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Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinheit und mit zumindest einem ersten als Feldeffekt-Transistor ausgebildeten Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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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 sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
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Es ist bekannt, eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks werkzeuglos lösbar mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers oder des Ladegeräts auszugestalten. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt ausgebildet.
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Aus der
DE 103 54 871 A1 ist ferner bekannt, einen Wechselakkupack zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad auszustatten, das durch eine Überwachungseinheit des Wechselakkupacks gesteuert wird. Die Überwachungseinheit überwacht zudem wesentliche für das Laden oder Entladen des Wechselakkupacks erforderliche Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Wechselakkupack-Spannung, die einzelnen Zellspannungen, eine Wechselakkupack- und/oder Zelltemperatur, den Lade- oder Entladestrom oder dergleichen. Um insbesondere die Energiespeicherzellen des Wechselakkupacks vor einer Tiefentladung zu schützen, ist vorgesehen, die Überwachungseinheit in einem Schlafzustand zu versetzen und im Falle eines Ladens oder Entladens des Wechselakkupacks mittels eines von dem Ladegerät oder dem elektrischen Verbraucher erzeugten Spannungssignal wieder aufzuwecken. Hierbei kann es jedoch zu Verzögerungen kommen, bis die zum Aufwecken erforderliche Spannung erreicht ist. Auch besteht die Gefahr eines fehlerhaften oder nicht erfolgreichen Aufweckens infolge verschmutzter und kurzgeschlossener Kontakte der elektromechanischen Schnittstelle oder nicht spezifizierter Ladegeräte bzw. elektrischer Verbraucher.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Überwachungseinheit eines Wechselakkupacks derart nach einer Verbindung mit einem Ladegerät oder einem elektrischen Verbraucher aus dem Schlafzustand aufzuwecken, dass deren Sicherheitsmechanismen schnell und zuverlässig aktiviert werden können.
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Vorteile der Erfindung
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass für den Fall, dass das zumindest eine erste als Feldeffekt-Transistor ausgebildete Schaltelement, insbesondere ein erster MOSFET, geöffnet ist, ein durch den Lade- oder Entladestrom hervorgerufener Spannungsabfall an einer zu dem zumindest einen ersten Schaltelement parallel geschalteten, intrinsischen Diode ein Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit des Wechselakkupacks erzeugt. Dieses Aufweck-Signal kann mit Vorteil bereits bei sehr geringen Lade- oder Entladeströmen erzeugt werden. Zudem kann eine Tiefentladung der Energiespeicherzellen, insbesondere in Verbindung mit einer langen Lagerzeit des Wechselakkupacks, aufgrund der sehr geringen Stromaufnahme vermieden werden. Durch das Öffnen des ersten Schaltelements während eines aktiven Schlaf-Modus der Überwachungseinheit kann der erforderliche Spannungsabfall für das Aufweck-Signal erzeugt werden. Die Erfindung bietet durch das eindeutige Aufweck-Signal überdies den Vorteil, dass Aufweckfehler infolge nicht spezifizierter bzw. fehlerhafter Ladegeräte oder elektrischer Verbraucher oder verschmutzter und damit kurzgeschlossener Energieversorgungskontakte wirksam vermieden werden können. Zudem gewährleistet die Überwachungseinheit in Verbindung mit einem eindeutigen Aufweck-Signal entsprechend zuverlässige Schutzmechanismen.
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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 Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter-Breaker und -Bagger 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.
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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.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spannungsabfall über der dem zumindest einen ersten Schaltelement parallel geschalteten, intrinsischen Diode bzw. ein daraus resultierender Stromfluss den Schaltzustand eines zweiten Schaltelements invertiert. Dabei ist das erste Schaltelement mit dem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise dem Massepotential, verbunden und das zweite Schaltelement als ein Bipolar-Transistor, insbesondere als ein NPN-Transistor, ausgebildet, dessen Basis-Emitter-Strecke, insbesondere über zumindest einen ersten Widerstand, parallel zu dem ersten Schaltelement geschaltet ist. Das zweite Schaltelement kann so auf Grundlage eines verhältnismäßig kleinen Stromflusses, insbesondere eines Basisstroms, einen ausreichend großen Stromfluss, insbesondere einen Kollektorstrom, erzeugen, der ein eindeutiges Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit generiert. Unter dem Invertieren eines Schaltzustands eines Schaltelements soll verstanden werden, dass infolge einer anliegenden Steuerspannung bzw. eines fließenden Steuerstroms ein offenes, also nichtleitendes Schaltelement geschlossen, also leitend geschaltet wird, und infolge einer wegfallenden Steuerspannung bzw. eines nicht mehr fließenden Steuerstroms ein geschlossenes Schaltelement geöffnet wird.
