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Die
Erfindung betrifft ein Batteriesystem bestehend aus einer Batterie
und einer Vorrichtung zur effizienten Ausnutzung der Energie installierter
Batterien in elektrisch betriebenen Geräten.
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Handelsübliche Batterien
oder Akkus werden in fast allen mobilen, batteriebetriebenen Geräten, wie
zum Beispiel in MP3-Spielern oder in Taschenlampen eingesetzt. Lässt die
Leistung des Gerätes
signifikant nach, wird z. B. die Lichtkraft schwächer, eine Taschenlampenbirne
oder LED dunkler, sind die Anzeigen auf einem Bildschirm nicht mehr ablesbar,
wird Musik zu leise oder wird sie verzerrt, so werden diese Batterien,
es handelt sich meist um herkömmliche
Alkaline-Batterien, ausgetauscht und durch neue ersetzt, obwohl
noch ein großer
Teil an Energie in ihnen vorhanden ist.
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Eine
steil abfallende Entladekurve der Batterie führt dazu, dass die Spannung
soweit sinkt, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb eines Gerätes nicht mehr
möglich
ist, obwohl elektrochemisch im Speicher noch bis zu 30–40 % der
bei der Herstellung installierten Ladungsträger vorhanden sind. Dieser
Effekt tritt noch stärker
bei den meisten zeitgenössischen,
mit Halbleitern ausgestatteten Geräten auf, da diese meist besonders
spannungsempfindlich sind und bereits unterhalb eines Schwellenwertes vollständig ihren
Betrieb einstellen. Die verbleibende Ladungsmenge in der Batterie
wird dann üblicherweise
weggeworfen.
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Fabrikneue
Batterien werden mit einer Spannung ausgeliefert, die deutlich über der
Nennspannung und/oder einem oberen Schwellenwert einer Batterie
liegt. In der Regel geht diese überschüssige Energie
dieser fabrikneuen Batterien bei einem gewöhnlichen Betrieb verloren.
Ferner kann sich eine zu hohe Anfangsspannung der Batterie negativ
auf empfindliche batteriebetriebene Geräte auswirken.
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Der
Stand der Technik kennt Vorrichtungen, die es ermöglichen,
die Energie einer Batterie zu nutzen, indem sie die Spannung einer
Batterie erhöhen. Dabei
handelt es sich um sogenannte „Boostconverter" oder auch „Hochsetzsteller". Nachteilig ist
hingegen, dass diese „Boostconverter" oftmals eine eigene Energieversorgung
und eine aufwendige Beschaltung benötigen und zudem recht teuer
sind. Der Stand der Technik kennt keine Vorrichtung, die eine äußere Kontur
besitzt, die derjenigen einer Batterie entspricht, und die die Spannung
einer Batterie dann absenkt, wenn diese über einem vorgegebenen oberen
Schwellenwert liegt und/oder die die Spannung einer Batterie dann
anhebt, wenn diese unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert
abgefallen ist.
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Ziel
der Erfindung ist es, die über
einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegende zu hohe Anfangsspannung,
zum Beispiel bei fabrikneuen Batterien abzusenken und/oder die in
Batterien unter einem vorgegebenen unteren Schwellenwert verbleibende
Ladungsmenge auf einem niedrigen Spannungsniveau aus Batterien zu
entnehmen und einem elektrisch betriebenen Gerät auf Nennspannungsniveau zur
Verfügung
zu stellen.
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Hierzu
stellt die Erfindung ein Batteriesystem bereit mit einer Batterie
zur Abgabe einer Batteriespannung Ue, gekennzeichnet
durch eine Vorrichtung zur Absenkung der Batteriespannung dann,
wenn diese über
einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und/oder zur Anhebung der
Batteriespannung, wenn diese unter einen vorgegebenen Schwellenwert
abfällt,
auf eine Spannung Ua und zum Bereitstellen
dieser Spannung Ua, wobei die Vorrichtung
eine äußere Kontur
hat, die derjenigen der Batterie entspricht.
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Wenn
im Folgenden von einem Batteriekopf, einer Nennspannung oder einem
Schwellenwert die Rede ist, so wird mit dem Begriff „Batteriekopf" bei einer Batterie,
bei der sich die Pole an entgegengesetzten Enden befinden, dasjenige
Ende der Batterie bezeichnet, an dem sich der positive Pol befindet.
Bei Batterien, bei denen beide Pole an einem Ende einer Batterie
angeordnet sind, wird dieses Ende als „Batteriekopf" bezeichnet. Der
Begriff „Nennspannung" bezeichnet die Spannung,
für die
ein elektrischer Stromerzeuger, ein elektrischer Stromkreis, ein
elektrisches Gerät
ausgelegt ist. Schließlich
wird mit dem Begriff „oberer
Schwellenwert" eine
vorgegebene Spannung bezeichnet, die über der Nennspannung einer
Batterie liegt und mit dem Begriff „unterer Schwellenwert" wird der geringste
Betrag einer Ursache bezeichnet, der ausreicht, um eine erkennbare Wirkung
auszuüben.
