinheit, einer ersten Strommessvorrichtung und einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt, jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein dritter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein Signal- bzw. Datenkontakt zur Übertragung eines mittels der ersten Strommessvorrichtung des Elektrogeräts gemessenen Lade- oder Entladestroms oder eines daraus abgeleiteten Spannungswerts an die ersten Überwachungseinheit des Wechselakkupacks ausgebildet ist, und wobei die elektrischen Kontakte der ersten und der weiteren Schnittstelle zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche verbindbar sind.
Der Wechselakkupack weist einen Messverstärker auf, der eingangsseitig mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildeten, elektrischen Kontakt der ersten Schnittstelle und ausgangsseitig mit der ersten Überwachungseinheit verbunden ist. Weiterhin kann der Wechselakkupack ein Widerstandselement aufweisen, das einerseits mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildeten, elektrischen Kontakt und anderseits mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt ausgebildeten elektrischen Kontakt der ersten Schnittstelle verbunden ist. Mit besonderem Vorteil ist das Widerstandselement als ein Kodierwiderstand zur Identifizierung des Wechselakkupacks im elektrischen Verbraucher ausgebildet. Somit muss kein weiteres Widerstandselement im Wechselakkupack verbaut werden. Zudem ist der weiteren Überwachungseinheit des elektrischen Verbrauchers der Wert des Kodierwiderstands bereits bekannt.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der dritte als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildete, elektrische Kontakt der ersten Schnittstelle auch über eine einfache Filterschaltung, beispielsweise eine Diode, oder direkt mit der ersten Überwachungseinheit verbunden sein.
Der Messverstärker des Wechselakkupacks ist durch die erste Überwachungseinheit des Wechselakkupacks steuerbar. Auf diese Weise ist eine ggf. notwendige Anpassung an den Messbereich der ersten Überwachungseinheit möglich, um kleiner gemessene Spannungswerte als tatsächlich höhere Spannungswerte zu interpretieren und zu bewerten.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die erste Strommessvorrichtung des Elektrogeräts einen ersten Strommessverstärker aufweist, der eingangsseitig mit einem ersten, mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt ausgebildeten, elektrischen Kontakt der weiteren Schnittstelle verbundenen Stromsensor und ausgangsseitig über einen Pull-Up-Widerstand mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildeten, elektrischen Kontakt der weiteren Schnittstelle verbunden ist.
Mit besonderem Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die erste Überwachungseinheit des Wechselakkupacks den auf Grundlage der ihr bekannten Widerstandswerte des Widerstandselements und des Pull-Up-Widerstands sowie der Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion der ersten Strommessvorrichtung des Elektrogeräts berechneten Lade- oder Entladestrom als zulässig oder unzulässig bewertet. Hieraus ergeben sich die bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten Vorteile.
In Ergänzung weist das Elektrogerät eine zweite Strommessvorrichtung zur Messung des Lade- oder Entladestroms mittels eines zweiten Stromsensors auf, der in Reihe zum ersten Stromsensor der ersten Strommessvorrichtung geschaltet ist. Der erste und der zweite Stromsensor können als ein Shunt-Widerstand, ein Hall-Sensor, ein Magnetfeldsensor, eine galvanisch getrennte Stromzange oder dergleichen ausgebildet sein. Die zweite Strommessvorrichtung des Elektrogeräts weist einen zweiten Strommessverstärker auf, über den sie mit der weiteren Überwachungseinheit verbunden ist. Die erste Überwachungseinheit des Wechselakkupacks überträgt den von ihr berechneten Lade- oder Entladestrom über vierte als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildete, elektrische Kontakte der Schnittstellen an die weitere Überwachungseinheit des Elektrogeräts, wobei die weitere Überwachungseinheit den berechneten und den gemessenen Lade- oder Entladestrom miteinander vergleicht. Mit besonderem Vorteil resultiert hieraus die bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderte Plausibilisierung der Lade- oder Entladeströme.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein System umfassend zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Elektrogerät zum Laden oder Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
2: das System aus 1 als Blockschaltbild mit einem Wechselakkupack und einem als Ladegerät ausgebildeten Elektrogerät und
3: ein erstes (3a), ein zweites (3b), ein drittes (3c) und ein viertes Ausführungsbeispiel (3d) einer Übertragungsfunktion zumindest einer im Elektrogerät integrierten Strommessvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein System umfassend einen Wechselakkupack 10 mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 14 und ein Elektrogerät 16, insbesondere ein Ladegerät 18, ein Diagnosegerät 20 oder einen elektrischen Verbraucher 22, mit einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 24. 1 soll veranschaulichen, dass das erfindungsgemäße System ohne Einschränkung der Erfindung für verschiedene, mit Wechselakkupacks 10 betriebene Elektrogeräte 16 geeignet ist. Dabei sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 26, ein Akkuschlagschrauber 28 und ein Akkurasentrimmer 30 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengerät und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 22 in Frage kommen. Auch ist die Anzahl der Wechselakkupacks 10 innerhalb des Systems veränderbar. So kann das System durchaus auch mehrere Wechselakkupacks 10 umfassen. Weiterhin sei angemerkt, dass in 1 das Ladegerät 18 und das Diagnosegerät 20 zwar als ein- und dasselbe Elektrogerät 16 dargestellt sind, weil ein Ladegerät 18 durchaus auch eine Diagnosefunktion aufweisen kann, es aber ohne Einschränkung der Erfindung denkbar ist, dass das Diagnosegerät 20 keine Ladefunktion aufweist, sondern nur zur reinen Diagnose des Wechselakkupacks 10 auf elektrische Fehlerzustände dient.
