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Die Erfindung betrifft einen Akkumulator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Unter einem Akkumulator im vorliegenden Sinne ist eine galvanische Zelle zu verstehen, welche speziell einen wiederaufladbaren Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis darstellt.
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Aus dem Stand der Technik sind Akkumulatoren bekannt, welche insbesondere bei tragbaren oder mobilen elektrischen und elektronischen Geräten Verwendung finden. Dabei kommt den Akkumulatoren besondere Bedeutung zu, da einerseits die maximal mögliche Arbeitszeit eines solchen tragbaren Geräts im rein von dem Akkumulator gespeisten Betrieb – auch als Akkulaufzeit bezeichnet – eine wichtige technische Eigenschaft solcher Geräte bildet.
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Andererseits gehören die Akkumulatoren der obigen Geräte auch zu ihren vergleichsweise kostenintensivsten, gleichzeitig aber auch empfindlichsten Komponenten. Darüber hinaus tritt bei diesen Akkumulatoren im Betrieb und – je nach Häufigkeit und Art des Wiederaufladens – häufig durch den bekannten Memory-Effekt regelmäßig auch eine schleichende Verschlechterung über der Zeit ein. Folglich existiert auch ein wichtiger Ersatzteilmarkt für solche Akkumulatoren, insbesondere Akkumulatoren für Mobiltelefone und tragbare Computer, welcher vergleichsweise hohe Margen bietet.
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In diesem Zusammenhang, aber auch weil solche Akkumulatoren wegen ihrer hohen Energiedichte bei Mängeln entflammen oder gar explodieren können, besteht seitens der Hersteller der elektronischen Geräte ein Interesse daran, Fremdanbieter solcher Akkumulatoren durch technische Maßnahmen nach Möglichkeit auszuschließen. Da bei Akkumulatoren für tragbare elektronische Geräte der Akkumulator regelmäßig durch das elektronische Gerät selbst aufgeladen wird, wenn das elektronische Gerät sich im Netzbetrieb befindet, sodass der Akkumulator also gar nicht aus dem elektronischen Gerät entnommen werden muss, bietet sich hier ein Ansatzpunkt für den Hersteller des elektronischen Geräts.
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Entsprechend ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Ladegeräte für Akkumulatoren vorzusehen, welche nur dann einen wirksamen Ladevorgang ausführen, wenn sie den aufzuladenden Akkumulator hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften und ggf. seiner Herkunft identifiziert haben. Diese Identifikation kann dabei sowohl vergleichsweise einfache Abfragen von Signalpegeln als auch den Austausch von codierten Nachrichten mit einer entsprechenden Logikeinrichtung in dem Akkumulator selbst umfassen. Nur wenn der Akkumulator von dem Ladegerät als für eine Aufladung legitimiert erkannt wurde, führt das Ladegerät den Ladevorgang durch.
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Ein anderer Bereich, in welchem Akkumulatoren eine sogar noch wichtigere Rolle spielen, ist derjenige der Elektromobilität, welcher ganz oder teilweise elektrisch betriebene Personenkraftwagen und Zweiräder umfasst. Hier und nachfolgend werden solche Fahrzeuge, welche zumindest teilweise einen elektrischen Bewegungsantrieb verwenden, als Elektrofahrzeuge bezeichnet, sodass also auch Hybridfahrzeuge unter diesem Begriff zu verstehen sind. Die für die Elektromobilität eingesetzten Akkumulatoren weisen im Vergleich zu den oben beschriebenen Akkumulatoren für elektronische Geräte anforderungsbedingt eine deutlich höhere Kapazität an speicherbarer Energie auf. Ihr Kostenanteil an dem durch sie zu betreibenden Elektrofahrzeug ist ebenfalls höher, teilweise bilden sie sogar die bestimmende Einflussgröße für die Anschaffungskosten des Elektrofahrzeugs insgesamt. Durch die hohe gespeicherte Energie bleiben auch die Sicherheitsfragen hinsichtlich einer möglichen Entflammung oder Explosion des Akkumulators bei Elektrofahrzeugen relevant.
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Es sind verschiedene Ansätze dafür bekannt, die Anschaffungskosten für ein Elektrofahrzeug mit einem Akkumulator zu reduzieren. Eine Möglichkeit sieht vor, den Akkumulator selbst unter Preis anzubieten und die entsprechende Differenz auf den beim Laden verbrauchten Strom umzulegen, wodurch die entsprechenden Kosten für den Verbraucher nicht schon beim Erwerb, sondern erst im Laufe des womöglich langjährigen Betriebs des Elektrofahrzeugs mit dem Akkumulator anfallen. Dies wird vor allem deshalb als für den Verbraucher akzeptabel angesehen, weil im Vergleich zu einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor der Marktpreis der Energie für eine bestimmte Fahrleistung spürbar niedriger ist, sodass trotz dieser Umlage im Vergleich zu dem Tanken eines Kraftstoffs auch subjektiv deutlich niedrigere Kosten anfallen.
