DE102020215037A1

DE102020215037A1 - Wechselakkupack mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms

Info

Publication number: DE102020215037A1
Application number: DE102020215037.0A
Authority: DE
Inventors: Holger Wernerus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02
Also published as: WO2022111958A1; CN116569439A; US20240006899A1; EP4252332A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack (10) mit einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V1), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V+), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V2), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (74), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40). Es wird vorgeschlagen, dass der Wechselakkupack (10) eine Messschaltung (64) zur Messung von in dem Wechselakkupack (10) integrierten Bauteilen (66, 70) über zumindest einen weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt (68, 72) ausgebildeten Kontakt (12) der elektromechanischen Schnittstelle (14) aufweist, wobei die Messschaltung (64) derart mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt (40) ausgebildeten Kontakt (12) verschaltet ist, dass die Messung der integrierten Bauteile (66, 70) im Wesentlichen unabhängig von dem Lade- oder Entladestrom (I) des Wechselakkupacks (10) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms nach dem Obergriff des Anspruchs 1.
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 sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
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. Aus der DE 10 2011 053 830 B4 ist ferner bekannt, einen Wechselakkupack zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad auszustatten.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, Lade- oder Entladeparameter des Wechselakkupacks, wie beispielsweise eine Temperatur eines Temperaturmessfühlers, ein Widerstandswert eines Kodierwiderstands oder dergleichen, weitestgehend unabhängig von dem Lade- oder Entladestrom durch einen mit dem Wechselakkupack verbundenen elektrischen Verbraucher oder ein mit dem Wechselakkupack verbundenes Ladegerät über entsprechende Signal- oder Datenkontakte zuverlässig und fehlerfrei zu ermitteln.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der gesellten Aufgabe ist vorgesehen, dass der Wechselakkupack eine Messschaltung zur Messung von in dem Wechselakkupack integrierten Bauteilen über zumindest einen weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildeten Kontakt der elektromechanischen Schnittstelle aufweist, wobei die Messschaltung derart mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt ausgebildeten Kontakt verschaltet ist, dass die Messung der integrierten Bauteile im Wesentlichen unabhängig von dem Lade- oder Entladestrom des Wechselakkupacks erfolgt. Mit besonderem Vorteil ist durch die masseseitige Anbindung der zu messenden Bauteile nahe am entsprechenden Energieversorgungskontakt der elektromechanischen Schnittstelle und der daraus resultierenden Vermeidung von unerwünschten Spannungsabfällen innerhalb der Messschleife eine zuverlässige Ermittlung der Lade- oder Entladeparameter bei beliebigen Lade- oder Entladeströmen möglich.
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.
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.
Ergänzend ist vorgesehen, dass eine Überwachungseinheit des Wechselakkupacks das zumindest eine erste, mit dem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise dem Massepotential, verbundene Schaltelement zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms öffnet und zur Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms schließt. Ist das zumindest eine erste Schaltelement zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms des Wechselakkupacks geöffnet, so besteht bei einer angeschlossenen externen Last, beispielsweise einem elektrischen Verbraucher oder einem Ladegerät, das Risiko eines dauerhaft hohen Spannungsabfalls über dem zumindest einen ersten Schaltelement, der bis zur Höhe der Wechselakkupack-Spannung reichen kann. Aufgrund induktiver Anteile im Strompfad kann der Spannungsabfall kurzzeitig nach dem Öffnen des zumindest einen ersten Schaltelements auch noch deutlich höher sein. Dieser Spannungsabfall kann zu Schäden bzw. Funktionsbeeinträchtigungen im Wechselakkupack und/oder in der Last führen. Zur Vermeidung eines derartigen Spannungsabfalls ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein weiteres Schaltelement zwischen der Messschaltung und dem zweiten als Energieversorgungskontakt ausgebildeten Kontakt vorgesehen ist, um einen Stromfluss ausgehend vom zweiten Bezugspotential, vorzugsweise vom Massepotential, in die Messschaltung oder von der Messschaltung in Richtung des zweiten Bezugspotentials, vorzugsweise des Massepotentials, zu vermeiden. Zudem sind auf diese Weise Risiken vermeidbar, die die Funktionsweise von Wechselakkupack, elektrischem Verbraucher und/oder Ladegerät beeinträchtigen könnten.