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Zur Vermeidung eines unvorteilhaft hohen Stromflusses im parallel zu dem zumindest einen ersten Schaltelement geschalteten Strompfad, ist der zumindest eine erste Widerstand ausreichend hochohmig ausgebildet, um einen Stromfluss parallel zum zumindest einen ersten Schaltelement auf unkritische Stromstärken zu begrenzen. Zudem ist die Basis-Emitter-Strecke des als Bipolar-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements durch eine Diode vor einer Überspannung geschützt, die bei Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms durch das zumindest eine erste Schaltelement entstehen kann.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass das Invertieren des Schaltzustands des zweiten Schaltelements ein Invertieren des Schaltzustands eines dritten Schaltelements zur Erzeugung des Aufweck-Signals derart bewirkt, dass das dritte Schaltelement das erste Bezugspotential, vorzugsweise das Versorgungspotential, mit einem Eingang der Überwachungseinheit verbindet oder von diesem trennt. Dabei ist das dritte Schaltelement als ein Bipolar-Transistor, insbesondere als ein PNP-Transistor, ausgebildet, dessen Basis, insbesondere über zumindest einen weiteren Widerstand, mit dem Kollektor des als NPN-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements verbunden ist. Zur Vermeidung eines unvorteilhaft hohen Stromflusses ist auch der zumindest eine weitere Widerstand ausreichend hochohmig ausgebildet. Zudem bewirkt der hochohmige Abschluss des Aufweck-Signals gegenüber dem zweiten Bezugspotential, insbesondere gegenüber dem Massepotential, schon bei sehr geringen Strömen ausreichend hohe Spannungswerte von deutlich über 1 V zum zuverlässigen Aufwecken der Überwachungseinheit.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine erste Schaltelement mit dem ersten Bezugspotential, vorzugsweise dem Versorgungspotential, verbunden ist und dass das zweite Schaltelement als ein Bipolar-Transistor, insbesondere als ein PNP-Transistor, ausgebildet ist, dessen Basis-Emitter-Strecke, insbesondere über zumindest einen ersten Widerstand, parallel zu dem zumindest einen ersten Schaltelement geschaltet ist. Dabei erzeugt das Invertieren des Schaltzustands des zweiten Schaltelements das Aufweck-Signal derart, dass das zweite Schaltelement das erste Bezugspotential, vorzugsweise das Versorgungspotential, mit einem Eingang der Überwachungseinheit verbindet oder von diesem trennt. Das zweite Schaltelement kann so auf Grundlage eines verhältnismäßig kleinen Stromflusses, insbesondere eines Basisstroms, und eines hochohmigen Abschlusses gegenüber dem zweiten Bezugspotential, insbesondere gegenüber dem Massepotential, ein eindeutiges Aufweck-Signal mit einem Spannungswert von deutlich über 1 V für die Überwachungseinheit erzeugen. Mögliche weitere strombegrenzende Bauteile zwischen dem zumindest einen ersten Widerstand und der Überwachungseinrichtung sind dem Fachmann bekannt und daher nicht dargestellt.