Im vorliegenden Fall wäre
dies die geringste Spannung, bei der ein batteriebetriebenes Gerät mit seiner
Nennspannung betrieben werden kann. Im einfachsten Fall ist der
Schwellenwert die Nennspannung der Batterie, mit der die Vorrichtung
zur Anhebung der Batteriespannung eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß sind die
angesprochenen Elemente – Batterie
und Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung-
bevorzugt derart ausgestaltet, dass mit Hilfe der Vorrichtung die
Energie aus der Batterie oder den Batterien entnommen wird und einem
batteriebetriebenen Gerät
auf Nennspannungsniveau zur Verfügung
gestellt wird, wenn diese über
einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegt oder wenn diese unter
einen vorgegebenen unteren Schwellenwert abfällt.
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Gemäß der Erfindung
besitzt die Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der
Batteriespannung eine äußere Kontur,
die derjenigen einer Batterie entspricht. In dem Fall, in dem die
Batterie des Batteriesystems eine Kreiszylinderform besitzt, hat
bevorzugt auch die Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung
der Batteriespannung eine Kreiszylinderform mit im Wesentlichen
gleichem Durchmesser oder die Vorrichtung zum Absenken und/oder
Anheben der Batteriespannung ist teilkreiszylinderförmig. Falls
die Batterie eines Batteriesystems einen rechteckförmigen Querschnitt
hat, so hat bevorzugt auch die Vorrichtung zur Absenkung und/oder
zur Anhebung der Batteriespannung einen rechteckförmigen Querschnitt
mit im Wesentlichen gleichen Abmessungen wie die Batterie.
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Vorzugsweise
sind die äußeren Abmessungen
der Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung
dabei so bemessen, dass die Vorrichtung, wie auch eine Batterie,
durch die Wände
eines Batteriegehäuses
an einem Verrutschen gehindert wird. Ferner ist die Vorrichtung
zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung bevorzugt
derart dimensioniert, dass sie in einem Aufnahmefach eines batteriebetriebenen
Gerätes
zur Aufnahme einer oder mehrerer Batterien zwischen einer Batterie
und einem Verbraucher positionierbar ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zur
Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung auf ihrer,
bei bestimmungsgemäßem Gebrauch
der Batterie zugekehrten Seite eine axial vorstehende Mantelfläche auf,
die passgenau über
ein Ende der Batterie schiebbar ist. Vorzugsweise ist die Unterseite
der Vorrichtung flach oder die Abmessungen der Unterseite der Vorrichtung
können
bevorzugt zumindest annähernd
den Abmessungen eines Batteriekopfes entsprechen, so dass zum Beispiel
die Unterseite der Vorrichtung und der Batteriekopf bündig miteinander abschließen. Vorzugsweise
ist die Unterseite der Vorrichtung entsprechend kontaktiert.
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Die äußere Ummantelung
der Erfindung besteht bevorzugt aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden
Material.
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Die
Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung
bezieht bevorzugt ihren Betriebsstrom ausschließlich aus der Batterie.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie für alle bekannten
Batteriegrößen und/oder
als ein eigenständiges
Nachrüstprodukt
für alle
bestehenden mobilen Geräte
verfügbar
ist. Des Weiteren ist die Vorrichtung vorzugsweise derart ausgestaltet,
dass sie in jedes batteriebetriebene Gerät ohne einen Umbau und/oder
einen Batteriewechsel einsetzbar ist.
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Die
Erfindung beinhaltet auch ein batteriebetriebenes Gerät mit einem
Aufnahmefach zur Aufnahme einer oder mehrerer Batterien, wobei die Form
und die Abmessungen des Aufnahmefaches an eine oder mehrere Batterien
angepasst sind, und wobei das Aufnahmefach in seinen Abmessungen
so gestaltet ist, dass es passgenau eine Batterie und eine zugeordnete
Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung
oder mehrerer Batterien mit jeweils einer Vorrichtung zur Absenkung
und/oder zur Anhebung der Batteriespannung aufnimmt.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung in einem Festeinbau für bestehende Mehrfachbatteriehalter
vorgesehen. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorrichtung auch als ein Applikationseinbau in
neu zu entwickelnde mobile Geräte
vorgesehen werden. Vorzugsweise ist die Vorrichtung als eine Zusatzschaltung
an Mehrfachbatteriehaltern vorgesehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung aus zwei Komponenten
zusammengesetzt, einer äußeren Komponente,
die eine Kontur hat, die derjenigen der Batterie entspricht und
die für alle
bekannten Batteriegrößen verfügbar ist
und einer zweiten Komponente, die eine Schaltung zur Absenkung und/oder
zur Anhebung einer Batteriespannung umfasst und derart bemessen
ist, dass sie bevorzugt in die äußeren Komponenten
steckbar ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorrichtung zur Absenkung und/oder
Anhebung der Batteriespannung eine oder zwei Schaltungen umfassen,
die zu jedem Zeitpunkt ohne externe Energie ihre Funktion aufnehmen.