Um die Messschaltung vor zu hohen Spannungen zu schützen, trennt sie die Überwachungseinheit vom zweiten Bezugspotential, vorzugsweise vom Massepotential, indem sie das zumindest eine weitere Schaltelement zeitlich vor dem zumindest einen ersten Schaltelement öffnet. Zudem ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit das zumindest eine weitere Schaltelement zeitlich nach dem zumindest einen ersten Schaltelement schließt, um zu gewährleisten, dass sich nach dem Schließen des zumindest einen ersten Schaltelements zunächst eine etwaig darüber abfallende Spannung abbauen kann.
Alternativ zu dem zumindest einen weiteren Schaltelement oder auch in Ergänzung dazu kann ein Steuereingang der Messschaltung durch ein Schutzelement, insbesondere eine Schutzdiode, von der Überwachungseinheit entkoppelt sein. Auf diese Weise können andere mit der Messschaltung verbundene Komponenten des Wechselakkupacks, wie z.B. die Überwachungseinheit, vor zu hohen Spannungen bzw. Spannungsspitzen geschützt werden. Ebenso ist denkbar, dass diese Komponenten und/oder die Messschaltung selbst von vornherein derart ausgelegt sind, dass sie diese hohen Spannungen aufnehmen können.
Weiterhin kann auch der zumindest eine weitere als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildete Kontakt der elektromechanischen Schnittstelle durch ein Schutzelement, insbesondere eine Schutzdiode, entkoppelt sein, um externe, über den Signal- bzw. Datenkontakt angeschlossene Geräte vor zu hohen Spannungen bzw. Spannungsspitzen des Wechselakkupacks zu schützen. Diese Entkopplung kann alternativ oder ergänzend auch im externen Gerät erfolgen.
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 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 in einem ersten Ausführungsbeispiel und
3: ein Blockschaltbild des Systems aus 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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.
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.
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.
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 Energiespeicherzellen, 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.
In 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 bzw. elektrischen Verbraucher 18 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 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 V₁, 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 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher 18 mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern 18 bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts 16. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom das gemeinsame Symbol I verwendet werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V₊ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
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 U_Batt 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 U_Batt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 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 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.
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 U_Cell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
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 U_Cell an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
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 erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, des Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 können auch das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 eine Überwachungseinheit 56 aufweisen, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Im Falle eines elektrischen Verbrauchers 18 steuert die Überwachungseinheit 56 eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 58, an der die Wechselakkupack-Spannung U_Batt anliegt. Die Last 58 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 58 denkbar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer bzw. elektromechanischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll.
Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden. 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 U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 62 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwachungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 62 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.
Zur Messung einer Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 42 mittels einer im Wechselakkupack 10 integrierten Messschaltung 64 dient ein im Wechselakkupack 10 angeordneter Temperatursensors 66, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 42 steht. Die derart gemessene Temperatur T kann dann von der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 über einen ersten als Signal- oder Datenkontakt 68 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ausgewertet werden.