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Zur Vermeidung eines unvorteilhaft hohen Stromflusses im parallel zum zumindest einen ersten Schaltelement geschalteten Strompfad, ist der zumindest eine erste Widerstand ausreichend hochohmig ausgebildet. Zudem ist die Basis-Emitter-Strecke des als Bipolar-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements durch eine Diode vor einer Überspannung geschützt, die bei Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms durch das zumindest eine erste Schaltelement entstehen kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung dient das zumindest eine erste Schaltelement nur zum Unterbrechen oder Ermöglichen eines Stromflusses in eine erste Stromflussrichtung, beispielsweise in Richtung des Ladestroms, während die andere Stromflussrichtung, beispielsweise die Richtung des Entladestroms, durch eine niederohmige Sicherung, insbesondere eine irreversibel auslösende Sicherung, geschützt ist. Da die intrinsische Diode des zumindest einen ersten Schaltelements in Richtung der ersten Stromflussrichtung gepolt ist, fällt so mit besonderem Vorteil bei geringen Strömen kein nennenswerter Spannungsabfall über ihr ab. Durch den Verzicht eines weiteren, insbesondere als Feldeffekt-Transistor oder MOSFET ausgebildeten, ersten Schaltelements, das zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung der Gegenstromrichtung anti-seriell zum zumindest einen ersten Schaltelements geschaltet sein müsste, kann das Problem eines weiteren hohen Spannungsabfalls bei geöffnetem weiteren ersten Schaltelement sowie einer daraus resultierenden Notwendigkeit zur entsprechenden Signalaufbereitung vermieden werden. Als irreversibel auslösbare Sicherung kommt z.B. eine durch die Überwachungseinheit einmalig ansteuerbare Sicherung, die ein Heizelement zum gesteuerten Auslösen einer Schmelzsicherung aufweist, oder auch eine selbsttätig auslösende Sicherung (z.B. Schmelzsicherung, PTC oder dergleichen) in Frage.
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Ausführungsbeispiele
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
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Es zeigen
- 1: ein System umfassend zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. einen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
- 2: ein Blockschaltbild des Systems aus 1 zum Laden des Wechselakkupacks mit einem Ladegerät in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3: ein Blockschaltbild des Systems aus 1 zum Laden des Wechselakkupacks mit einem Ladegerät in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
- 4: ein Blockschaltbild des Systems aus 1 zum Entladen des Wechselakkupacks mit einem elektrischen Verbraucher in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen Wechselakkupack 10 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 14. Der Wechselakkupack 10 kann mittels eines Ladegeräts 16 geladen und durch diverse elektrische Verbraucher 18 entladen werden. Dazu weisen das Ladegerät 16 und die elektrischen Verbraucher 18 jeweils eine weitere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für verschiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen.
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Der Wechselakkupack 10 umfasst ein Gehäuse 28, das an einer Seitenwand bzw. an seiner Oberseite 30 die elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. der elektrischen Verbraucher 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 18 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 16 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10 dienen. Die genaue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten elektrischen Verbrauchern 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
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Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 32 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 20 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 18. Dabei ist die Arretiervorrichtung 32 als ein gefederter Drücker 34 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 36 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Arretiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 34 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 18 entnehmen bzw. ausschieben.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Wechselakkupack-Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen UCell der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzellen, 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.
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In 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 16 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 38 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom I geladen werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND nicht dauerhaft an allen Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern in der Regel erst nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
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Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 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 38, 40 abfallende Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung UBatt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakkupack-Spannung UBatt = V1 - V2 von 5 • 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 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 42 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 42 angewendet werden.
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Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 44 (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 44 weist eine Multiplexer-Messvorrichtung 46 auf, die über Filterwiderstände 48 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 50 der Pole der Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster verbindbar 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 UCell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
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Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 52 oder auch direkt innerhalb der SCM-Vorstufe 44 erfolgen. Zudem können auf diese Weise parallel zu den Energiespeicherzellen 42 geschaltete Schaltelemente 54 der SCM-Vorstufe 44 geschlossen oder geöffnet werden, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen UCell an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen UCell direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
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Die Überwachungseinheit 52 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 52 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die Überwachungseinheit 52 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung UBatt, den Zellspannungen UCell, einer Temperatur T, des Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
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Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 kann auch das Ladegerät 16 eine Überwachungseinheit 56 aufweisen, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 können über einen als Signal- bzw. Datenkontakt 58 ausgebildeten dritten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 miteinander kommunizieren. So können die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 beispielsweise wesentliche für den Ladevorgang benötigte Betriebsparameter über den Signal- bzw. Datenkontakt 58 austauschen. Ebenso ist denkbar, dass die Überwachungseinheiten 52, 56 sich gegenseitig steuern, um z.B. einen Ladevorgang abzubrechen oder um in einen anderen Lademodus umzuschalten.