Umfasst die Vorrichtung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung
eine Schaltung, so kann diese sowohl die Batteriespannung absenken,
wenn diese sich über
einem vorgegebenen oberen Schwellenwert befindet und/oder die Batteriespannung
anheben, falls diese unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert
abgefallen ist. Die Vorrichtung kann bevorzugt auch mit zwei Schaltungen
bestückt
sein, einer Schaltung zur Absenkung einer Batteriespannung, wenn
diese über
einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegt und einer zur Anhebung
einer Batteriespannung, falls diese unter einen vorgegebenen unteren
Schwellenwert abgefallen ist.
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Vorzugsweise
nimmt die Schaltung, zum Beispiel bei einer fabrikneuen Batterie
mit einer zu hohen Anfangsspannung ihre Funktion bis zu einem vorgegebenen
oberen Schwellenwert selbstständig auf.
Bevorzugt nimmt die Schaltung ab einem vorgegebenen unteren Schwellenwert
bis zu einer sehr niedrigen Batteriespannung von 0.2 Volt oder einer niedrigeren
Batteriespannung ihren Betrieb selbständig auf, so dass die Batterien
bis zu diesem Spannungsniveau entladen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Schaltung mit einem eingangsseitigen Sperrwandler oder einer magnetfeldgesteuerten
Spule auf, wobei die Schaltung vorzugsweise eine Gegenkopplung gegenüber dem
Sperrwandler zur Spannungsregulierung über Dioden besitzt. Des Weiteren
wäre vorzugsweise eine
Lösung
mit bestehenden Standard ICs oder zum Beispiel eine mikroprozessorbasiert
Lösung
möglich.
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Bevorzugt
kann die Vorrichtung zum Absenken und/oder Anheben der Batteriespannung,
zum Beispiel mit im Handel erhältlichen
frei programmierbaren Logikschaltkreisen, wie zum Beispiel FPGAs (Field
Programmable Gate Arrays) bestückt
sein.
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Bevorzugt
weist die Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer
Batteriespannung eine Kurzschlusssicherung auf.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass niedrige Spannungen
in einen verwertbaren Bereich verschiebbar sind, so dass ein Gerät z. B.
mit nur einer 1,5 Volt Batteriezelle betreibbar ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt die Vorrichtung
eine Spannung von 1.5 Volt bei Verwendung der gängigen Einzelbatterietypen
mit dieser Nennspannung, wie z. B. Mikro, Mignon, Baby und Lady,
und zwar zu jedem Zeitpunkt ohne eine externe Energiequelle nach
einem Wiedereinschalten des batteriebetriebenen Gerätes, sofern die
Spannung der oben genannten Batterietypen über einem vorgegebenen oberen
Schwellenwert liegt und/oder unter die Nennspannung bzw. einen unteren
Schwellenwert gesunken ist.
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Vorzugsweise
wird auf eine aktive Beschaltung verzichtet, so dass auf eine externe
Versorgung verzichtet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung kann bevorzugt
bei Batterien mit entsprechender Nennspannung so eingesetzt werden,
dass sie bis hin zu von der Batterie abgegebenen Spannungen Ue von 0.2 V oder einer niedrigeren Batteriespannung
arbeitet und die von der Vorrichtung abgegebene Spannung Ua auf den jeweiligen Nennwert anhebt.
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Falls
eine Schaltung eingesetzt wird, die eine Installation der Vorrichtung
in einem Batteriefach über
einen Massebezug erfordert, so kann zum Beispiel gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung eine Verbindung über einen Massedraht oder zum
Beispiel eine Klemmfeder von der Vorrichtung zur Gehäusemasse
erfolgen. Bevorzugt kann dabei der Massedraht, zum Beispiel aus
der äußeren Ummantelung
der Vorrichtung heraustreten.
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Der
Stand der Technik kennt ICs, die keinen Massebezug benötigen. Bevorzugt
werden derartige ICs ohne Massebezug eingesetzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Polarisationswechsel
der Vorrichtung möglich,
derart, dass die Vorrichtung masseseitig installierbar ist , so
dass zum Beispiel eine ursprünglich
als Massekabel verwendete Verbindung als Pluskabel verwendet wird.