Bei dem Wechselakkupack 10 handelt es sich im Wesentlichen um einen herkömmlichen Wechselakkupack mit einem Gehäuse 32, das an einer ersten Seitenwand bzw. seiner Oberseite 34 die erste elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 16 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 22 dienen die erste und die weitere elektromechanische Schnittstelle 14, 24 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 18 dem Aufladen und in Verbindung mit dem Diagnosegerät 20 der Fehlerdiagnose des Wechselakkupacks 10 dient. Die genaue Ausgestaltung der ersten und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 14, 24 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des Elektrogerät 16 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Elektrogerät 16 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten Elektrogeräten 16 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 16 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 14 und des Elektrogeräts 16 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 36 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 24 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 22. Dabei ist die Arretiervorrichtung 36 als ein gefederter Drücker 38 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 40 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 38 und/oder des Arretierglieds 40 rastet die Arretiervorrichtung 36 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 24 des elektrischen Verbrauchers 22 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 38 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 22 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In 2 ist das System aus 1 als Blockschaltbild mit dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und dem als Ladegerät 18 ausgebildeten Elektrogerät 16 auf der rechten Seite dargestellt. Wechselakkupack 10 und Ladegerät 18 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 24 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 24 als ein mit einem ersten Bezugspotential V₁, vorzugsweise einem Versorgungspotential V₊, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 42 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 24 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V₂, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 44 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 18 geladen werden. Andererseits erfolgt darüber auch ein Entladen des Wechselakkupacks 10 für den Fall, dass das Elektrogerät 16 als ein elektrischer Verbraucher 22 ausgebildet ist. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V₊ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbraucher 22 ausgebildeten Elektrogeräts 16 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 42, 44 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 24. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 18.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 46 auf, die zwar in 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 42, 44 abfallende Spannung U_Batt des Wechselakkupacks definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 46 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 46 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung U_Batt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 46 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 42, 44 eine Wechselakkupack-Spannung U_Batt = V₁ - V₂ von 5 - 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 46 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 46 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 46 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 46 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 48 (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 48 weist eine Multiplexer-Messvorrichtung 50 auf, die über Filterwiderstände 52 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 54 der Pole der Energiespeicherzellen 46 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen U_Cell schaltet die Multiplexer-Messvorrichtung 50, beispielsweise über integrierte, aber nicht näher gezeigte Transistoren, derart sequentiell zwischen den einzelnen Abgriffen 54 um, dass sie jeweils mit einem Plus- und einem Minuspol der zu messenden Energiespeicherzelle 46 bzw. des zu messenden Zell-Clusters verbunden ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen U_Cell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 52 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 50 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 50 erfolgt über eine erste im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 56. Diese kann zudem parallel zu den Energiespeicherzellen 46 geschaltete Schaltelemente 58 der SCM-Vorstufe 48 schließen oder öffnen, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 46 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 46 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 48 die gemessenen Zellspannungen U_Cell direkt an die erste Überwachungseinheit 56 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell direkt von der ersten Überwachungseinheit 56, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die erste Überwachungseinheit 56 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 56 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinheit 56 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der ersten Überwachungseinheit 56 im Wechselakkupack 10 weist das Elektrogerät 16 des Systems eine weitere Überwachungseinheit 60 auf, die entsprechend der ersten Überwachungseinheit 56 ausgebildet sein kann. Die erste und die weitere Überwachungseinheit 56 bzw. 60 können Informationen über einen weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt 62 ausgebildeten Kontakt 12 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 14, 24 vorzugsweise digital austauschen.