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In diesem Zusammenhang ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Stromtankstellen mit Ladegeräten vorzusehen, welche – analog zu der Funktionsweise der oben beschriebenen Ladegeräte für elektronische Geräte – erst nach einer Identifikation des jeweiligen Elektrofahrzeugs bzw. seines Akkumulators den Ladevorgang starten. Damit entsteht auch die Möglichkeit, die Zahlung automatisch und im Hintergrund erfolgen zu lassen, ohne dass etwa ein vorheriger Guthabenkauf an einer solchen Stromtankstelle erforderlich wäre. Auf diese Weise kann ferner der eigentliche Ladevorgang organisatorisch beschleunigt werden und es können automatische Stromtankstellen ohne Verkaufspersonal bereitgestellt werden.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist aber einerseits, dass bei einer solchen Implementierung der oben beschriebenen Umlage dem Benutzer des Elektrofahrzeugs die Möglichkeit genommen wird, sein Elektrofahrzeug einfach an der – häufig bereits vorhandenen – Steckdose seiner Garage aufzuladen. Vielmehr wird er gezwungen, nur bestimmte Ladegeräte zu verwenden. Ferner bräuchte der Benutzer des Elektrofahrzeugs zum Aufladen des Akkumulators unterwegs nicht nur eine beliebige Stromquelle zum Laden, sondern speziell eine Stromtankstelle mit dem passenden Ladegerät. Da die geringe Verfügbarkeit von geografisch verteilten Auflademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge ohnehin ein wichtiges Hemmnis für ihre weitere Verbreitung darstellt, würde diese Knappheit an Auflademöglichkeiten also noch weiter verschärft werden. Hier und nachfolgend wird unter dem Begriff der Stromquelle eine Energiequelle zum elektrischen Aufladen eines Akkumulators verstanden, ohne dass es sich dabei um eine Stromquelle im streng schaltungstechnischen Sinne handeln müsste.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen bekannten Akkumulator derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine Kontrolle und Erfassung des Strombezugs des Akkumulators ermöglicht wird und gleichzeitig flexiblere Lademöglichkeiten geboten werden.
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Das obige Problem wird bei einem Akkumulator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Wesentlich ist die Erkenntnis, dass durch eine Verlagerung der Ladefreigabe des Akkumulators auf die Seite des Akkumulators sowohl eine umfassende Kontrolle über die Ladevorgänge erreicht als auch die weitgehend flexible Verwendbarkeit von beliebigen Stromquellen, solange sie technisch geeignet sind, gewährleistet werden kann. Zu dem Zweck dieser Kontrolle hat der Akkumulator die Möglichkeit, einen Stromfluss in einer Laderichtung wahlweise zu unterbinden, und zwar ohne dabei zwangsläufig einen Stromfluss auch in einer Entladerichtung zu unterbinden.
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Es muss also damit nicht ein Ladegerät den betreffenden Akkumulator vor einem Ladevorgang auf seine Identität prüfen, vielmehr kann eine Funktionalität des Akkumulators selbst eine Kontrolle über Zahl und ggf. Art der Ladevorgänge vornehmen. Nachdem also etwa eine bestimmte Zahl von Ladevorgängen in dem Akkumulator freigeschaltet wurde, erlaubt der Akkumulator diese Zahl von Ladevorgängen von grundsätzlich beliebiger Quelle und unterbindet weitere Ladevorgänge, sofern keine weitere Freischaltung erfolgt ist. Dabei kann die Freischaltung selbst räumlich und zeitlich vollständig von dem Vorhandensein eines Ladegeräts oder von einer Kommunikation mit einem Ladegerät getrennt werden und beispielsweise sogar mittels einer Nachricht aus dem Internet oder mittels einer Nachricht auf einem Datenträger wie etwa einem USB-Stick erfolgen. Die für einen freigeschalteten Ladevorgang verwendbare Stromquelle braucht dann nicht eingeschränkt zu werden. Die Möglichkeit einer Entladung wiederum kann unabhängig hiervon kontrolliert oder auch überhaupt nicht eingeschränkt werden.
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Die bevorzugten Ausgestaltungen der Unteransprüche 2 bis 5 betreffen die Möglichkeit, über den Empfang von Nachrichten mit Schaltanweisungen den Akkumulator für eine Kontrolle der Ladevorgänge einzurichten. Diese Ausgestaltungen betreffen ferner besondere Sicherheitsmerkmale dieser Nachrichten.
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Die Unteransprüche 6 bis 9 stellen bevorzugte Möglichkeiten vor, diese Nachrichten für ein Nachhalten der Ladevorgänge des Akkumulators in dem Akkumulator zu verarbeiten.
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Die Unteransprüche 10 und 11 beschreiben eine spezielle Möglichkeit, das wahlweise Erlauben oder Unterbinden von Ladevorgängen in einer Schaltungsanordnung umzusetzen.
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Schließlich beschreiben die Unteransprüche 12 bis 14, auf eine zu dem Ladevorgang ähnliche Art und Weise auch eine Kontrolle der Entladevorgänge vorzunehmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines vorschlagsgemäßen Akkumulators,
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2a, b) den vorschlagsgemäßen Akkumulator der 1 in einer Akkumulatoranordnung einerseits schematisch in einem Elektrofahrzeug sowie andererseits schematisch in Verbindung mit einem Ladegerät.
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Ein vorschlagsgemäßer Akkumulator, wie er in der 1 dargestellt ist, weist zwei Leistungsanschlüsse 1a, b, einen Haupt-Energiespeicher 2 mit zwei Spannungspolen 3a, b, welche jeweils mit einem Leistungsanschluss 1a, b über eine Anschlussleitung 4a, b elektrisch verbunden sind, eine Logikeinrichtung 5, eine Kommunikationseinrichtung 6 und eine von der Logikeinrichtung 5 ansteuerbare Schalteinrichtung 7 auf.
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Die Leistungsanschlüsse 1a, b sind externe, vorzugsweise an einem Außengehäuse 8 des Akkumulators angeordnete, Anschlüsse, an welchen der Akkumulator zur Abgabe oder zur Aufnahme von elektrischer Energie angeschlossen werden kann, was dem Anschluss an einen Verbraucher bzw. an ein Ladegerät entspricht. Diese Abgabe oder Aufnahme von elektrischer Energie speist sich aus dem Haupt-Energiespeicher 2 bzw. lädt diesen auf, indem ein Stromkreis mit seinen Spannungspolen 3a, b geschlossen wird. Die Verbindung zwischen einem Spannungspol 3a, b und dem jeweiligen Leistungsanschluss 1a, b durch die entsprechende Anschlussleitung 4a, b kann mittelbar sein und – wie für das Ausführungsbeispiel der 1 noch erläutert wird – Schalter, insbesondere die Schalteinrichtung 7, sowie andere zwischengeschaltete elektrische oder elektronische Elemente aufweisen. Es handelt sich also nicht notwendigerweise um eine Kurzschlussverbindung zwischen den Spannungspolen 3a, b und dem jeweiligen Leistungsanschluss 1a, b handeln.