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Vorzugsweise
kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung durch eine entsprechende Wahl
des Kernmaterials und/oder einen geringeren Ohmschen Widerstand
der Wicklung eines Transformators und/oder eine Verwendung von Feldeffekttransistoren
und/oder Low-ESR Kondensatoren und/oder einen fertigungsoptimierten
Aufbau verbessert werden.
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Die
Vorrichtung zum Absenken und/oder zum Anheben der Batteriespannung
ist bevorzugt mit Mitteln bestückt,
mit denen festgestellt werden kann, ob die Batteriespannung über einem
vorgegebenen Schwellenwert liegt oder unter einen vorgegebenen Schwellenwert
abfällt,
so dass die Spannung auf eine Nennspannung abgesenkt oder angehoben
und dem batteriebetriebenem Gerät
bereitgestellt werden kann.
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Bevorzugt
sollte die Vorrichtung nicht in Zusammenhang mit wiederaufladbaren
Akkus verwendet werden, da diese durch die Tiefenentladungen zerstört werden
könnten.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1A–1E eine schematische Darstellung eines
Batteriesystems 100 mit einer Batterie 102 und einer
Vorrichtung 106 zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer
Batteriespannung.
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2A–2E eine Abwandlung eines Batteriesystems
mit einer Batterie 202 und einer Vorrichtung 206 zur
Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
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3 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 zur Absenkung
und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
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4 eine
Abwandlung einer Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung
einer Batteriespannung.
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5 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 zur Absenkung
und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung mit einer äußeren und einer
inneren Komponente 502 und 504.
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6 eine
Abwandlung einer Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung
einer Batteriespannung mit einer äußeren und einer inneren Komponente 602 und 604.
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7A–7B eine schematische Darstellung eines
Batteriesystems 700 mit einer Batterie 702 und einer
Vorrichtung 704, 706 zur Absenkung und/oder zur
Anhebung einer Batteriespannung.
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8A–8B eine Abwandlung eines Batteriesystems
mit einer Batterie 802 und einer Vorrichtung 804, 806 zur
Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
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9 einen
Schaltplan 900 einer Vorrichtung 106, 206, 300, 400, 500, 600, 704, 706, 804, 806.
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10 ein
Diagramm mit dem Verlauf einer Entladekurve einer Batterie.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 100 mit
einer oder mehreren Batterien 102 und einer Vorrichtung 106,
wie es bevorzugt in einem Batteriegehäuse eines batteriebetriebenen
Gerätes
angeordnet ist.
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1A bis 1E zeigen
ferner Batterien 102 verschiedenster Größe und die jeweils zugehörigen Vorrichtungen 106,
die in ihren äußeren Abmessungen
denen der Batterie 102 entsprechen, wobei die Vorrichtung 106 bevorzugt
an dem Batteriekopf 104 der vordersten Batterie angeordnet
ist. Die Vorrichtung kann auch an dem, dem Batteriekopf entgegengesetzten
Ende der Batterie 102 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Dabei werden die Kontakte der Vorrichtung 106 entsprechend
an die Pole der Batterie angepasst. Ferner wird die Vorrichtung
zum Absenken und/oder Anheben der Batteriespannung entsprechend
mit dem batteriebetriebenen Gerät
kontaktiert (nicht dargestellt).
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Um
einen Einsatz der Vorrichtungen 106 in einem batteriebetriebenen
Gerät ohne
Umbauten oder Änderungsmaßnahmen
zu ermöglichen,
werden diese vorzugsweise als Flachstücke ausgeführt.
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Auf
der rechten Seite der Darstellungen in den 1A–1E sind zu den gängigen Batteriegrößen und
Batterieanordnungen typische Spannungswerte angegeben, die das Batteriesystem 100,
zum Beispiel einem batteriebetriebenen Gerät zur Verfügung stellen kann.
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2 zeigt
eine Abwandlung eines Batteriesystems mit einer oder mehreren Batterien 202 und den
zugehörigen
Vorrichtungen 206, bei denen letztere in ihren äußeren Abmessungen
denen der jeweiligen Batterie 202 entsprechen.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
wird die äußere Umhüllung 208 der
Vorrichtung 206 derart verlängert, dass sie einen Teil
des Batteriekopfes 204 ummantelt.
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Vorzugsweise
ist dabei die Innenseite der Umhüllung 208 und
die Unterseite der Vorrichtung 206 derart ausgestaltet,
dass ein Batteriekopf 204 einer Batterie 202 bündig in
die Vorrichtung 206 steckbar ist.
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Auf
der rechten Seite der Darstellungen in den 2A–2E sind, wie auch in den 1A–1E gezeigt, zu den gängigen Batteriegrößen und
Batterieanordnungen typische Spannungswerte angegeben, die ein Batteriesystem
einem batteriebetriebenem Gerät
zur Verfügung
stellen kann. Ferner ist die Unterseite der Vorrichtung 206 bevorzugt
derart kontaktiert, dass der Pluspol der Batterie aufgenommen werden
kann.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Unterseite 302 der Vorrichtung 300 flach.