Damit das Ladegerät 16 oder der elektrische Verbraucher 18 den Wechselakkupack 10 identifizieren und ggf. zum Laden oder Entladen freigeben kann, weist der Wechselakkupack 10 einen Kodierwiderstand 70 auf, der analog dem Temperatursensor 66 mit der Messschaltung 64 verbunden ist. Der mit der Messschaltung 66 gemessene Widerstandswert des Kodierwiderstands 70 kann dann über einen weiteren als Signal- oder Datenkontakt 72 ausgebildeten Kontakt 12 der Schnittstellen 14 von der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 ausgewertet werden. Stimmt der Widerstandswert des Kodierwiderstands 70 mit einem in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 hinterlegen Wert überein, so wird der Ladevorgang entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Ladeparameter, insb. dem Ladestrom I, der Ladespannung U_Batt, dem zulässigen Temperaturbereich, etc. gestartet. Entsprechend kann auch der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 durch die Überwachungseinrichtung 56 des elektrischen Verbrauchers 18 freigegeben werden. Statt nur eines Kodierwiderstand 70 können auch mehrere Kodierwiderstände im Wechselakkupack 10 jeweils für den Lade- und Entladevorgang vorgesehen sein. Stimmen die gemessenen Widerstandswerte der Kodierwiderstände nicht mit den Werten gemäß der Look-Up-Tabelle überein, wird der Lade- bzw. Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 abgebrochen bzw. nicht erlaubt. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies einen Betrieb von Wechselakkupacks 10 unterschiedlicher Leistungsklassen mit gleichen elektromechanischen Schnittstellen 14 bzw. 20.
Um den Lade- oder Entladestrom I zur Erhöhung der Betriebssicherheit auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 74 auf, das von der Überwachungseinheit 52 zum Unterbrechen des Lade- oder Entladestroms I geschlossen und zum Ermöglichen des Lade- oder Entladestroms I geöffnet werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 74 im Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontaktpunkt 76 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das zumindest eine erste Schaltelement 74 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 ist. Ebenso kann sowohl im Versorgungspfad als auch im Massepfad jeweils zumindest ein erstes Schaltelement 74 vorgesehen sein. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 74 als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen denkbar.
Aufgrund des Lade- oder Entladestroms I und daraus resultierender Stromgradienten kommt es Prinzip bedingt zu Spannungsabfällen U_L über verschiedene ohmsch-induktive Lasten im Wechselakkupack 10. Diese Lasten sind in 1 durch entsprechende Ersatz-Impedanzen 78 und 80 dargestellt. Während die Ersatz-Impedanz 78 alle ohmsch-induktiven Lasten innerhalb des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise Leiterbahnen von Leiterplatten, Kabel, Strommesswiderstände, Sicherungen, Halbleiterübergänge, etc. symbolisiert, deutet die Ersatz-Impedanz 80 die Verluste durch die elektrische Verbindung zwischen dem zumindest einen ersten Schaltelement 74 und dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakten 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 an. Zudem kommt es auch zu einem Spannungsabfall U_L über dem zumindest einen ersten Schaltelement 74. Die Doppelpfeile deuten an, dass die Spannungsabfälle U_L abhängig von der Stromrichtung (Lade- oder Entladestrom) sind. Im Falle eines Entladestroms I fließt der Strom masseseitig in den Wechselakkupack hinein, während er im Falle eines Ladestroms I masseseitig herausfließt. Entsprechend ergeben sich die Spannungsabfälle U_L.