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Bei der Logikeinrichtung 5 kann es sich um eine beliebige elektronische Schaltung mit einer Ansteuerungsfunktion handeln, einschließlich eines Mikroprozessors oder eines sonstigen integrierten Bauelements. Die Kommunikationseinrichtung 6 ist zur drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung, insbesondere zum Empfang, von Signalen eingerichtet und kann auch mit der Logikeinrichtung 5 einen einzelnen integrierten elektronischen Baustein bilden.
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Der vorschlagsgemäße Akkumulator kann insbesondere für einen elektrischen Antrieb vorgesehen sein, was bedeutet, dass der vorschlagsgemäße Akkumulator die elektrische Energie für einen Antriebsmotor eines Fahrzeugs, bei welchem es sich dann um ein Elektrofahrzeug gemäß der obigen Definition handelt, bereitstellen soll. Diese bevorzugte Variante für Elektrofahrzeuge schließt Akkumulatoren, welche für den Betrieb von tragbaren oder mobilen elektronischen Geräten geeignet sind, wegen der vollkommen verschiedenen Dimensionen an gespeicherter Energie und Gewicht deutlich aus.
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Der vorschlagsgemäße Akkumulator ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung 7 einen Ladesperrungs-Schaltzustand einnehmen kann, in welchem ein Stromfluss in einer Lade-Richtung 9a zum Aufladen des Haupt-Energiespeichers verhindert und ein Stromfluss in Entlade-Richtung 9b zum Entladen des Haupt-Energiespeichers erlaubt wird. Folglich kann der Akkumulator nur noch zur Abgabe von elektrischer Energie verwendet und nicht mehr aufgeladen werden, wenn die Schalteinrichtung 7 des Akkumulators den Ladesperrungs-Schaltzustand eingenommen hat.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Schalteinrichtung 7 in der Anschlussleitung 4a angeordnet, welche den positiven Spannungspol 3a des Haupt-Energiespeichers 2 mit dem Leistungsanschluss 1a verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinrichtung 7 auch in der Anschlussleitung 4b angeordnet sein, welche den negativen Spannungspol 3b des Haupt-Energiespeichers 2 mit dem Leistungsanschluss 1b verbindet.
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Zusätzlich kann der Akkumulator weitere, hier nicht dargestellte Komponenten aufweisen, mit deren Hilfe die Logikeinrichtung 5 einen Füllstand des Haupt-Energiespeichers 2, seine Temperatur und weitere ggf. relevante Größen sowie die Spannung und den Strom an verschiedenen Knoten der Anschlussleitungen 4a, b und der Schalteinrichtung 7 messen kann.
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Bevorzugt ist, dass die Logikeinrichtung 5 mittels der Kommunikationseinrichtung 6 eine Steuernachricht mit einer Schaltanweisung empfängt und die Schalteinrichtung 7 basierend auf der Schaltanweisung ansteuert. Diese Ansteuerung der Schalteinrichtung 7 kann dabei auch zeitversetzt zum Empfang der Steuernachricht erfolgen. Die Ansteuerung der Schalteinrichtung 7 kann zusätzlich auch von entweder einer anderen, von der Kommunikationseinrichtung 6 empfangenen Nachricht oder einem sonstigen, von der Logikeinrichtung 5 erfassbaren Signal oder von einer entsprechenden Randbedingung abhängig sein. Auf diese Weise kann von außerhalb des Akkumulators, und zwar mittels einer Übertragung einer Steuernachricht wie beschrieben die Einnahme von bestimmten Schaltzuständen der Schalteinrichtung 7, wie etwa die des bereits genannten Ladesperrungs-Schaltzustands, beeinflusst oder vorgeschrieben werden.
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Damit der Kreis derjenigen Personen oder Vorrichtungen, welche eine Schaltanweisung zur Steuerung des Akkumulators versenden können, wirksam eingeschränkt werden kann und darüber hinaus der Gehalt der Steuernachricht bei ihrer Übermittlung vor unbefugter Analyse geschützt wird, ist es bevorzugt, dass der Akkumulator eine Kryptografieeinrichtung 10 umfasst, wobei die Steuernachricht verschlüsselt ist und nach ihrem Empfang von der Kryptografieeinrichtung 10 entschlüsselt wird. Bei der Kryptografieeinrichtung 10 kann es sich – gemäß der in der 1 dargestellten Ausführungsform – um einen eigenen, dedizierten Baustein handeln. Besonders für den Fall, dass die Entschlüsselung mittels Software implementiert ist, kann die Kryptografieeinrichtung 10 durch denselben physikalischen Baustein wie die Logikeinrichtung 5 verwirklicht sein. Neben der Entschlüsselung von Steuernachrichten kann die Kryptografieeinrichtung 10 auch für andere kryptologische Funktionen, so etwa für eine Verschlüsselung, eingerichtet sein. Dies kann etwa von der Logikeinrichtung 5 mittels der Kommunikationseinrichtung 6 zu versendende Nachrichten oder von der Logikeinrichtung 5 abgelegte Daten betreffen.
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Eine andere Anwendung der Kryptografieeinrichtung 10 betrifft den bevorzugten Fall, dass die obige verschlüsselte Steuernachricht eine digitale Signatur umfasst. Diese digitale Signatur basiert vorzugsweise auf einer kryptologischen Hashfunktion, wodurch eine Prüfung der Integrität der Steuernachricht mittels der Kryptografieeinrichtung 10 ermöglicht wird. Bevorzugt basiert die digitale Signatur auf einer kryptologischen Hashfunktion nach SHA-1, also auf dem Secure Hash Algorithm in der überarbeiteten Version aus dem Jahr 1995. Auf diese Weise wird es dem Akkumulator bzw. der Logikeinrichtung 5 des Akkumulators ermöglicht, den Absender der Steuernachricht zu verifizieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die entsprechende Steuernachricht eine Autorisierung von kostenpflichtigen Vorgängen darstellt, welche Autorisierung entsprechend nur von befugter Stelle vorzunehmen ist.