Die weitere Überwachungseinheit 60 des als Ladegerät 18 ausgebildeten Elektrogeräts 16 steuert eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 der weiteren Schnittstelle 24 verbundene Leistungsendstufe 64, über die der in das Ladegerät 18 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden kann. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 18 bzw. die Leistungsendstufe 64 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 42, 44 anliegende Spannung U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 66 im Ladegerät 18 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 60 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 66 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 60 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC.
Mittels eines im Wechselakkupack 10 angeordneten Temperatursensors 68, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 46 steht, kann eine Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 46 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 ausgewertet werden. Dazu ist der Temperatursensor 68 einerseits über ein im Wechselakkupack 10 integriertes Schaltelement 70, beispielsweise einen Bipolartransistor oder MOSFET, mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 44 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und andererseits mit einem als Signal- bzw. Datenkontakt 72 ausgebildeten Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 verbunden. Entsprechend ist ein Signal- bzw. Datenkontakt 72 in der weiteren Schnittstelle 24 des Ladegeräts 18 vorgesehen, der mit der weiteren Überwachungseinheit 60 verbunden ist. Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen dem Signal- bzw. Datenkontakt 72 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der ersten Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10. Darüber kann die erste Überwachungseinheit 56 feststellen, ob die vom Temperatursensor 68 gemessene Temperatur T von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 abgefragt wurde. Ist dies der Fall, wird die erste Überwachungseinheit 56 automatisch von einem Ruhemodus in einen Betriebsmodus versetzt. Erfolgt keine derartige Abfrage, erlaubt der Ruhemodus der ersten Überwachungseinheit 56 aufgrund des reduzierten Ruhestroms deutlich längere Ruhe- und Lagerzeiten des Wechselakkupacks 10.
Damit das Ladegerät 18 den Wechselakkupack 10 identifizieren und ggf. zum Laden freigeben kann, weist der Wechselakkupack 10 einen ersten Kodierwiderstand 74 auf, der auf einer Seite mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 44 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und auf der anderen Seite mit dem als Signal- oder Datenkontakt 62 ausgebildeten Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 verbunden ist. Stimmt der Widerstandswert des ersten Kodierwiderstands 74 mit einem in der weiteren Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 60 hinterlegen Wert überein, so gibt das Ladegerät 18 den Ladevorgang frei und lädt den Wechselakkupack 10 entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Ladeparameter, insb. dem Ladestrom I, der Ladespannung U_Batt, dem zulässigen Temperaturbereich, etc. auf. Neben dem ersten Kodierwiderstand 74 ist im Wechselakkupack 10 noch ein zweiter Kodierwiderstand 76 vorgesehen, der entsprechend dem ersten Kodierwiderstand 74 mit dem zweiten Bezugspotential V₂ und einem weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt 78 ausgebildeten Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 verbunden ist. Über den zweiten Kodierwiderstand 76 kann ein als elektrischer Verbraucher 22 ausgebildetes Elektrogerät 16 den Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 freigeben. Dazu weist der elektrische Verbraucher 22 analog dem Ladegerät 18 eine weitere Überwachungseinheit 60 auf, die über einen als Signal- bzw. Datenkontakt 78 ausgebildeten Kontakt 12 der weiteren Schnittstelle 24 den Widerstandswert des zweiten Kodierwiderstands 76 abfragt und mit einem hinterlegten Wert vergleicht. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 abgebrochen bzw. nicht erlaubt, so dass der elektrische Verbraucher 22 nicht in Betrieb genommen werden kann. Bei Übereinstimmung kann ein Bediener den elektrischen Verbraucher 22 in Betrieb nehmen. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies einen Betrieb von Wechselakkupacks 10 unterschiedlicher Leistungsklassen mit gleichen elektromechanischen Schnittstellen 14 bzw. 24. Es versteht sich von selbst, dass die im Ladegerät 18 enthaltende Leistungsendstufe 64 im Falle eines elektrischen Verbrauchers 22 als Antriebseinheit, beispielsweise als ein Elektromotor (ggf. mit entsprechend vorgeschalteter Leistungsendstufe) oder eine andere Energie verbrauchende Einheit ausgebildet ist. Auf die Ausgestaltung einer derartigen Einheit soll hier nicht weiter eingegangen werden, da sie dem Fachmann für unterschiedlichste Arten von elektrischen Verbrauchern 22 hinlänglich bekannt ist und zudem für die Erfindung als solche keine entscheidende Bedeutung hat.