Es ist auch möglich,
dass die Abmessungen der Unterseite der Vorrichtung 300 den
Abmessungen eines Batteriekopfes einer Batterie entsprechen (nicht
dargestellt).
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 400 zur
Absenkung und/oder Anhebung einer Batteriespannung, die eine verlängerte Umhüllung 404 aufweist.
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Unterseite 402 der Vorrichtung 400 flach.
Es ist auch möglich,
dass die Abmessungen der Unterseite der Vorrichtung 400 den
Abmessungen eines Batteriekopfes einer Batterie entsprechen (nicht
dargestellt).
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 zur
Absenkung und/oder Anhebung einer Batteriespannung mit zwei Komponenten 502 und 504.
Die äußere Komponente 502 hat
eine äußere Kontur,
die derjenigen einer Batterie entspricht. Im Zentrum der äußeren Komponente 502 befindet
sich ein Loch oder eine Ausnehmung, in die die innere Komponente 504 steckbar
ist. Die Unterseite der äußeren Komponente 502 und
die Unterseite der inneren Komponente 504 bilden eine gemeinsame
Unterseite 506, die bevorzugt flach ist. Es ist auch möglich, dass
die Abmessungen der Unterseite der inneren und der äußeren Komponente 504 und 502 Abmessungen
besitzen, die den Abmessungen eines Batteriekopfes einer Batterie
entsprechen (nicht dargestellt).
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Die äußere Komponente 502 ist
für eine
Vielzahl von Batteriegrößen verfügbar. Jede
dieser Komponenten 502 besitzt in ihrem Zentrum ein, in
seinen Abmessungen gleichgroßes
Loch, so dass eine innere Komponente 504 in jede äußere Komponenten 502 einsetzbar
ist. Bevorzugt ist das Loch kreisförmig, es kann aber auch jede
beliebige Form besitzen, jedoch haben vorzugsweise das Loch der äußeren Komponente 502 und
die äußere Kontur
der inneren Komponente 504 die gleichen Abmessungen.
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Die
innere Komponente 504 umfasst bevorzugt wenigstens eine
Schaltung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung Ue auf eine Spannung Ua,
wenn diese über
einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegt oder unter einen unteren
Schwellenwert abgefallen ist.
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6 zeigt
eine Abwandlung der in 5 dargestellten Vorrichtung
zur Absenkung und/oder Anhebung einer Batteriespannung mit einer äußeren und
einer inneren Komponente 602 und 604. Dabei weist
die äußere Komponente 602 eine
verlängerte Umhüllung 606 auf,
so dass die Vorrichtung 600, wie in den 2 und 4 beschrieben,
auf eine Batterie steckbar ist.
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Wie
in dem Ausführungsbeispiel
zu 5 beschrieben, umfasst auch in diesem Ausführungsbeispiel
die innere Komponente 604 vorzugsweise mindestens eine
Schaltung, die eine Batteriespannung Ue in
eine Ausgabespannung Ua umwandelt, wenn
die Batteriespannung Ue außerhalb
eines vorgegeben Schwellenwertes liegt.
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7 zeigt
ein Batteriesystem 700 mit einer Batterie 702 und
einer Vorrichtung 704, 706 zur Anhebung und/oder
zur Absenkung einer Batteriespannung. Die Vorrichtung 704, 706 ist
an der Mantelfläche
der Batterie 702 angeordnet, die einen Kreisdurchmesser
hat.
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Die
in 7A dargestellte Vorrichtung 704 hat bevorzugt
eine halbtrogförmige
Form, die an der Mantelfläche
der Batterie 702 axial anliegt. Der Querschnitt der Vorrichtung 704 kann
vorzugsweise ein Kreissegment sein, das kleiner oder größer als
ein Halbkreis ist, wobei der Krümmungsradius
dieser Kreissegmente in etwa dem Krümmungsradius der Batterie 702 entspricht.
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7B zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
einer Vorrichtung, die an der Mantelfläche einer Batterie angeordnet
ist, die einen Kreisdurchmesser besitzt. Die Vorrichtung 706 deckt
die Abmessungen der Batterie 702 im Wesentlichen vollständig ab.
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Die
Vorrichtungen 704 und 706 weisen vorzugsweise
eine Länge
auf, die der einer Batterie 702 entspricht. Die Vorrichtungen 704 und 706 können auch
eine Länge
haben, die kleiner als die Länge
einer Batterie 702 ist, oder auch eine Länge, die
größer als
die Länge
einer Batterie ist, die zum Beispiel im Wesentlichen der Summe mehrerer
Batterien entspricht, die in einer Reihe angeordnet sind.
