DE202006019128U1

DE202006019128U1 - Batteriesystem und batteriebetriebenes Gerät

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Publication number: DE202006019128U1
Application number: DE202006019128U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2016-12-20

Abstract

Batteriesystem (100; 200; 700; 800) mit
– einer Batterie (102; 202; 702; 802) zur Abgabe einer Batteriespannung U_e,
gekennzeichnet durch
– eine Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung der Batteriespannung dann, wenn diese über einem vorgegebenen Schwellenwert U_schw.o. liegt und/oder zur Anhebung der Batteriespannung, wenn diese unter einen vorgegebenen Schwellenwert U_schw.u. abfällt, auf eine Spannung U_a und zum Bereitstellen dieser Spannung U_a, wobei die Vorrichtung eine äußere Kontur hat, die derjenigen der Batterie entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem bestehend aus einer Batterie und einer Vorrichtung zur effizienten Ausnutzung der Energie installierter Batterien in elektrisch betriebenen Geräten.
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.
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.
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.
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.
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.
Hierzu stellt die Erfindung ein Batteriesystem bereit mit einer Batterie zur Abgabe einer Batteriespannung U_e, 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 U_a und zum Bereitstellen dieser Spannung U_a, wobei die Vorrichtung eine äußere Kontur hat, die derjenigen der Batterie entspricht.
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.
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.
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.
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.
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.
Die äußere Ummantelung der Erfindung besteht bevorzugt aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material.
Die Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung der Batteriespannung bezieht bevorzugt ihren Betriebsstrom ausschließlich aus der Batterie.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung eine Kurzschlusssicherung auf.
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.
Vorzugsweise wird auf eine aktive Beschaltung verzichtet, so dass auf eine externe Versorgung verzichtet werden kann.
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 U_e von 0.2 V oder einer niedrigeren Batteriespannung arbeitet und die von der Vorrichtung abgegebene Spannung U_a auf den jeweiligen Nennwert anhebt.
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.
Der Stand der Technik kennt ICs, die keinen Massebezug benötigen. Bevorzugt werden derartige ICs ohne Massebezug eingesetzt.
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.
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.
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.
Bevorzugt sollte die Vorrichtung nicht in Zusammenhang mit wiederaufladbaren Akkus verwendet werden, da diese durch die Tiefenentladungen zerstört werden könnten.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
1A–1E eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 100 mit einer Batterie 102 und einer Vorrichtung 106 zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
2A–2E eine Abwandlung eines Batteriesystems mit einer Batterie 202 und einer Vorrichtung 206 zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
4 eine Abwandlung einer Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
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.
6 eine Abwandlung einer Vorrichtung zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung mit einer äußeren und einer inneren Komponente 602 und 604.
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.
8A–8B eine Abwandlung eines Batteriesystems mit einer Batterie 802 und einer Vorrichtung 804, 806 zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung.
9 einen Schaltplan 900 einer Vorrichtung 106, 206, 300, 400, 500, 600, 704, 706, 804, 806.
10 ein Diagramm mit dem Verlauf einer Entladekurve einer Batterie.
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.
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).
Um einen Einsatz der Vorrichtungen 106 in einem batteriebetriebenen Gerät ohne Umbauten oder Änderungsmaßnahmen zu ermöglichen, werden diese vorzugsweise als Flachstücke ausgeführt.
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.
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.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird die äußere Umhüllung 208 der Vorrichtung 206 derart verlängert, dass sie einen Teil des Batteriekopfes 204 ummantelt.
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.
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.
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).
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).
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).
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.
Die innere Komponente 504 umfasst bevorzugt wenigstens eine Schaltung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung U_e auf eine Spannung U_a, wenn diese über einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegt oder unter einen unteren Schwellenwert abgefallen ist.
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.
Wie in dem Ausführungsbeispiel zu 5 beschrieben, umfasst auch in diesem Ausführungsbeispiel die innere Komponente 604 vorzugsweise mindestens eine Schaltung, die eine Batteriespannung U_e in eine Ausgabespannung U_a umwandelt, wenn die Batteriespannung U_e außerhalb eines vorgegeben Schwellenwertes liegt.
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.
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.
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.
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.
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.
8A zeigt eine Batterie 802, deren Abmessungen im Wesentlichen vollständig von der Vorrichtung 804 abgedeckt werden.
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.
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.
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.
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.
Es ist auch möglich, dass die Vorrichtungen 704, 706, 804 und 806 an dem Batteriegehäuse einer Batterie oder mehrerer Batterien klebend befestigt sind.
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.
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.
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 „U_e" ist die Spannung einer Batterie 102, 202, 702, 802 oder mehrerer Batterien 102, 202, 702 oder 802 bezeichnet und mit „U_a" die von der Vorrichtung 106, 206, 300, 400, 500, 600, 704, 706, 804, 806 einem Verbraucher zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung.
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 U_e 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.
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.
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.
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 U_e 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.
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.
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.
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.
Nach Beendigung der Energieentnahme, wird die Vorrichtung bevorzugt in dem batteriebetriebenen Gerät belassen und die leere Batterie oder Batterien werden gegen neue ausgetauscht.
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.
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 U_schw.o., der Nennspannung U_Nenn und dem unteren Schwellenwert U_schw.u. schneiden. Ferner wurde die Spannung U_{Schaltung-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 U_schw.o. und U_schw.u., kennzeichnet den Spannungsbereich, in dem eine Batterie, liegt ihre Spannung in diesem Bereich, ein batteriebetriebenes Gerät auf Nennspannungsniveau betreiben kann.
Fabrikneue Batterien werden oft mit einer Spannung U_neu ausgeliefert, die höher ist, als ein oberer Spannungswert U_schw.o.. Der schraffierte Bereich, der über der durch den Wert U_schw.o. verlaufenden Gerade und unter der Entladekurve liegt, kennzeichnet einen erhöhten Spannungsbereich.
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 U_schw.o. liegt.
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 U_schw.o und U_schw.u befindet.
Ist die Spannung der Batterie unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert U_schw.u. abgefallen, so kann die Batterie ein batteriebetriebenes Gerät nicht mehr ordnungsgemäß betreiben, obwohl noch Restenergie in der Batterie vorhanden ist.
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 U_schw.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.
Die Vorrichtung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung kann ihren Betrieb nur bis zu einer Batteriespannung U_{Schaltung.-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 U_schw.o. und U_schw.u. angehoben werden.