Der Wechselakkupack 10 weist einen Messverstärker 80 auf, der eingangsseitig zwischen dem weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt 78 ausgebildeten elektrischen Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 und dem zweiten Kodierwiderstand 76 geschaltet ist. Ausgangsseitig ist der Messverstärker 80 mit der ersten Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10 verbunden. Die Verstärkung des Messverstärkers 80 ist bei Bedarf durch die erste Überwachungseinheit 56 über eine entsprechende Steuerleitung einstellbar. Es ist alternativ auch denkbar, dass der zweite Kodierwiderstand 76 direkt oder über eine Filterschaltung 82, beispielsweise eine Schutzdiode, mit der ersten Überwachungseinheit 56 verbunden ist. Diese Option ist in 2 gestrichelt dargestellt.
Das Ladegerät 18 weist eine erste Strommessvorrichtung 84 mit einem ersten Strommessverstärker 86 auf, der eingangsseitig mit einem ersten, mit dem zweiten Energieversorgungskontakt 44 der weiteren Schnittstelle 24 verbundenen Stromsensor 88 und ausgangsseitig über einen Pull-Up-Widerstand 90 mit dem Signal- bzw. Datenkontakt 78 der weiteren Schnittstelle 24 verbunden ist. Der erste Stromsensor 88 kann beispielsweise als ein Shunt-Widerstand, ein Hall-Sensor, ein Magnetfeldsensor, eine galvanisch getrennte Stromzange oder dergleichen ausgebildet sein. Der erste Strommessverstärker 86 kann als ein Mikrocontroller, ein OP-Amp, eine entsprechende diskrete Schaltung oder dergleichen ausgebildet sein. An dem Signal- bzw. Datenkontakt 78 wird somit ein Potential erzeugt, das sich aus dem zweiten Kodierwiderstand 76 des Wechselakkupacks 10, dem Pull-Up-Widerstand 90 im Ladegerät 18 und dem Ladestrom I ergibt.
In Ergänzung zur ersten Strommessvorrichtung 84 ist im Ladegerät 18 eine zweite Strommessvorrichtung 92 zur Messung des Ladestroms I mittels eines zweiten Strommessverstärkers 94 und eines zweiten Stromsensors 96, der in Reihe zum ersten Stromsensor 88 der ersten Strommessvorrichtung 84 geschaltet ist, vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die zweite Strommessvorrichtung 92 mit der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 verbunden. Alternativ ist es auch möglich, den zweiten Stromsensor 96 direkt oder über eine Filterschaltung, beispielsweise in Form einer zwischengeschalteten Schutzdiode, mit der weiteren Überwachungseinheit 60 zu verbinden, sofern diese über einen entsprechenden ADC verfügt. Diese Option ist in 2 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Der zweite Stromsensor 96 und der zweite Strommessverstärker 94 können entsprechend dem ersten Stromsensor 88 und dem ersten Strommessverstärker 86 ausgebildet sein.
Der ersten Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10 sind die Widerstandswerte des zweiten Kodierwiderstands 76 und des Pull-Up-Widerstands 90 als feste Werte bekannt. Ebenso kennt sie die Übertragungsfunktion der ersten Strommessvorrichtung 84 des Ladegeräts 18. Auf Grundlage dieser Parameter kann die erste Überwachungseinheit 56 den Ladestrom I berechnen und bewerten, ob dieser für den Wechselakkupack 10 geeignet ist. Die erste Überwachungseinheit 56 überträgt nun den von ihr berechneten Ladestrom I bzw. einen entsprechend umgewandelten Spannungswert U_Charge über die Signal- bzw. Datenkontakte 62 der Schnittstellen 14, 24 an die weitere Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18, sodass die weitere Überwachungseinheit 60 den im Wechselakkupack 10 berechneten und dem im Ladegerät 18 gemessenen Ladestrom I miteinander vergleichen kann, um zu bewerten, ob der Wechselakkupack 10 in einem zulässigen Arbeitsbereich arbeitet.
