DE69207101T2 - Kreditkartenförmige stromversorgungseinrichtung - Google Patents

Kreditkartenförmige stromversorgungseinrichtung

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Energiespeichereinrichtungen und insbesondere auf die Energiespeicherung für Systeme, welche integrierte Mikroelektronikschaltungen mit Speicher aufweisen.
  • Derzeit gibt es drei Haupttypen von elektrischen Versorgungsquellen für Mikroelektronikschaltungen (einen Chip oder ein komplettes elektronisches System mit einer bestimmten Funktion):
  • Erstens, das 110 oder 220 Volt-Netz, von dem nach dem Absenken der Spannung durch einen Transformator, Gleichrichten, Filtern und Steuern oder Verwendung von Schalteinrichtungen, eine Gleichstromspannung (üblicherweise von 5 bis 15 Volt) an die Mikroelektronikschaltung geliefert wird;
  • zweitens, die Batterie, die eine selbständige bzw. unabhängige Versorgungsquelle für elektronische Einrichtungen ist;
  • drittens, die wiederaufladbare Batterie oder der Akkumulator, welcher üblicherweise ein Bleiakkumulator war und welcher derzeit im allgemeinen im Bereich der Versorgung elektronischer Schaltungen ein Cadmium-Nickel- Akkumulator ist.
  • Das Netz bietet natürlich den Vorteil, daß es eine Quelle großer Energie ist (sofern das Wechselstromnetz bei 110 oder 220 Volt zuverlässig ist) besitzt jedoch größere Nachteile, d h. daß sie umständlich, schwer, laut, anfällig für Störungen und nicht tragbar ist.
  • Die nicht-wiederaufladbare Batterie besitzt den Nachteil einer begrenzten Lebensdauer, einer relativ schlechten Zuverlässigkeit in ungünstiger Umgebung und hoher Kosten.
  • Daher geht der derzeitige Trend zur Verwendung wiederaufladbarer Akkumulatoren. Selbständig bzw. eigenständig wie eine Batterie löst ein Akkumulator das Problem der Lebensdauer auf Grund der Möglichkeit der Wiederauf ladung, wobei die Anzahl von Wiederaufladungen entsprechend der elektro-chemischen Natur des Akkumulators variiert. Das Problem der Zuverlässigkeit ist jedoch nicht gelöst. Zusätzlich sind Wiederaufladungsschaltungen für wiederaufladbare Akkumulatoren im allgemeinen relativ kompliziert und erzeugen ein elektromagnetisches Rauschen. Wenn sie innerhalb des zu versorgenden Systems angeordnet sind, sind sie ferner umständlich und nehmen eine beträchtliche Oberfläche auf einer gedruckten Leiterplatte ein, die in dem System vorgesehen ist.
  • Aus IEEE Spectrum, Band 26, Nr. 8, 26. August 1989, Seiten 32-35, M. Zafar et al., "Flat polymer electrolytes promise thin-film power" ist eine Kreditkarte bekannt, welche folgendes aufweist: mindestens einen Akkumulator einschließlich eines Stapels von Schichten oder ebenen Lagen, mindestens eine Ladungsschaltung und einen Mikrocontroller.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Akkumulatorsystem mit all seinen Wiederaufladungs- und Testelementen vorzusehen, und zwar in Form eines unabhängigen bzw. selbständigen (Bau-)Teils.
  • Ein spezielleres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches unabhängiges (Bau-)Teil vorzusehen, das das übliche Kreditkartenformat besitzt (eine dünne rechteckige Karte von ungefähr 85 x 54 mm).