Claims

Batteriesystem (100; 200; 700; 800) mit – einer Batterie (102; 202; 702; 802) zur Abgabe einer Batteriespannung U_e, gekennzeichnet durch – eine Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung der Batteriespannung dann, wenn diese über einem vorgegebenen Schwellenwert U_schw.o. liegt und/oder zur Anhebung der Batteriespannung, wenn diese unter einen vorgegebenen Schwellenwert U_schw.u. abfällt, auf eine Spannung U_a und zum Bereitstellen dieser Spannung U_a, wobei die Vorrichtung eine äußere Kontur hat, die derjenigen der Batterie entspricht.
Batteriesystem (100; 200; 700) nach Anspruch 1, wobei die Batterie (102; 202; 702) Kreiszylinderform hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung ebenfalls Kreiszylinderform hat mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser oder teilkreiszylinderförmig ist.
Batteriesystem (100; 200; 300; 400; 500; 600; 800) nach Anspruch 1, wobei die Batterie (102; 202; 802) einen rechteckförmigen Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung ebenfalls rechteckförmigen Querschnitt mit im Wesentlichen gleichen Abmessungen hat.
Batteriesystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (206; 400; 600) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung auf ihrer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Batterie (202) zugekehrten Seite eine axial vorstehende Mantelfläche aufweist, die passgenau über ein Ende der Batterie (202) schiebbar ist.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 700; 800) zur Anhebung der Batteriespannung einen Massebezug besitzt.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung ihren Betriebsstrom ausschließlich aus der Batterie (102; 202; 702; 802) bezieht.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung eine Schaltung zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung aufweist.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung zwei Schaltungen aufweist, eine zur Absenkung der Batteriespannung, falls diese über einem vorgegebenen oberen Schwellenwert liegt und eine zur Absenkung der Batteriespannung, wenn diese unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert abfällt.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung mit FPGAs ausführbar ist.
Batteriesystem (100; 200; 700; 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung eine Kurzschlusssicherung aufweist.
Batteriebetriebenes Gerät mit einem Aufnahmefach zur Aufnahme einer oder mehrerer Batterien (102; 202; 702; 802), wobei die Form und Abmessungen des Aufnahmefaches an eine oder mehrere Batterien (102; 202; 702; 802) angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmefach in seinen Abmessungen so gestaltet ist, dass es passgenau eine Batterie (102; 202; 702; 802) und eine zugeordnete Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Absenkung und/oder Anhebung der Batteriespannung oder mehrere Batterien (102; 202; 702; 802) mit jeweils einer Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 704; 706; 804; 806) zur Anhebung der Batteriespannung aufnimmt.
Vorrichtung (500; 600; 700; 800) zur Absenkung und/oder zur Anhebung einer Batteriespannung U_e mit – einer ersten Komponente, die eine äußere Kontur hat, die derjenigen der Batterie entspricht – und einer zweiten Komponente, die eine Batteriespannung dann absenkt, wenn diese über einem vorgegebenem oberen Schwellenwert liegt und die die Batteriespannung dann anhebt, wenn diese unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert abfällt auf eine Spannung U_a und zum Bereitstellen dieser Spannung U_a, und die in die erste Komponente steckbar ist.
Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 700; 800) zum Absenken und/oder Anheben einer Spannung U_e einer Batterie (102; 202; 702; 802) mit Mitteln zum Feststellen, ob die Batteriespannung über einem vorgegebenen Schwellenwert U_schw.o. liegt oder unter einen vorgegebenen Schwellenwert U_schw.u. abfällt und zum Absenken und/oder Anheben der Spannung auf eine Spannung U_a und zum Bereitstellen dieser Spannung, wobei die Vorrichtung (106; 206; 300; 400; 500; 600; 700; 800) eine äußere Kontur hat, die derjenigen der Batterie (102; 202; 702; 802) entspricht.