Der Ladevorgang wird schließlich von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 abgebrochen oder reduziert und/oder es wird ein Fehlerzustand des Wechselakkupacks 10 signalisiert, wenn der berechnete und der gemessene Ladestrom I um einen definierten Differenzwert I_Diff, beispielsweise um mehr als 0,5 A, voneinander abweichen.
Gemäß 3 ist für die erste Strommessvorrichtung 84 des Ladegeräts 18 zumindest ein unzulässiger Spannungsbereich 98 und zumindest ein zulässiger Spannungsbereich 100 für den gemessenen Ladestrom I definiert, wobei in dem zumindest einen zulässigen Spannungsbereich 100 eine lineare, nichtlineare oder unstetige Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion 102 vorgesehen ist. Dabei ist die Übertragungsfunktion 102 des zweiten Strommessverstärkers 94 in vorteilhafter Weise derart gewählt, dass eine Plausibilisierung des Ausgangssignals mit dem vom ersten Strommessverstärker 86 gelieferten Ausgangssignal möglich ist.
Eine erste mögliche Übertragungsfunktion 102a für die erste Strommessvorrichtung 84 ist in 3a gezeigt. Danach sind zwei unzulässige Spannungsbereiche 98a für U_Charge = 0 bis 1 V und U_Charge > 3 V definiert, während sich der zulässige Spannungsbereich 100a für 1 V <= U_Charge <= 3V ergibt. In dem zulässigen Spannungsbereich 100a repräsentiert die Spannung U_Charge einen Ladestrom I von 10 A/V mit der linearen Übertragungsfunktion 102a $I = 10 A * (U_{Charge} - 1 V) / V .$
Eine weitere Übertragungsfunktion 102b ist in 3b gezeigt, wobei die unzulässigen Spannungsbereiche 98b und der zulässige Spannungsbereich 100b denen von 3a entsprechen. Die Übertragungsfunktion 102b weist nun eine negative Steigung mit $I = - 10 A * (U_{Charge} - 3 V) / V$
auf.
Damit kann die erste Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10 unterscheiden, ob ein zulässiges Ausgangssignal vorliegt, oder beispielsweise ein Ladegerät 18 verwendet wird, das über keine entsprechende Strommessvorrichtung 84, 96 verfügt.
Gemäß 3c kann die Übertragungsfunktion 102c auch einen nichtlinearen, insbesondere logarithmischen, Verlauf aufweisen. Damit erkennt die erste Überwachungseinheit 56 beispielsweise einen Sprung von U_Charge = 1 V auf U_Charge = 1,1 V als eine Veränderung des Ladestroms I von 7 A, während ein Sprung von U_Charge = 2,9 V auf U_Charge = 3 V als eine Ladestromveränderung von 0,2 A identifiziert wird. Eine solche Darstellung hat den Vorteil, dass niedrigere Ströme im Absolutwert genauer gemessen werden können als hohe Ströme.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Übertragungsfunktion 102d gemäß 3d auch Sprungstellen aufweisen. Dabei entspricht eine erste Teilübertragungsfunktion 102d samt der zugehörigen, unzulässigen und zulässigen Spannungsbereiche 98d bzw. 100d denen aus 3b, während in einem zweiten zulässigen Spannungsbereich 100d von 4 V <= U_Charge <= 12V eine Steigung von 10 A/V mit einer zweiten, linearen Teilübertragungsfunktion 102d $I = 20 A * (U_{Charge} - 3 V) / V$
definiert ist, d.h. es kann in diesem Bereich ein Ladestrom von 20 bis 180 A abgebildet werden.