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8 zeigt
eine Abwandlung eines Batteriesystems mit einer Batterie 802 und
einer Vorrichtung 804, 806 zur Absenkung und/oder
Anhebung einer Batteriespannung. Die Vorrichtung 804, 806 ist
an der Mantelfläche
einer Batterie 802 angeordnet, die einen rechteckigen Querschnitt
besitzt.
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8A zeigt eine Batterie 802, deren
Abmessungen im Wesentlichen vollständig von der Vorrichtung 804 abgedeckt
werden.
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8B zeigt
eine Vorrichtung 806, die auf einem Flächensegment einer rechteckigen
Batterie 802 anliegt. Dabei kann die Vorrichtung 806 eine Breite
besitzen, die Vorzugsweise schmaler ist, als die Breite einer der
vier Seitenflächen
der Batterie 802.
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Die
Vorrichtungen 804 und 806 haben vorzugsweise eine
Höhe, die
kleiner oder gleich der Höhe
einer Batterie 802 ist. Die Vorrichtungen 804 und 806 können bevorzugt
auch eine Höhe
besitzen, die größer ist,
als die Höhe
einer Batterie, so dass die Vorrichtungen 804 und 806 im
Wesentlichen an einer oder mehreren, in einer Reihe angeordneter
Batterien anliegen oder diese vollständig oder teilweise ummanteln.
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Die
Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 können aus
flexiblem oder nicht flexiblem Material bestehen. Bestehen die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 vorzugsweise
aus flexiblem Material, so sind die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 an
die jeweilige Batterieform 702, 802 anpassbar.
Die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 können bevorzugt
als flexible Einbauplatten ausgeführt sein. Bestehen die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 aus
nicht flexiblem Material, so sind diese an die Batterie oder die Batterien
anlegbar bzw. die Batterien sind in die Vorrichtungen schiebbar.
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Die
Vorrichtungen zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung
( 1–8)
sind bevorzugt über
galvanische Verbindungen mit einer oder mehreren Batterien verbunden.
Vorzugsweise können
die Vorrichtungen auch über
galvanische Verbindungen an einer oder mehreren Batterien befestigt
sein (nicht gezeigt). Bevorzugt sind die Vorrichtungen (1–8) über galvanische
Verbindungen mit dem Verbraucher verbunden (nicht gezeigt). Sie
können
vorzugsweise auch über
galvanische Verbindungen an dem Verbraucher befestigt sein (nicht
gezeigt). Die galvanischen Verbindungen sind in den 1–8 nicht
gezeigt.
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Es
ist auch möglich,
dass die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 an
dem Batteriegehäuse
einer Batterie oder mehrerer Batterien klebend befestigt sind.
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Die
Schaltung oder die Schaltungen zur Absenkung und/oder Anhebung der
Batteriespannung sind in die Vorrichtungen 704, 706, 804 oder 806 implementiert,
zum Beispiel können
sie auf die Vorrichtungen aufgedampft sein. Vorzugsweise sind die
Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 jeweils
aus zwei Komponenten aufgebaut, wobei eine Komponente vorzugsweise
eine äußere Kontur
hat, die derjenigen der Batterie entspricht, und wobei eine zweite
Komponente in die erste Komponente einsetzbar und/oder schiebbar
ist. Vorzugsweise ist die erste Komponente für verschiedene Batterietypen
verfügbar
und die zweite Komponente derart gestaltet, dass sie mit jeder Ausführungsform
einer ersten Komponente verbindbar ist oder in diese einsetzbar
ist.
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Um
einen Einsatz der Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 in
einem batteriebetriebenen Gerät ohne
Umbauten oder Änderungsmaßnahmen
zu ermöglichen,
werden diese vorzugsweise sehr flach ausgeführt.
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9 zeigt
ein mögliches
Beispiel eines Schaltplans 900 einer Vorrichtung 106, 206, 300, 400, 500, 600, 704, 706, 804, 806.
Mit dieser Schaltung kann eine Batteriespannung angehoben werden.
Die Schaltung 900 setzt sich aus einem magnetisch gegensinnig
gewickelten Eingangswandler 902, einem Widerstand 904,
den Transistoren 906 und 908, den Dioden 910, 912 und 914 und
einem Kondensator 916 zusammen. Mit „Ue" ist die Spannung einer
Batterie 102, 202, 702, 802 oder
mehrerer Batterien 102, 202, 702 oder 802 bezeichnet
und mit „Ua" die
von der Vorrichtung 106, 206, 300, 400, 500, 600, 704, 706, 804, 806 einem
Verbraucher zur Verfügung gestellte
Ausgangsspannung.
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Das
Grundgerüst
für die
Schaltung in 9 bildet ein Sperrwandleraufbau.