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Die Steuernachricht kann nach einem asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren verschlüsselt sein, so etwa nach dem Verfahren gemäß Rivest, Shamir und Adleman (RSA). Hier würde also der Sender der Steuernachricht diese mit dem öffentlichen Schlüssel des Akkumulators verschlüsseln und die Kryptografieeinrichtung 10 die Entschlüsselung mittels des privaten Schlüssels vornehmen. Auch die obige digitale Signatur kann auf dem RSA-Verfahren basieren.
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Da vorliegend der Kreis der legitimen Absender der Steuernachrichten aber von vornherein sowohl beschränkt als auch vorbekannt ist und regelmäßig eine Erweiterung dieses Kreises nicht vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass die Steuernachricht nach einem symmetrischen Verschlüsselungsverfahren verschlüsselt ist. Gegenüber einem asymmetrischen Verfahren bietet dies den Vorteil, dass bei vergleichbarer Verschlüsselungssicherheit weniger Rechenoperationen zur Entschlüsselung vorgenommen werden müssen, wodurch die Kryptografieeinrichtung 10 bei vergleichbarer Sicherheit kostengünstiger ausgelegt werden kann.
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Da, wie bereits beschrieben, die empfangene Schaltanweisung nicht notwendigerweise unmittelbar nach ihrem Empfang zu einer Änderung eines Schaltzustands der Schalteinrichtung 7 führt, ist es bevorzugt, dass der Akkumulator einen nicht-flüchtigen Speicher 11 umfasst, in welchen die empfangene Schaltanweisung abgelegt wird. Insbesondere kann die empfangene Schaltanweisung verschlüsselt in den nicht-flüchtigen Speicher 11 abgelegt werden. Bei diesem nicht-flüchtigen Speicher kann es sich insbesondere um einen EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)-Speicher, einen F-RAM(Ferroelectric Random Access Memory)-Speicher, einen MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)-Speicher oder auch um einen Flash-Speicher handeln. Auf diese Weise wird auch eine Protokollierung der empfangenen Schaltanweisungen ermöglicht. Je nach Kapazität des nicht-flüchtigen Speichers 11 und der Länge der Steuernachrichten kann auch die empfangene Steuernachricht insgesamt abgelegt werden.
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Um eine Möglichkeit vorzusehen, den bereits beschriebenen Ladesperrungs-Schaltzustand durch eine von der Kommunikationseinrichtung 6 empfangene Nachricht auch wieder verlassen zu können, ist es bevorzugt, dass die Logikeinrichtung 5 die Schalteinrichtung 7 zum Verlassen des Ladesperrungs-Schaltzustands ansteuert, nachdem die Logikeinrichtung 5 eine Schaltanweisung empfangen hat, welche eine Entsperrungsanweisung ist. Es ist also eine Entsperrungsanweisung als eine mögliche Art von Schaltanweisung vorgesehen und speziell als eine Art von Schaltanweisung, durch die die Schalteinrichtung 7 den Ladesperrungs-Schaltzustand verlässt. Der Empfang einer solchen Entsperrungsanweisung stellt also eine Autorisierung dar, einen Ladevorgang wieder zu erlauben. Inwiefern diese Erlaubnis zeitlich oder auf sonstige Weise befristet oder eingeschränkt ist, kann dabei grundsätzlich auf unterschiedliche Weise ausgestaltet werden.
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Bevorzugt ist jedoch, dass die Schaltanweisung eine Ladeguthabenanweisung sein kann, welche einen Ladeguthabenwert einer Ladegröße des Haupt-Energiespeichers 2 definiert, wobei die Logikeinrichtung 5 eine Messung der Ladegröße des Haupt-Energiespeichers 2 protokolliert und wobei die Logikeinrichtung 5 die Schalteinrichtung 7 zum Einnehmen des Ladesperrungs-Schaltzustands ansteuert, wenn ein Maximalwert der gemessenen Ladegröße erreicht ist. Es ist also eine Ladeguthabenanweisung als eine mögliche Art einer Schaltanweisung vorgesehen, wobei eine solche Ladeguthabenanweisung über den auf eine Ladegröße bezogenen Ladeguthabenwert eine Quantität bezogen auf das Aufladen des Haupt-Energiespeichers 2 definiert.
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Eine Möglichkeit sieht vor, dass bei einem Empfang einer solchen Ladeguthabenanweisung dieser Ladeguthabenwert als der Maximalwert der gemessenen Ladegröße festgesetzt wird und dementsprechend die Logikeinrichtung 5 die Schalteinrichtung 7 zum Einnehmen des Ladesperrungs-Schaltzustands ansteuert, wenn ein Wert der Ladegröße gemessen wurde, welcher dem Ladeguthabenwert entspricht. Dies schließt den Fall ein, dass der Ladeguthabenwert durch die gemessene Ladegröße bereits überschritten wurde.
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Bei der Ladegröße im obigen Sinne kann es sich etwa um eine Anzahl von Ladevorgängen oder eine Anzahl von abgeschlossenen Ladevorgängen handeln. In diesem Fall definiert der Ladeguthabenwert eine zulässige Zahl von Ladevorgängen oder abgeschlossenen Ladevorgängen. Wenn ein Maximalwert an Ladevorgängen bzw. gemessenen Ladevorgängen erreicht oder überschritten wurde, wird der Ladesperrungs-Schaltzustand eingenommen. Eine solche Ladegröße hat den Vorteil, dass sie einfach zu erfassen ist und keine aufwändige oder besonders genaue Sensorik erfordert. Bei der Ladegröße kann es sich auch um eine von dem Haupt-Energiespeicher 2 aufgenommene Energiemenge, ausgedrückt etwa in kWh, handeln. Auf diese Weise wird diejenige Größe veranschlagt, welche das Aufladen des Haupt-Energiespeichers 2 am genauesten quantisiert, da etwa beim Zählen von einzelnen Ladevorgängen regelmäßig die vor Beginn des Ladevorgangs im Haupt-Energiespeicher 2 verbliebene Menge an Energie verschieden ist.