Ebenso ist es denkbar, dass die Steigung der zweiten Teilübertragungsfunktion 100d von derjenigen der ersten Teilübertragungsfunktion 100d abweicht. Auch können beide Steigungen positiv oder negativ sein. Der besondere Vorteil liegt darin, dass ein Wechselakkupack 10, für den nur ein Ladestrom I relevant ist, der im ersten zulässigen Spannungsbereich 100d liegt, nicht über einen Messverstärker 80 verfügen muss, die in der Lage ist, den zweiten zulässigen Spannungsbereich 100d abzudecken. Würde von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 ein Spannungswert U_Charge übertragen, der außerhalb des ersten zulässigen Spannungsbereichs 100d liegt, erkennt die erste Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10 diese ohnehin als unzulässig. Sprich, die erste Überwachungseinheit 56 eines derartigen Wechselakkupacks 10 muss beispielsweise einen Spannungswert U_Charge von 5 V entsprechend I = 40 A nicht erkennen, weil für sie Spannungswerte U_Charge > 3 V ohnehin unzulässig sind. Damit ist es möglich, das System einerseits so einfach wie möglich aber andererseits dennoch zukunftssicher auszugestalten.
Die erste Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks kann den Messverstärker 80 zur Verstärkung des gemessenen Ladestroms I oder des daraus abgeleiteten Spannungswerts U_Charge derart anpassen, dass sich im Falle einer anliegenden Spannung U_Charge außerhalb des Messbereichs eine Spannung U_Charge innerhalb des Messbereichs ergibt. Da die erste Überwachungseinheit 56 selbst Kenntnis von dieser Umschaltung hat, kann sie die jetzt kleiner gemessene Spannung U_Charge als tatsächlich höhere Spannung interpretieren und bewerten.
Zur Anzeige der erfassten Fehlerzustände verfügen das Ladegerät 18 und/oder der Wechselakkupack 10 über eine entsprechende, nicht näher gezeigte Anzeige in Form einer LED, eines Displays und/oder eines akustischen Signalgebers. Ist das Elektrogerät 18 als ein Diagnosegerät 20 oder ein elektrischer Verbraucher 22 ausgestaltet, so kann die Anzeige ergänzend oder alternativ auch als ein haptischer Signalgeber, beispielsweise in Gestalt eines Vibrationsmotors, ausgebildet sein. Bei einem elektromotorisch angetriebenen, elektrischen Verbraucher 22 ist auch denkbar, dass ein Antriebsmotor für ein Einsatzwerkzeug als haptischer und/oder akustischer Signalgeber dient.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 3 noch auf die darin gezeigte Anzahl und Art der Wechselakkupacks 10 und Elektrogeräte 16 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46 und der damit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 48. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 24 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 und die Übertragungsfunktionen mit den angegebenen Strom- und Spannungswerten nur exemplarisch zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 20043386 A1 [0003]
DE 102016209822 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erfassung von elektrischen Fehlerzuständen eines Wechselakkupacks (10) und/oder eines mit dem Wechselakkupack (10) verbindbaren Elektrogeräts (16), insbesondere eines Ladegeräts (18), eines Diagnosegeräts (20) oder eines elektrischen Verbrauchers (22), mittels einer ersten im Wechselakkupack (10) integrierten Überwachungseinheit (56), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lade- oder Entladestrom (I) mittels einer im Elektrogerät (16) integrierten ersten Strommessvorrichtung (84) gemessen und direkt oder als umgewandelter Spannungswert (U_Charge) an die erste Überwachungseinheit (56) des Wechselakkupacks (10) übertragen wird und dass die erste Überwachungseinheit (56) auf Grundlage eines daraus berechneten Lade- oder Entladestroms (I) und/oder Spannungswerts (U_Charge) ermittelt, ob der Wechselakkupack (10) in einem zulässigen Arbeitsbereich arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der ersten Überwachungseinheit (56) berechnete Lade- oder Entladestrom (I) an die weitere Überwachungseinheit (60) des Elektrogeräts (16) übertragen wird und dass mittels einer zweiten Strommessvorrichtung (92) des Elektrogeräts (16) der Lade- oder Entladestrom (I) gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit (60) des Elektrogeräts (16) mit dem von der ersten Überwachungseinheit (56) berechneten Lade- oder Entladestrom (I) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Strommessvorrichtung (84) des Elektrogeräts (16) zumindest ein unzulässiger Spannungsbereich (98) und zumindest ein zulässiger Spannungsbereich (100, 104) für den gemessenen Lade- oder Entladestrom (I) definiert ist, wobei in dem zumindest einen zulässigen Spannungsbereich (100, 104) eine lineare, nichtlineare oder unstetige Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion (102, 106) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Überwachungseinheit (56) eine Verstärkerschaltung (80) des Wechselakkupacks (10) zur Verstärkung des gemessenen Lade- oder Entladestroms (I) oder des daraus abgeleiteten Spannungswerts (U_Charge) derart anpassen kann, dass sich im Falle eines Spannungswerts (U_Charge) außerhalb ihres Messbereichs ein Spannungswert (U_Charge)innerhalb des Messbereichs ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lade- oder Entladevorgang von der weiteren Überwachungseinheit (60) abgebrochen oder reduziert wird und/oder ein Fehlerzustand des Wechselakkupacks (10) signalisiert wird, wenn der berechnete und der gemessene Lade- oder Entladestrom (I) um einen definierten Differenzwert (I_Diff), insbesondere um mehr als 0,5 A, voneinander abweichen.