  • Zum Erreichen dieser Ziele sieht die Erfindung ein unabhängiges, tragbares, elektronisches (Bau-)Teil im Kreditkartenformat vor, das folgendes aufweist: mindestens einen Akkumulator, der aus einem Stapel Flächenelemente oder ebener Schichten gebildet ist und dessen Oberfläche im wesentlichen gleich der Oberfläche der Kreditkarte ist, mindestens eine Ladeschaltung und Zustandsanzeigen, die von einem Mikrocontroller gesteuert werden, welcher mit Mitteln zum Messen des Stroms in dem Akkumulator in kurzen, regelmäßigen Zeitintervallen und mit Mitteln zum Berechnen, Speichern und Summieren der Ladungsveränderungen assoziiert ist. Die Zustandsanzeigen bzw. -indikatoren weisen eine Anzeige der restlichen Anzahl möglicher Wiederaufladungen auf, die mit den Mitteln zum Addieren der Ladungsveränderungen während der Entladungsphasen assoziiert ist.
  • Die Zustandsanzeigen weisen eine Ladeverhältnisanzeige auf, die mit den Mitteln zum Summieren der Ladungsveränderungen während der Lade- und Entladephasen assoziiert ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Zustandsanzeigen eine Anzeige des momentanen Verbrauchs auf, welche mit Mitteln zum Messen der Spannungsabweichung bzw. -veränderung in regelmäßigen Zeitintervallen assoziiert ist.
  • Vorzugsweise ist der Akkumulator ein Akkumulator mit einem Polymer-Festkörper-Elektrolyten aus dünnen Schichten mit einer Dicke von 1 bis 500 Mikrometer und mit Selbstentladungseigenschaften von weniger als 5 % seiner Nennkapazität pro Jahr.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Außenoberfläche des (Bau-)Teils eine Solarzellenanordnung auf. Diese Außenfläche, oder auch die andere, weist eine Elektrodenfläche auf zum Laden, Verwenden und Austauschen von Daten mit externen Einrichtungen, wobei die Elektrodenfläche das Standardformat von Kreditkartenelektroden besitzt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist dieses (Bau-)Teil oberhalb des Flächenelement- oder Schichtenstapels, welcher den Akkumulator bildet, mindestens eine gedruckte Leiterplatte auf, wobei mindestens eine dieser Platten mit Öffnungen versehen ist, in denen mindestens einige der elektronischen Schaltungselemente angeordnet sind, die notwendig sind für den Betrieb des (Bau-) Teils, und wobei die obere Platte Öffnungen aufweist, in denen die Zustandsanzeigen angeordnet sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das (Bau-)Teil eine Codiertastatur auf.
  • Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in größerer Einzelheit in der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt, in denen:
  • Fig. 1 verschiedene Elemente darstellt, die in einem unabhängigen (Bau-)Teil gemäß der Erfindung umfaßt sind;
  • Fig. 2.1 ist eine schematische Vorderansicht einer Akkumulatorzelle gemäß der Erfindung, und Fig. 2.2 ist eine Schnittansicht der Zelle;
  • Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt einer Anordnung von Elementen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen; und
  • Fig. 4.1 ist eine schematische Draufsicht der Struktur von Fig. 3; und Fig. 4.2 ist eine Ansicht Struktur von Fig. 3 von unten.
  • Eine Akkumulatorversorgungsquelle gemäß der Erfindung weist zum Aufladen und zum Testen einen Satz von Elementen von der Art auf, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. In dieser Figur ist folgendes gezeigt: ein Akkumulatorsatz 1, eine Ladeschaltung 2, ein Verbinder 3 mit Ladeanschlüssen 3.1, Benutzungsanschlüsse 3.2 und Datenaustauschanschlüsse 3.3, eine Solarzelle 4, welche ein weiteres Lademittel ist, einen Mikrocontroller 5, der mit Anzeigeschaltungen 6 assoziiert ist zum Liefern verschiedener Informationen über den Zustand des Akkumulators 1 und eine wahlweise vorgesehene Tastatur 7 zur Dateneingabe.