Ein Sperrwandler setzt sich typischerweise aus einem Transformator, einem
Transistor, einer Diode und einem Kondensator zusammen. Bei einem
Transformator wird zunächst
der Transformator 902 geladen, wobei die Diode 910 verhindert,
dass ein Strom durch die Sekundärspule
des Transformators 902 fließt. Hierdurch wird ein Magnetfeld
in dem Transformator 902 aufgebaut. In dieser Phase existiert
keine Energieübertragung,
daher muss ein Verbraucher aus dem Kondensator 916 mit
Strom versorgt werden. Während
des Ladevorgangs arbeitet der Transistor als ein Schalter. Dabei
ist die Primärspannung
des Transformators 902 gleich der Eingangsspannung Ue und der Strom steigt nicht mehr an. Energie
wird in den Transformator 902 geladen. In dieser Phase
ist die Sekundärwicklung 902 stromlos,
da die Diode 910 den Stromfluss sperrt.
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Während des
Entladevorgangs wird der Strom unterbrochen und die Spannung wird
am Transformator 902 aufgrund des Induktionsgesetzes umgepolt.
Die Diode 910 wirkt nun leitend und die Sekundärwicklung
gibt die Energie an den Kondensator 916 weiter. Dieser
Zyklus wird einige tausend Mal pro Sekunde durchgeführt, so
dass ein nahezu kontinuierlicher Energiefluss von der Erzeugerseite zur
Verbraucherseite entsteht. Öffnet
sich der Transistor 908, so beginnt die Sperrphase der
Strom im Transformator 902 fließt durch die Diode 910.
Damit wirkt der Transformator 902 wie eine Stromquelle, lädt den Kondensator 916 neu
auf und versorgt gleichzeitig den Verbraucher mit Strom. Wenn sämtliche
Energie aus dem Transformator 902 abgeflossen ist, der
Transformator 902 also entladen ist, erreicht der Strom
den Wert Null. Danach schließt
der Transistor wieder, die Leitphase beginnt wieder von neuem. Der
eigentliche Energietransport findet somit während der Sperrphase statt.
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Sperrwandler
werden prinzipiell geregelt, um dafür zu sorgen, dass primärseitig
nur so viel Leistung zugeführt
wird, wie nötig
ist, um die Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten.
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Die
Schaltung der Vorrichtung zur Anhebung und/oder zur Absenkung der
Batteriespannung nimmt bis zu einer Spannung von 0.2 Volt oder einer niedrigeren
Spannung durch einen eingangsseitigen Sperrwandleraufbau ihren Betrieb
selbstständig
auf. Eine niedrige Eingangsgleichspannung Ue bewirkt, dass
der magnetisch gegensinnig gewickelte Eingangswandler 902 anschwingt.
Dabei wird der Transistor 908 über seinen Basiswiderstand
durch die Wicklung B zunächst
aufgesteuert, um die Wicklung A auf das Massepotential zu schalten.
Steigt die Gegenspannung durch den darin fließenden Strom an, so sperrt
der Transistor 908 und die im Magnetfeld gespeicherte Energie
induziert eine Spannung, die einen Strom über die Diode 910,
z. B. eine Schottkydiode in den Ausgang, zum Verbraucher leitet.
Der Kondensator 916 nimmt dabei die Spannungswelligkeit
auf und glättet
das Ausgangssignal. Bevorzugt kann der Kondensator 916 last-
und einsatzabhängig gewählt werden.
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Würde dieser
Vorgang ungeregelt ablaufen, das heißt in einem reinen Sperrwandlerbetrieb,
so würde
die Induktionsspannung von A die Ausgangsspannung lastabhängig auf
ein wesentlich höheres Niveau
bringen, da dieses von der Eigeninduktivität der Wicklung und der Auslegung
der Last abhinge. Für
diesen beschriebenen Fall wurde z. B. eine Spannung von 6 Volt gemessen.
Eine solche Spannung ist für
einen regulären
Vorschaltbetrieb in einer Batterie sehr hoch und könnte das
betriebene Gerät zerstören. Um
dies zu verhindern, existiert eine Gegenkopplung über die
Dioden 912 und 914 auf den Sperrwandler, die eine
Spannungsregelung darstellt.
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Die
Summe der Durchlassspannung der Diode 912 und die Spannung
der Diode 914 in Sperrrichtung steuern den Basisstrom im
Transistor 906, der wiederum kollektorseitig für die Anhebung
der Schaltschwelle des Transistors 908 verantwortlich ist.
Durch diesen Regler werden im Teillastbetrieb nur die Frequenz,
im Volllastbetrieb Frequenz und Induktionsspannung bestimmt.
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Der
beschriebene Aufbau besitzt im Nennbetrieb einen Wirkungsgrad von
gemessenen 75 %, der durch eine entsprechende Wahl des Kernmaterials und/oder
einen geringeren Ohmschen Widerstand der Wicklung und/oder eine
Verwendung von Feldeffekttransistoren und/oder Low-ESR Kondensatoren und/oder
einen fertigungsoptimierten Aufbau (SMD) gesteigert werden kann.