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Der in dem Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 wird mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung UBatt geladen. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netzteil 60 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung UBatt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 61 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwachungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 61 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Die genaue Ausgestaltung des Netzteils 60 des Ladegeräts 16 ist dem Fachmann bekannt und für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
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Um im Falle eines mit dem Wechselakkupack verbundenen elektrischen Verbrauchers 18 den Entladestrom I zur Erhöhung der Betriebssicherheit auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 62 auf, das von der Überwachungseinheit 52 zum Unterbrechen des Entladestroms I geöffnet und zum Ermöglichen des Entladestroms I geschlossen werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 62 im Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontaktpunkt 64 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 62 als ein MOSFET 66 ausgebildet. Es sind aber auch andere Arten von Feldeffekt-Transistoren denkbar.
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Dem MOSFET 66 ist eine intrinsische Diode 68 in Stromflussrichtung des Ladestroms I parallelgeschaltet, die im Falle eines mit dem Wechselakkupack 10 verbundenen Ladegeräts 16 zur Erzeugung eines Aufweck-Signals aufgrund des Ladestroms I dienen kann. Die intrinsische Diode 68 ergibt sich durch die einzelnen Halbleiterübergänge des Feldeffekt-Transistors bzw. MOSFETs. Im Schlafzustand der Überwachungseinheit 52 wird der MOSFET 66 derart von der Überwachungseinheit 52 angesteuert, dass er geöffnet ist und den Ladestrom I unterbricht. Auf diese Weise kann unmittelbar nach dem Verbinden der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 von Wechselakkupack 10 und Ladegerät 16 eine durch den resultierenden Ladestrom I des Ladegeräts 16 erzeugte Spannung Uw über der intrinsischen Diode 68 abfallen, die in besonders vorteilhafter Weise als Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 dient.
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Das Aufweck-Signal kann so mit besonderem Vorteil bereits mit einem sehr geringen Ladestrom I von beispielsweise 1 mA erzeugt werden.
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Da das zumindest eine erste Schaltelement 62 aufgrund der parallel geschalteten intrinsischen Diode 68 nur zum Unterbrechen eines Stromflusses in eine Stromflussrichtung, in diesem Fall die des Entladestroms, dienen kann, ist die andere Stromflussrichtung (für den Ladestrom) nicht ohne ein weiteres erstes Schaltelement abschaltbar. Ein solches weiteres erstes Schaltelement kann beispielsweise eine niederohmige Sicherung 70, insbesondere eine ansteuerbare Sicherung mit z.B. einem integrierten Heizelement zum gesteuerten Auslösen einer Schmelzsicherung, sein. Da eine niederohmige Sicherung 70 typischerweise einen Widerstandswert von nur wenigen Milliohm aufweist, kann die über ihr abfallende Spannung nicht zum sicheren und zuverlässigen Erzeugen des Aufweck-Signals für die Überwachungseinheit 52 herangezogen werden. Dies ist nur mit dem ausreichend großen Spannungsabfall Uw über der intrinsischen Diode 68 möglich. Statt der Sicherung 70 kann die andere Stromflussrichtung aber auch durch ein weiteres erstes Schaltelement (nicht gezeigt), das beispielweise als ein Feldeffekt-Transistor, MOSFET, Bipolar-Transistor, IGBT aber auch als Relais oder ein mechanischer Trennschalter ausgebildet ist, geschützt werden. Im Falle eines als Feldeffekt-Transistors oder MOSFET muss das weitere erste Schaltelement derart verschaltet werden, dass dessen intrinsische Diode gegenpolig zu der intrinsischen Diode 68 des ersten Schaltelements 66 ist. Ein als Feldeffekt-Transistor oder MOSFET ausgebildetes weiteres erstes Schaltelement hätte aber den Nachteil eines zusätzlichen hohen Spannungsabfalls im geöffneten Zustand sowie der daraus resultierenden Notwendigkeit einer entsprechenden Signalaufbereitung.