System umfassend einen Wechselakkupack (10) mit einer ersten Überwachungseinheit (56) und einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), sowie ein Elektrogerät (16), insbesondere ein Ladegerät (18), ein Diagnosegerät (20) oder einen elektrischen Verbraucher (22), mit einer weiteren Überwachungseinheit (60), einer ersten Strommessvorrichtung (84) und einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (24), wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 24) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (42), jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 24) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (44) und jeweils ein dritter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 24) als ein Signal- bzw. Datenkontakt (78) zur Übertragung eines mittels der ersten Strommessvorrichtung (84) des Elektrogeräts (16) gemessenen Lade- oder Entladestroms (I) oder eines daraus abgeleiteten Spannungswerts (U_Charge)an die ersten Überwachungseinheit (56) des Wechselakkupacks (10) ausgebildet ist, und wobei die elektrischen Kontakte (12) der ersten und der weiteren Schnittstelle (14, 24) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche verbindbar sind.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselakkupack (10) einen Messverstärker (80) aufweist, der eingangsseitig mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt (78) ausgebildeten, elektrischen Kontakt (12) der ersten Schnittstelle (14) und ausgangsseitig mit der ersten Überwachungseinheit (56) verbunden ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte als Signal- bzw. Datenkontakt (78) ausgebildete, elektrische Kontakt (12) der ersten Schnittstelle (14) über eine Filterschaltung (82), beispielsweise eine Diode, oder direkt mit der ersten Überwachungseinheit (56) verbunden ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselakkupack (10) ein Widerstandselement (76) aufweist, das einerseits mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt (78) ausgebildeten, elektrischen Kontakt (12) der ersten Schnittstelle (14) und anderseits mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt (44) ausgebildeten elektrischen Kontakt (12) der ersten Schnittstelle (14) verbunden ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (76) als ein Kodierwiderstand (76) zur Identifizierung des Wechselakkupacks (10) im elektrischen Verbraucher (22) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messverstärker (80) des Wechselakkupacks (10) durch die erste Überwachungseinheit (56) steuerbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strommessvorrichtung (84) des Elektrogeräts (16) einen ersten Strommessverstärker (86) aufweist, der eingangsseitig mit einem ersten, mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt (44) ausgebildeten, elektrischen Kontakt (12) der weiteren Schnittstelle (24) verbundenen Stromsensor (88) und der ausgangsseitig über einen Pull-Up-Widerstand (90) mit dem dritten als Signal- bzw. Datenkontakt (78) ausgebildeten, elektrischen Kontakt (12) der weiteren Schnittstelle (24) verbunden ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Überwachungseinheit (56) des Wechselakkupacks (10) den auf Grundlage der ihr bekannten Widerstandswerte des Widerstandselements (86) und des Pull-Up-Widerstands (90) sowie der Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion (102, 106) der ersten Strommessvorrichtung (84) des Elektrogeräts (16) berechneten Lade- oder Entladestrom (I) als zulässig oder unzulässig bewertet
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät (16) eine zweite Strommessvorrichtung (92) zur Messung des Lade- oder Entladestroms (I) mittels eines zweiten Stromsensors (96) aufweist, der in Reihe zum ersten Stromsensor (88) der ersten Strommessvorrichtung (84) geschaltet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Überwachungseinheit (56) des Wechselakkupacks (10) den von ihr berechneten Lade- oder Entladestrom (I) über vierte als Signal- bzw. Datenkontakt (62) ausgebildete, elektrische Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 24) an die weitere Überwachungseinheit (60) des Elektrogeräts (16) überträgt, wobei die weitere Überwachungseinheit (60) den berechneten und den gemessenen Lade- oder Entladestrom (I) miteinander vergleicht.