Die Spannungsabfälle U_L bewirken einen Masseversatz zwischen dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 und der Elektronik des Wechselakkupacks 10. Sprich, das zweite Bezugspotential V₂ bzw. das Massepotential GND des Wechselakkupacks 10 weicht um die Summe der Spannungsabfälle ΣU_L vom zweiten Bezugspotential V₂ bzw. Massepotential GND des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 ab. Dieser vom Lade- bzw. Entladestrom I abhängige Masseversatz bewirkt einen Messfehler bei der Messung des Temperatursensors 66 und des Kodierwiderstands 70 sowie ggf. weiterer zu messender Bauelemente. Die Messschaltung 64 ist nun derart mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 verschaltet, dass die Messung des Temperatursensors 66 und des Kodierwiderstands 70 sowie ggf. weiterer integrierter Bauteile im Wesentlichen unabhängig vom Lade- oder Entladestrom I des Wechselakkupacks 10 erfolgt. Durch die masseseitige Anbindung der zu messenden Bauteile nahe am Energieversorgungskontakt 40 der elektromechanischen Schnittstelle 14 können unerwünschte Spannungsabfälle innerhalb der Messschleife vermieden und somit eine zuverlässige Ermittlung der Lade- oder Entladeparameter bei beliebigen Lade- oder Entladeströmen I ermöglicht werden. Statt einer gemeinsamen Masseanbindung der zu messenden Bauelemente kann es alternativ auch möglich sein, einzelne oder alle zu messenden Bauelemente mit jeweils einer separaten Masseanbindung zu versehen. Auch ist denkbar, dass die Messschaltung 64 einen Multiplexer aufweist, mit dem sie die einzelnen zu messenden Bauelemente, insbesondere den Temperatursensor 66 und den Kodierwiderstand 70, ansteuert und die jeweiligen Masseanbindungen realisiert. Die Steuerung eines derartigen Multiplexers kann über die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 und/oder über die Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 bzw. elektrischen Verbrauchers 18 erfolgen. Der Aufbau eines Multiplexers ist dem Fachmann bekannt und soll daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden. Durch den Multiplexer innerhalb der Messschaltung ist es zudem möglich, die Anzahl der als Signal- bzw. Datenkontakt ausgebildeten Kontakte 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 zu reduzieren, insbesondere auf nur noch einen derartigen Kontakt 12.
Ist das zumindest eine erste Schaltelement 74 zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms geöffnet, so besteht bei einer an der elektromechanischen Schnittstelle 14 angeschlossenen externen Last, beispielsweise einem elektrischen Verbraucher 18 oder einem Ladegerät 16, das Risiko eines dauerhaft hohen Spannungsabfalls U_L über dem zumindest einen ersten Schaltelement 74, der bis zur Höhe der Wechselakkupack-Spannung U_Batt reichen kann. Aufgrund induktiver Anteile im Strompfad kann der Spannungsabfall U_L kurzzeitig nach dem Öffnen des zumindest einen ersten Schaltelements 74 auch deutlich höher sein. Ein derartig hoher Spannungsabfall U_L kann zu Schäden bzw. Funktionsbeeinträchtigungen im Wechselakkupack 10 und/oder im Ladegerät 16 bzw. im elektrischen Verbraucher 18 führen. Zur Vermeidung eines solchen Spannungsabfalls ist gemäß 3 vorgesehen, dass zumindest ein weiteres Schaltelement 82 zwischen der Messschaltung 64 und dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 vorgesehen ist, um einen Stromfluss ausgehend vom zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere dem Massepotential GND, in die Messschaltung 64 oder von der Messschaltung 64 in Richtung des zweiten Bezugspotentials V₂, insbesondere des Massepotentials GND, zu vermeiden. Zudem lassen sich Risiken vermeiden, die die Funktionsweise des Wechselakkupacks 10, des Ladegeräts 16 und/oder des elektrischen Verbraucher 18 beeinträchtigen könnten.
Das zumindest eine weitere Schaltelement 82 wird über die Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 derart gesteuert, dass es in Verbindung mit dem zumindest einen ersten Schaltelement 74 den Lade- oder Entladestrom I unterbricht oder ermöglicht. Dabei trennt die Überwachungseinheit 52 die Messschaltung 64 vom zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere vom Massepotential GND, indem sie das zumindest eine weitere Schaltelement 82 zeitlich vor dem zumindest einen ersten Schaltelement 74 öffnet, um die Messschaltung 64 vor zu hohen Spannungen zu schützen. Zudem ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit 52 das zumindest eine weitere Schaltelement 82 zeitlich nach dem zumindest einen ersten Schaltelement 74 schließt, um zu gewährleisten, dass sich nach dem Schließen des zumindest einen ersten Schaltelements 74 zunächst eine etwaig darüber abfallende Spannung abbauen kann. Bevorzugt ist das zumindest eine weitere Schaltelement 82 als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen denkbar.