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Der Spannungsabfall UW über der intrinsischen Diode 68 bzw. ein daraus resultierender Stromfluss dient nun zur Invertierung des Schaltzustands eines zweiten Schaltelements 72, das als ein Bipolar-Transistor, insbesondere als ein NPN-Transistor, ausgebildet ist und dessen Basis-Emitter-Strecke 74 über einen ersten Widerstand 76 parallel zum zumindest MOSFET 66 geschaltet ist. Im vorliegenden Fall wird das zweite Schaltelement 72 durch den Spannungsabfall Uw über der intrinsischen Diode 68 des MOSFETs 66 geschlossen. Das zweite Schaltelement 72 kann so auf Grundlage eines verhältnismäßig kleinen durch den Ladestrom I hervorgerufenen Stromflusses, insbesondere eines Basisstroms, einen ausreichend großen Stromfluss, insbesondere einen Kollektorstrom, als eindeutiges Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit 52 erzeugen. Dazu schaltet der Kollektorstrom des zweiten Schaltelements 72 ein drittes Schaltelement 78 derart, dass das dritte Schaltelement das Versorgungspotential V+ kollektorseitig an einen Eingang der Überwachungseinheit 52 weiterleitet. Das dritte Schaltelement 78 ist als ein Bipolar-Transistor, insbesondere als ein PNP-Transistor, ausgebildet, dessen Basis über einen weiteren Widerstand 80 mit dem Kollektor des als NPN-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements 72 und dessen Emitter mit dem Versorgungspotential V+ des als Versorgungskontaktpunkt ausgebildeten Abgriffs 50 der SCM-Vorstufe 44 verbunden ist. Zur Vermeidung unvorteilhaft hoher Stromflüsse sind der erste und der weitere Widerstand 76, 80 hochohmig ausgebildet. Zudem bewirkt der hochohmige Abschluss des Aufweck-Signals gegenüber dem Massepotential GND schon bei sehr geringen Ladeströmen I ausreichend hohe Spannungswerte Uw von deutlich über 1 V zum zuverlässigen Aufwecken der Überwachungseinheit 52.
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Um das zweite Schaltelement 72 vor einer Überspannung zu schützen, die bei einer Unterbrechung des Entladestroms durch das erste Schaltelement 62 entstehen kann, ist parallel zur Basis-Emitter-Strecke 74 des als Bipolar-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements 72 eine Diode 82 geschaltet.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Aufwecken der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 beim Laden des Wechselakkupacks 10 mit dem Ladegerät 16. Im Unterschied zu 2 ist das erste Schaltelement 62 nun nicht mehr im Massepfad, sondern im Versorgungspfad (High-Side) zwischen dem ersten als Energieversorgungskontakt 38 ausgebildeten Kontakt 12 und dem als Versorgungskontaktpunkt ausgebildeten Abgriff 50 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Wie schon in 2, so ist auch hier dem ersten als MOSFET 66 ausgebildeten Schaltelement 62 eine intrinsische Diode 68 in Stromflussrichtung des Ladestroms I parallelgeschaltet, um im Falle eines mit dem Wechselakkupack 10 verbundenen Ladegeräts 16 ein Aufweck-Signal aufgrund des Ladestroms I erzeugen zu können. Es soll nachfolgend nicht auf sämtliche Komponenten des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 eingegangen werden, da diese dieselben Funktionen, wie in 2 aufweisen.
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Im Schlafzustand der Überwachungseinheit 52 wird der MOSFET 66 derart von der Überwachungseinheit 52 angesteuert, dass er geöffnet ist und der Ladestrom I folglich durch die intrinsische Diode 68 fließt. Somit fällt nach dem Verbinden des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 eine durch den resultierenden Ladestrom I erzeugte Spannung UW über der intrinsischen Diode 68 des MOSFET 66 ab, die als Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 dient.
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Da auch in diesem Ausführungsbeispiel das erste Schaltelement 62 aufgrund der intrinsischen Diode 68 des MOSFET 66 nur zum Unterbrechen des Entladestroms dienen kann, ist der Wechselakkupack 10 vor zu hohen Ladeströmen I ohne ein weiteres erstes Schaltelement nicht geschützt. Einen entsprechenden Schutz bietet die Sicherung 70 oder die weiteren zu 2 beschriebenen Schutzmaßnahmen.
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Analog zu 2 ist dem MOSFET 66 eine aus der Basis-Emitter-Strecke 74 eines zweiten Schaltelements 72 und eines Widerstands 76 gebildete Reihenschaltung parallelgeschaltet. Wegen der High-Side-Anbindung ist das zweite Schaltelement 72 nun jedoch als ein PNP-Transistor ausgebildet, dessen Basis mit dem Versorgungspotential V+ verbunden ist. Dabei erzeugt das Invertieren des Schaltzustands des zweiten Schaltelements 72 das Aufweck-Signal derart, dass das zweite Schaltelement 72 das Versorgungspotential V+ kollektorseitig an einen Eingang der Überwachungseinheit 52 legt oder von diesem trennt. Das zweite Schaltelement 72 kann so auf Grundlage eines verhältnismäßig kleinen in seine Basis fließenden Ladestroms I einen ausreichend großen Kollektorstrom als eindeutiges Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit 10 erzeugen. Wegen der High-Side-Anbindung des MOSFETs 66 und des zweiten Schaltelements 72 ist in diesem Ausführungsbeispiel kein drittes Schaltelement mehr erforderlich.