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Bevorzugt ist, dass es sich bei der Ladegröße um eine Ladeelektrizitätsmenge handelt, also um die Menge an elektrischer Ladung, welche bei dem Ladevorgang oder den Ladevorgängen dem Haupt-Energiespeicher 2 zugeführt wurde. Auch die Ladeelektrizitätsmenge bietet gegenüber der Anzahl von Ladevorgängen die Möglichkeit einer wesentlich genaueren Quantisierung und Abrechnung. Diese Ladeelektrizitätsmenge kann etwa in Amperestunden ausgedrückt werden. Die Verwendung der Ladeelektrizitätsmenge als Ladegröße zur Quantisierung des Ladevorgangs bietet sich insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren an.
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Alternativ kann es sich bei der Ladegröße um eine Ladezeit handelt. Diese könnte etwa als diejenige Zeit definiert werden, während der ein Aufladen des Haupt-Energiespeichers 2 stattfindet. Obwohl die aufgenommene elektrische Energie oder elektrische Ladung pro Zeiteinheit während eines Ladevorgangs und zwischen einzelnen Ladevorgängen nicht stets gleich sein mag, so kann sie doch in erster Näherung als konstant angenommen werden. Dafür ist die Messung der Ladezeit etwa über die bevorzugt vom Akkumulator umfasste Uhreinrichtung 12 auf einfache Art und Weise zu verwirklichen, ohne dass die vom Haupt-Energiespeicher 2 aufgenommene Ladung oder die aufgenommene Energie elektrisch gemessen werden müsste. Gleichzeitig wird eine höhere Genauigkeit gegenüber dem Fall erreicht, dass auf die Zahl der Ladevorgänge abgestellt wird.
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Eine solche Ladeguthabenanweisung wie oben stehend beschrieben kann auch gleichzeitig eine Entsperrungsanweisung im obigen Sinne sein. Bevorzugt umfasst die Messung der Ladegröße, vorzugsweise der Ladezeit, des Haupt-Energiespeichers 2 durch die Logikeinrichtung 5 auch das Ablegen der Messung im nicht-flüchtigen Speicher 11 durch die Logikeinrichtung 5.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß einer Möglichkeit der in einer Ladeguthabenanweisung empfangene Ladeguthabenwert als Maximalwert der gemessenen Ladegröße im obigen Sinne gesetzt werden. Damit würde ein vorher gesetzter solcher Maximalwert überschrieben werden und somit irrelevant werden.
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Bevorzugt ist daher, dass die Logikeinrichtung 5 ein Ladeguthabenkonto verwaltet, welches den Maximalwert der gemessenen Ladegröße bestimmt, wobei die Logikeinrichtung 5 bei Empfang einer Ladeguthabenanweisung das Ladeguthabenkonto so anpasst, dass der Maximalwert der gemessenen Ladegröße um den Ladeguthabenwert erhöht wird. Auf diese Weise erfolgt also kein Überschreiben des Maximalwerts beim Empfang einer Ladeguthabenanweisung, sondern eine Anpassung und speziell eine Erhöhung. Bei so einer Ausgestaltung kann der Benutzer des Akkumulators eine Ladeguthabenanweisung für einen festen oder variablen Betrag erwerben, wodurch eine bestimmte Menge der genannten Ladegröße, so etwa der Ladezeit freigegeben wird. Diese Ladeguthabenanweisung führt, wenn sie vom Akkumulator bzw. seiner Logikeinrichtung 5 empfangen wird, dazu, dass ein weiteres Aufladen bis zu einem bestimmten Wert ermöglicht wird. Sofern der vorher geltende Maximalwert noch nicht ausgeschöpft wurde, verfällt ein solches Guthaben bei dieser Ausführung nicht, sondern bleibt durch die Erhöhung des Maximalwerts effektiv erhalten.
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Grundsätzlich können aber auch Arten von Schaltanweisungen definiert sein, deren Empfang durch die Logikeinrichtung 5 zu einer Reduzierung oder zu einem Zurücksetzen des obigen Maximalwerts führt. Dies kann von der Logikeinrichtung 5 auch als Reaktion auf sonstige Ereignisse bewirkt werden.
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Um zu verhindern, dass der obige Maximalwert durch das wiederholte Versenden einer identischen Steuernachricht, welche eine Ladeguthabenanweisung als Schaltanweisung enthält, beliebig erhöht wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Logikeinrichtung 5 eine Identifikation empfangener Schaltanweisungen protokolliert und eine Schaltanweisung, welche zu einer empfangenen Schaltanweisung identisch ist, verwirft. Bevorzugt umfasst das Protokollieren der Identifikation empfangener Schaltanweisungen, dass sie von der Logikeinrichtung 5 im nicht-flüchtigen Speicher 11 abgelegt werden. Auf diese Weise wird also gewährleistet, dass eine einzelne Steuernachricht nur ein einziges Mal von dem jeweiligen Akkumulator verarbeitet wird und also ein Abfangen und erneutes Senden einer solchen Steuernachricht keine Wirkung hat.