Statt des zumindest einen weiteren Schaltelements 82 oder auch in Ergänzung dazu kann ein Steuereingang 84 der Messschaltung 64 durch ein Schutzelement 86, insbesondere eine Schutzdiode, von der Überwachungseinheit 52 entkoppelt sein. Auf diese Weise können andere mit der Messschaltung 64 verbundene Komponenten des Wechselakkupacks 10 vor zu hohen Spannungen bzw. Spannungsspitzen geschützt werden. Ebenso ist denkbar, dass diese Komponenten und/oder die Messschaltung 64 selbst von vornherein derart ausgelegt sind, dass sie diese hohen Spannungen aufnehmen können.
Ebenso ist es möglich, die beiden weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt 68, 72 ausgebildeten Kontakte 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 durch jeweils ein Schutzelement 86, insbesondere eine Schutzdiode, zu entkoppeln, um externe, über die Signal- bzw. Datenkontakte 68, 72 angeschlossene Geräte, wie das Ladegerät 16 oder den elektrischen Verbraucher 18 aber auch ein nicht gezeigtes Diagnosegerät, vor zu hohen Spannungen bzw. Spannungsspitzen des Wechselakkupacks 10 zu schützen. Alternativ oder ergänzend können entsprechende Schutzelemente auch an den Signal- bzw. Datenkontakten 68, 72 der elektromechanische Schnittstelle 20 des Ladegerät 16 oder des elektrischen Verbrauchers 18 zum Einsatz kommen.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 3 noch auf die darin gezeigte Art der Wechselakkupacks 10, Ladegeräte 16 oder elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46 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. Dies gilt auch für Art und Anzahl der Temperatursensoren und Kodierwiderstände.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011053830 B4 [0003]

Claims

Wechselakkupack (10) mit einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (74), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselakkupack (10) eine Messschaltung (64) zur Messung von in dem Wechselakkupack (10) integrierten Bauteilen (66, 70) über zumindest einen weiteren als Signal- bzw. Datenkontakt (68, 72) ausgebildeten Kontakt (12) der elektromechanischen Schnittstelle (14) aufweist, wobei die Messschaltung (64) derart mit dem zweiten als Energieversorgungskontakt (40) ausgebildeten Kontakt (12) verschaltet ist, dass die Messung der integrierten Bauteile (66, 70) im Wesentlichen unabhängig von dem Lade- oder Entladestrom (I) des Wechselakkupacks (10) erfolgt.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (52) des Wechselakkupacks (10) das zumindest eine erste, mit dem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise dem Massepotential (GND), verbundene Schaltelement (74) zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms (I) öffnet und zur Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms (I) schließt.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Schaltelement (82) zwischen der Messschaltung (64) und dem zweiten als Energieversorgungskontakt (40) ausgebildeten Kontakt (12) vorgesehen ist, um einen Stromfluss ausgehend vom zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise vom Massepotential (GND), in die Messschaltung (64) oder von der Messschaltung (64) in Richtung des zweiten Bezugspotentials (V₂), vorzugsweise des Massepotentials (GND), zu vermeiden.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (52) das zumindest eine weitere Schaltelement (82) zeitlich vor dem zumindest einen ersten Schaltelement (74) öffnet.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (10) das zumindest eine weitere Schaltelement (82) zeitlich nach dem zumindest einen ersten Schaltelement (74) schließt.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steuereingang (84) der Messschaltung (64) durch ein Schutzelement (86), insbesondere eine Schutzdiode, von der Überwachungseinheit (52) entkoppelt ist.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere als Signal- bzw. Datenkontakt (68, 72) ausgebildete Kontakt (12) der elektromechanischen Schnittstelle (14) durch ein Schutzelement (86), insbesondere eine Schutzdiode, entkoppelt ist.