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Zur Vermeidung eines unvorteilhaft hohen Stromflusses im parallel zum MOSFET 66 geschalteten Strompfad ist der Widerstand 76 hochohmig ausgebildet. Zudem ist die Basis-Emitter-Strecke des als PNP-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelements 72 durch eine Diode 82 vor einer Überspannung geschützt, die bei Unterbrechung des Entladestroms durch den MOSFET 66 entstehen kann. Zur Reduktion des Stromflusses durch das zweite Schaltelement 72 in Richtung der Überwachungseinheit 52 können weitere dem Fachmann bekannte strombegrenzende Bauteile eingefügt werden.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall gezeigt, dass nun der Ladestrom mittels zumindest eines ersten als MOSFET 66 ausgebildeten Schaltelements 62 unterbrochen und ermöglicht werden kann, während der Entladestrom I als Aufweck-Signal für die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 dient. Soweit nachfolgend nicht anders erwähnt, weisen Bauteile mit identischen Bezugszeichen dieselben Funktionen auf. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der MOSFET 66 samt der dazu parallel verschalteten intrinsischen Diode 68 in entgegengesetzter Stromrichtung, sprich, in Richtung des Entladestroms I, gepolt. Entsprechendes gilt auch für den aus dem als NPN-Transistor ausgebildeten zweiten Schaltelement 72, dem ersten Widerstand 76 und der Diode 82 bestehenden Teil der Schaltung zur Erzeugung des Aufweck-Signals.
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Im Schlafzustand der Überwachungseinheit 52 ist der MOSFET 66 wiederum derart von der Überwachungseinheit 52 angesteuert, dass er geöffnet ist und der Entladestrom I folglich durch seine intrinsische Diode 68 fließen muss. Wird nun ein mit dem Wechselakkupack 10 verbundener elektrischer Verbraucher 18 aktiviert, so führt dies unmittelbar zum Aufwachen der Überwachungseinheit 52, da durch den Entladestrom I ein Spannungsabfall Uw über der intrinsischen Diode 68 des MOSFETS 66 erzeugt wird. Dieser führt analog zum ersten Ausführungsbeispiel zu einem Invertieren der Schaltzustände des zweiten und des dritten Schaltelements 72, 78 und zur Beaufschlagung eines Eingangs der Überwachungseinheit 52 mit dem Versorgungspotential V+ als Aufweck-Signal.
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Nach dem Aufwachen schließt die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 den MOSFET 66, so dass der vom elektrischen Verbraucher 18 benötigte Entladestrom I nicht mehr über die intrinsische Diode 68 fließt, um die Verlustleistung im MOSFET 66 zu minimieren. Die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 steuert dann in Abhängigkeit eines nicht näher gezeigten, von einem Bediener steuerbaren Gasgeber-Schalters eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 84 an, an der die Wechselakkupack-Spannung UBatt anliegt. Die Last 84 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Entladestrom I des Wechselakkupacks 10 hat. Es ist aber auch eine andere Leistung umsetzende Last 84 denkbar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer bzw. elektromechanischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll.
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Statt das zumindest eine erste Schaltelement 62 in den Low-Side-Strompfad zu integrieren, ist es entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in Verbindung mit einer Unterbrechungsmöglichkeit für den Entladestrom I auch möglich, das zumindest eine erste Schaltelement 62 in den High-Side-Strompfad einzubinden. Auf ein weiteres Blockschaltbild soll jedoch verzichtet werden. Ebenso ist es denkbar, mehrere erste Schaltelemente 62 in den Strompfaden zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung beider Stromrichtungen vorzusehen.
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Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 4 noch auf die darin gezeigte Art der Wechselakkupacks 10, des Ladegeräts 16 oder der elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 42 und der damit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 20 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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