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Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass eine empfangene Schaltanweisung eine Zielkennung aufweist, und die Logikeinrichtung 5 die Zielkennung der empfangenen Schaltanweisung mit einer dem Akkumulator zugeordneten Akku-Kennung vergleicht, wobei bevorzugt die Akku-Kennung im nicht-flüchtigen Speicher 11 abgelegt ist, und die Logikeinrichtung 5 die empfangene Schaltanweisung nur dann verarbeitet, wenn die Zielkennung der empfangenen Schaltanweisung der Akku-Kennung entspricht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass eine Ladeguthabenanweisung nur zu einer Erhöhung des Maximalwerts der gemessenen Ladegröße bei demjenigen Akkumulator führt, für den die Ladeguthabenanweisung bestimmt ist. Die Ladeguthabenanweisung kann dann also nicht auch für einen anderen Akkumulator verwendet werden, sodass der unberechtigte Gebrauch eines einmal erworbenen Ladeguthabens bei zwei Akkumulatoren wirksam verhindert wird. Dabei ist die Zielkennung – als Bestandteil der Steuernachricht – gemeinsam mit dieser verschlüsselt, wie bereits oben beschrieben wurde, und vorzugsweise mit der obigen digitalen Signatur geschützt. Die Akku-Kennung eines Akkumulators kann dabei dem Benutzer entweder vorbekannt sein, wenn sie etwa bei dem Erwerb des Akkumulators mitgeteilt oder ein entsprechender Code mitgeliefert wurde. Alternativ kann die Akku-Kennung auch dynamisch von der Kommunikationseinrichtung 6 abgefragt werden. Wiederum eine andere Möglichkeit besteht darin, dass bei der Verwendung eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens für die Steuernachrichten der öffentliche Schlüssel eines Akkumulators die Akku-Kennung in dem Sinne bildet, dass nur gemäß diesem öffentlichen Schlüssel verschlüsselte Nachrichten von der Logikeinrichtung 5 verwaltet werden.
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Eine bevorzugte Möglichkeit, den Ladesperrunngs-Schaltzustand technisch umzusetzen, sieht vor, dass die Schalteinrichtung 7 – welche wie bevorzugt und in der 1 dargestellt in der Anschlussleitung 4a angeordnet ist – eine Parallelschaltung eines Ladepfades 13 und eines Entladepfades 14 aufweist, wobei der Entladepfad 14 eine in der Lade-Richtung 9a sperrende Entlade-Diode 15 aufweist und der Ladepfad 13 einen Lade-Schalter 16 aufweist, welcher in dem Ladesperrungs-Schaltzustand geöffnet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Lade-Schalter 16 um einen Lade-Transistorschalter, welcher etwa einen Feldeffekttransistor umfassen kann. Wenn also nun parallel der Ladepfad 13 und der Entladepfad 14 vorhanden sind, dann kann bei einem Öffnen des Lade-Schalters 16 der Stromkreis mit dem Haupt-Energiespeicher 2 nur über den Entladepfad 14 geschlossen. In dem Entladepfad 14 wiederum sorgt die Entlade-Diode 15, dass nur ein Strom in Entlade-Richtung 9b fließen kann, ein Aufladen des Haupt-Energiespeichers 2 also nicht möglich ist. Das Entladen des Haupt-Energiespeichers 2 bleibt uneingeschränkt möglich, sodass der Akkumulator weiterhin zum Betrieb etwa eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden kann.
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Die Entlade-Diode 15 ist als Diode im allgemeinen schaltungstechnischen Sinne zu verstehen, also als ein elektrisches Bauelement, welches Strom nur in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung als Isolator wirkt. In einer Variante kann es sich dabei um eine Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang oder einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang handeln. Bevorzugt ist allerdings, dass die Entlade-Diode 15 eine ideale Diode und damit einen Transistorschalter umfasst, welcher die für die Diode im schaltungstechnischen Sinne charakteristischen Eigenschaften nachbildet.
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Es kann sinnvoll sein, neben dem Aufladen auch das Entladen des Haupt-Energiespeichers 2 über die Schalteinrichtung 7 einschränken und kontrollieren zu können. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schalteinrichtung 7 einen Entladesperrungs-Schaltzustand einnehmen kann, in welchem ein Stromfluss in der Entlade-Richtung 9b verhindert wird. Bevorzugt wird in dem Entladesperrungs-Schaltzustand ein Stromfluss in der Lade-Richtung 9a erlaubt. Es kann aber auch sein, dass in dem Entladesperrungs-Schaltzustand auch ein Stromfluss in der Lade-Richtung 9a verhindert wird.
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Akkumulatoren haben regelmäßig eine bestimmte kalendarische Haltbarkeitszeit, nach deren Ablauf ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleistet sein könnte. Diese Haltbarkeitszeit könnte ab Werk in dem Akkumulator hartcodiert eingestellt und ein Betrieb nach Ablauf unterbunden werden. Die Haltbarkeitszeit könnte aber auch, möglicherweise in Abhängigkeit von aktuellen, bei Wartungen erfolgten Messungen, dynamisch angepasst und bei guten Messergebnissen verlängert oder bei ungünstigen Messergebissen verkürzt werden. Bevorzugt ist daher, dass die Logikeinrichtung 5 eine Uhreinrichtung 12 umfasst und dass die Schaltanweisung eine Zeitbegrenzungsanweisung sein kann, welche eine Entladefrist definiert, wobei die Logikeinrichtung 5 die Schalteinrichtung 7 zum Einnehmen des Entladesperrungs-Schaltzustands ansteuert, wenn die Entladefrist abgelaufen ist. Mit anderen Worten ist eine Entladung des Haupt-Energiespeichers 2 und damit ein von dem Akkumulator gespeister Betrieb einer Vorrichtung wie eines Elektrofahrzeugs nach Ablauf der Entladefrist nicht mehr möglich.
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Die Entladefrist kann dabei als noch verbliebener Zeitraum ab dem Empfangszeitpunkt der Zeitbegrenzungsanweisung definiert werden oder als absoluter Zeitpunkt, an dem die Entladefrist als verstrichen gilt. Bevorzugt wird die Entladefrist im nicht-flüchtigen Speicher 11 abgelegt. Es kann auch eine Schaltanweisung sowohl eine Zeitbegrenzungsanweisung als auch eine Ladeguthabenanweisung im obigen Sinne sein, womit dann also mit einer Schaltanweisung sowohl ein Maximalwert, etwa einer Ladezeit, als auch eine Entladefrist vorgebbar wäre.