Weiterhin wird der Effekt der Energieverwertung in den Batterien
verbessert, wenn das Nennspannungsniveau höher gewählt wird, da die Batterien
stets bis zu einer Spannung von 0.2 Volt oder einer niedrigeren
Spannung entladen werden. Dies ist besonders dann der Fall, wenn
mehrere Batterien in Reihe geschaltet sind, wie es in den meisten batteriebetriebenen
Geräten
gängig
ist. Dadurch wird der „Systemwirkungsgrad" erhöht.
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Nach
Beendigung der Energieentnahme, wird die Vorrichtung bevorzugt in
dem batteriebetriebenen Gerät
belassen und die leere Batterie oder Batterien werden gegen neue
ausgetauscht.
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Für die beschriebene
Schaltung 900 können beispielsweise
als Transformator 902 ein selbstgefertigter Transformator
mit 2 × 20
Windungen, als Transistoren 906 und 908 jeweils
ein BC 337 als Widerstand 904 ein 1kΩ Widerstand, als Diode 910 eine BAT
43 Schottky-Diode, als Diode 912 eine 1N 4148 Diode, als
Diode 914 eine Z1V5 Diode, und als Kondensator 916 ein
10μF-Kondensator
verwendet werden.
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Das
Diagramm in 10 zeigt den Verlauf einer typischen
Entladekurve einer Batterie in Abhängigkeit von der Betriebszeit
t. Parallel zur Abszisse verlaufen unterbrochene Linien, die die
Ordinate im oberen Schwellenwert Uschw.o.,
der Nennspannung UNenn und dem unteren Schwellenwert
Uschw.u. schneiden. Ferner wurde die Spannung
USchaltung-Ende, bis zu der die Vorrichtung
zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung ihren Betrieb
aufnimmt, als unterbrochene Linie, die parallel zur Abszisse verläuft, in
das Diagramm eingetragen. Der schraffierte Bereich zwischen dem
oberen und dem unteren Schwellenwert Uschw.o. und
Uschw.u., kennzeichnet den Spannungsbereich,
in dem eine Batterie, liegt ihre Spannung in diesem Bereich, ein
batteriebetriebenes Gerät
auf Nennspannungsniveau betreiben kann.
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Fabrikneue
Batterien werden oft mit einer Spannung Uneu ausgeliefert,
die höher
ist, als ein oberer Spannungswert Uschw.o..
Der schraffierte Bereich, der über
der durch den Wert Uschw.o. verlaufenden
Gerade und unter der Entladekurve liegt, kennzeichnet einen erhöhten Spannungsbereich.
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Die
Vorrichtung zur Absenkung und/oder Absenkung der Batteriespannung
senkt die Spannung der Batterie auf einen Spannungswert ab, der
sich zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert befindet,
falls die Batteriespannung über
dem oberen Schwellenwert Uschw.o. liegt.
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Liegt
die Batteriespannung zwischen einem oberen und einem unteren Schwellenwert,
so wird ein batteriebetriebenes Gerät ohne den Einsatz einer Vorrichtung
zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung betrieben.
Es ist auch möglich, dass
die Vorrichtung die gesamte Zeit, zwischen dem Einschalten und dem
Ausschalten des batteriebetriebenen Gerätes in Betrieb ist, auch wenn
sich die Batteriespannung in dem Spannungsbereich zwischen Uschw.o und Uschw.u befindet.
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Ist
die Spannung der Batterie unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert
Uschw.u. abgefallen, so kann die Batterie
ein batteriebetriebenes Gerät
nicht mehr ordnungsgemäß betreiben,
obwohl noch Restenergie in der Batterie vorhanden ist.
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Ab
diesem Spannungswert nimmt die Vorrichtung zur Absenkung und/oder
Anhebung der Batteriespannung ihre Funktion wieder selbstständig auf,
sofern sie nicht die gesamte Zeit in Betrieb ist und hebt die Spannung
der Batterie über
den schraffierten Bereich, der durch die unterbrochene Linie, die
durch den Wert Uschw.u. verläuft und
die Entladekurve begrenzt wird, auf eine Spannung an, die in dem
Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert liegt,
so dass das batteriebetriebene Gerät wieder betrieben werden kann.
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Die
Vorrichtung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung
kann ihren Betrieb nur bis zu einer Batteriespannung USchaltung.-Ende aufnehmen,
die hier bei 0.2 V liegt, aber auch bei einem niedrigeren Spannungswert
liegen kann. Fällt
die Spannung der Batterie unter diesen Wert, so kann sie von der
Vorrichtung nicht mehr in den Bereich zwischen dem oberen und dem
unteren Schwellenwert Uschw.o. und Uschw.u. angehoben werden.