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Eine bevorzugte Verwirklichungsmöglichkeit dieser Funktionalität sieht vor, dass der Ladepfad 13 eine in der Entlade-Richtung 9b sperrende Lade-Diode 17 aufweist und der Entladepfad 14 einen Entlade-Schalter 18 aufweist, welcher in dem Entladesperrungs-Schaltzustand geöffnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Entlade-Schalter 18 um einen Entlade-Transistorschalter.
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Auch die Lade-Diode 17 ist hier, wie bereits für die Entlade-Diode 15 beschrieben, als Diode im allgemeinen schaltungstechnischen Sinne zu verstehen. Ebenso wie die Entlade-Diode 15 kann sie als Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang oder einem gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergang oder bevorzugt als ideale Diode und damit als Transistorschalter ausgestaltet sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, in bestimmten Situationen sowohl ein Entladen als auch ein Aufladen des Haupt-Energiespeichers 2 zu erlauben und wiederum in bestimmten anderen Situationen sowohl ein solches Entladen als auch ein Aufladen zu unterbinden. Das kann etwa dann sein, wenn sowohl die Bedingungen für einen Entladesperrungs-Schaltzustand als auch einen Ladesperrungs-Schaltzustand gegeben sind. Folglich ist es bevorzugt, dass die Schalteinrichtung 7 einen Entsperrungs-Schaltzustand einnehmen kann, in welchem sowohl ein Stromfluss in der Entlade-Richtung 9b als auch ein Stromfluss in der Lade-Richtung 9a erlaubt wird, und dass die Schalteinrichtung 7 einen Vollsperrungsschaltzustand einnehmen kann, in welchem sowohl ein Stromfluss in der Entlade-Richtung 9b als auch ein Stromfluss in der Lade-Richtung 9a verhindert wird.
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Damit die oben beschriebenen Funktionen und hier insbesondere die Kommunikation zum Empfang von Steuernachrichten auch dann bereitstehen, wenn der Haupt-Energiespeicher 2 fast oder vollständig entladen ist, ist es bevorzugt, dass der Akkumulator einen vom Haupt-Energiespeicher 2 unabhängigen Stütz-Energiespeicher 19 umfasst, wobei die Logikeinrichtung 5, die Kommunikationseinrichtung 6 und die Schalteinrichtung 7 von dem Stütz-Energiespeicher 19 versorgt betrieben werden können. Bevorzugt ist weiter, dass auch die Kryptografieeinrichtung 10 und/oder die Uhreinrichtung 12 von dem Stütz-Energiespeicher 19 versorgt betrieben werden können. Dabei kann einerseits der Stütz-Energiespeicher 19 so ausgelegt werden, dass seine Kapazität die genannten Bestandteile des Akkumulators über einen Zeitraum mit Energie versorgen kann, welcher in jedem Fall über die maximale Haltbarkeit des Haupt-Energiespeichers 2 hinausgeht. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Stütz-Energiespeicher 19 auch über den Haupt-Energiespeicher 2 wieder aufladen, und zwar vorzugsweise dann, wenn der Haupt-Energiespeicher 2 einen Mindestladestand aufweist.
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Um ein Umgehen der oben beschriebenen Maßnahmen zur Kontrolle des Auflade- und Entladevorgangs zu verhindern, ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Entfernen der Logikeinrichtung 6 und der Schalteinrichtung 7 oder ein entsprechender Versuch zu einer Selbstzerstörung im Sinne einer Unbrauchbarmachung des Akkumulators und insbesondere des Haupt-Energiespeichers 2 führt.
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Beansprucht werden auch ein Elektrofahrzeug und hier insbesondere ein Elektroroller 20, mit mindestens einem Akkumulator gemäß dem Vorschlag und einer Fahrzeugschnittstelle 21, welche in nachrichtentechnischer Verbindung mit der jeweiligen Kommunikationseinrichtung 6 des mindestens einen Akkumulator steht. Bei der Fahrzeugschnittstelle 21 kann es sich um eine beliebige Vorrichtung oder Anordnung handeln, welche eine Kommunikation mit einer Stelle außerhalb des Elektrofahrzeugs und hierbei speziell den Empfang von Nachrichten erlaubt, wobei die Fahrzeugschnittstelle 21 durch ihre nachrichtentechnische Verbindung mit der Kommunikationseinrichtung 6 sowohl solche Nachrichten an die Kommunikationseinrichtung 6 des mindestens einen Akkumulators weiterleiten als auch im Gegenzug Nachrichten zur Weiterleitung von der Kommunikationseinrichtung 6 empfangen kann.
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In der 2a ist ein Elektrofahrzeug gemäß dem Vorschlag in Gestalt eines Elektrorollers 20 dargestellt, in welchem eine Akkumulatoranordnung 22 mit einem oder mehreren Akkumulatoren gemäß dem Vorschlag angeordnet sind. Sie sind mit ihren Leistungsanschlüssen 1a, b mit dem – hier nicht gezeigten – elektrischen Antrieb des Elektrorollers 20 verbunden. Um ein Aufladen im innerhalb des Elektrorollers 20 angeordneten Zustand zu erlauben, weist der Elektroroller 20 eine interne Ladeeinrichtung 23 auf, welche mit einer externen Stromquelle 24 verbindbar ist und ggf. den von dort aufnehmbaren Wechselstrom in einen geeigneten Gleichstrom wandelt. Es werden nun mehrere bevorzugte Möglichkeiten beschrieben, eine Steuernachricht an einen oder mehrere der Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung 22 zu übertragen. Grundsätzlich kann die Übertragung dabei ausschließlich unidirektional zu der Kommunikationseinrichtung 6 erfolgen. Die Kommunikationsrichtung 6 braucht also nicht zwingend ihrerseits eine Nachricht zu schicken, nicht einmal zu einer Quittierung o. dgl.. Nichtsdestotrotz kann auch eine verbindungsorientierte Übertragung einer Steuernachricht – etwa über eine TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)-Verbindung – an die Kommunikationseinrichtung 6 erfolgen. Dies gilt für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Kommunikation mit der Kommunikationseinrichtung 6.
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Eine erste Möglichkeit, eine Steuernachricht an die Akkumulatoranordnung 22 zu übertragen, besteht darin, die Steuernachricht von der Stromquelle 24 an die Ladeeinrichtung 23 zu senden, welche sie dann an den mindestens einen Akkumulator der Akkumulatoranordnung 22 übertragen könnte. Mittels der Technik der Power Line Communication können Nachrichten auf denselben Leitungen versendet werden, welche auch zur Leistungsübertragung verwenden werden. Hier würde die Ladeeinrichtung 23 also eine Fahrzeugschnittstelle 21 im obigen Sinne bilden. Bei einer solchen Variante bräuchte die Kommunikationseinrichtung 6 keine eigenen Leitungen, sondern könnte mittels der Leistungsanschlüsse 1a, b kommunizieren. Das würde sich insbesondere dann anbieten, wenn das den Akkumulator anbietende Unternehmen ein Energieanbieter ist oder mit einem solchen zusammenarbeitet.
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Alternativ oder zusätzlich könnte der Akkumulator aber auch Kommunikationsanschlüsse 25 aufweisen, mit denen die Kommunikationseinrichtung 6 verbunden ist. Diese könnten den Akkumulator etwa mit einer USB-Schnittstelle 26 verbinden, welche ebenfalls in der 2 dargestellt ist und hier alternativ oder zusätzlich zu dem Ladegerät 22 eine Fahrzeugschnittstelle 21 bildet. Eine Steuernachricht könnte dann auf einem USB(Universal Serial Bus)-Speichergerät 27 abgelegt sein und, wenn dieses USB-Speichergerät mit der USB-Schnittstelle 26 verbunden wird, von dieser an die Akkumulatoranordnung 22 gesendet werden. Auf diese Weise bräuchte zum Übertragen einer Steuernachricht an die Akkumulatoranordnung 22 eines Elektrorollers 20 überhaupt keine direkte Verbindung zwischen dem Elektroroller 20 und einer äußeren Stelle hergestellt werden, sondern der Benutzer könnte etwa über eine Internetseite eine entsprechende Aufladezeit erwerben, eine dann bereitgestellte Steuernachricht herunterladen und auf ein USB-Speichergerät 27 übertragen, welches dann an die USB-Schnittstelle 26 des Elektrorollers 20 angeschlossen wird.
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Ferner können die Kommunikationsanschlüsse 25 des mindestens einen Akkumulators der Akkumulatoranordnung 22 auch mit einem Fahrzeugbussystem 28, insbesondere einem CAN(Controller Area Network)-Bus, verbunden sein, mit welchem auch ein zentrales Steuerinstrument 29 des Elektrorollers 20 verbunden ist. Hier bildet also das Fahrzeugbussystem 28, vorzugsweise gemeinsam mit dem Steuerinstrument 29, die Fahrzeugschnittstelle 21 im obigen Sinne. Bei einer solchen Ausgestaltung kann beispielsweise das Steuerinstrument 29 mittels einer – möglicherweise drahtlosen – Verbindung zu einer Basisstelle 30 eine weitergehende Verbindung über das Internet 31 zu einem Server 32 herstellen, von diesem eine Steuernachricht beziehen und diese dann an die Akkumulatoranordnung 22 weiterleiten. Alternativ kann auch die Kommunikationseinrichtung 6 des mindestens einen Akkumulators der Akkumulatoranordnung 22 über ein Tunneln im kommunikationstechnischen Sinne der beschriebenen Verbindung zwischen dem Steuerinstrument 29 und dem Server 32 eine eigene Verbindung zum Server 32 herstellen. Schließlich ist es auch möglich, dass eine externe Vorrichtung wie etwa ein Diagnosegerät 33, welches unmittelbar an das Fahrzeugbussystem 28 angeschlossen werden kann, von dem Server 32 schon vorab über das Internet 31 eine Steuernachricht bezogen hat und diese dann, wenn das Diagnosegerät an den Elektroroller 20 angeschlossen ist, an die Kommunikationseinrichtung 6 des mindestens einen Akkumulators der Akkumulatoranordnung 22 überträgt.
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In der 2b ist die Akkumulatoranordnung 22 der 2a aus dem Elektroroller 20 entfernt und an ein externes Ladegerät 33 angeschlossen. Es besteht sowohl eine Leistungsverbindung 34 als auch eine Signalverbindung 35 zwischen der Akkumulatoranordnung 22 und dem externen Ladegerät 33. Das externe Ladegerät 33 kann nun entweder über die Leistungsverbindung 34 oder über die Signalverbindung 35 eine Steuernachricht an die Akkumulatoranordnung 22 senden, wobei die Steuernachricht auf eine beliebige Art und Weise von dem Server an das externe Ladegerät 33 übertragen worden sein konnte.
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Dadurch, dass die Steuernachrichten zentral erzeugt und dann verschlüsselt und signiert werden, können sie nach ihrer Erzeugung in einer beliebigen Kette von Datenträgern weitergetragen werden, bis sie bei dem Akkumulator gemäß dem Vorschlag landen. Zur sicheren Übertragung ist eine direkte Verbindung zwischen dem Akkumulator und der zentralen Instanz, beispielsweise dem Server 32, welcher die Steuernachricht erzeugt hat, in keinem Falle notwendig. Wenn durch eine entsprechende Steuernachricht nun eine bestimmte Ladezeit freigeschaltet wurde, dann kann einerseits eine wirksame Abrechnung einer solchen Freischaltung erfolgen. Andererseits kann der Benutzer des Elektrofahrzeugs jede beliebige, technisch geeignete Energiequelle zum Aufladen des Akkumulators benutzen – solange die freigeschaltete Ladezeit nicht überschritten wurde – sodass seine Flexibilität bei der Bewegung mit dem Elektrofahrzeug und damit die effektive Reichweite des Elektrofahrzeugs deutlich erhöht wird.