  • Wie oben angedeutet wurde, sind diese Elemente üblicherweise in Form von verschiedenen (Bau-) Teilen vorhanden, die an verschiedenen Positionen eines Systems verbunden sind, möglicherweise auf der gleichen gedruckten Leiterplatte.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist einerseits, diese Elemente in Form eines einzigen tragbaren Gegenstandes oder Objekts im Kreditkartenformat zusammenzufassen bzw. zusammenzubauen, und andererseits spezielle Betriebsarten oder Modi zum Testen und Anzeigen des Zustands des Akkumulators 1 vorzusehen, während übliche Mittel zur Ausführung der verschiedenen Tests verwendet werden, wodurch das System vereinfacht und verkleinert wird.
  • Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung als Energiequelle einen Akkumulator mit einer vernachläßigbaren Selbstentladung, welcher aus Flächenelementen oder Schichten gebildet ist.
  • Ein nicht-beschränkendes Beispiel eines solchen Akkumulators ist in Fig. 2.1 und 2.2 gezeigt. Er weist auf einer metallischen Anode 11, welche ein Stromkollektor ist, einen Satz 12, welcher eine zusammengesetzte oder Komposit-Anodenschicht 13 auf Lithium-Basis ist, ein Polymer-Elektrolyt 14 und eine Kathode aus einem Kunststoff-Kompositmaterial auf.
  • Herkömmlicherweise besitzt jede der Schichten 11, 13, 14 und 15 eine Dicke im Bereich von 50 µm. Entsprechend kann die Gesamtdicke einer Zelle, wie beispielsweise die von Fig. 2.2, ungefähr 0,2 mm sein.
  • Die Erfindung verwendet einen solchen Schichtensatz auf im wesentlichen der gesamten verfügbaren Oberfläche einer Struktur von der Art einer Kreditkarte, die herkömmlicherweise Seitenabmessungen von 85 x 54 mm besitzt, das heißt ungefähr 40 cm² Mit einer solchen Zelle erhält man eine Nennkapazität von einer Milliampere-Stunde pro cm² (mAh/cm²) und eine Nennspannung von 3 Volt. Diese Zelle besitzt den Vorteil, daß sie ungefähr 1000 Ladungszyklen aushält nach gründlicher Entladung, anstatt nur 500 Zyklen wie Nickel-Cadium-Akkumulatoren. Zusätzlich ist die Entladungsrate niedriger als 0,01 % pro Jahr bei 25 ºC anstatt 25 % pro Monat bei Nickel-Cadmium. Ferner kann diese Einrichtung in einem Temperaturbereich von -20 bis +150 &sup0;c arbeiten.
  • So erhält man mit einem rechteckigen Film von 8 x 5 cm mit einer Dicke von 0,2 mm eine Spannung von 3 Volt und einer Nennkapazität von 40 mAh. Um eine Spannung von 6 Volt zu erhalten, wird ein Block gebildet, der zwei elementare, seriell verbundene Zellen assoziiert. Fünf parallele Blöcke sehen eine Spannung von 6 Volt mit einer Nennkapazität von 20 mAh vor.
  • Entsprechend sieht die Erfindung einen Akkumulator im Kreditkartenformat vor mit einer planaren Elektrodenstruktur von der Art, wie sie in Fig. 2.1 und 2.2 gezeigt ist.
  • Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Akkumulatorplatten 11 und 12 von Fig. 2 sind gezeigt, wobei die Platte 11 bezüglich der Platte 12 überhängt zum Bilden eines Anodenkontakts auf ihrer Oberseite. Es ist klar, daß ein Zellenstapel auch verwendet werden kann. Die Schichten werden auf einem Träger 20 aus einem Kunststoffilm gebildet oder zusammengesetzt, welcher die Unterseite der Zelle bildet, wobei dieser Film Öffnungen besitzt, in denen Solarzellen 28 angeordnet sind.
  • Eine erste gedruckte Leiterplatte 21 wird insbesondere zum Herstellen eines Kontakts mit der Anode 11 verwendet. Eine zweite gedruckte Leiterplatte 22 und eine dritte gedruckte Leiterplatte 23 sind auch gezeigt.
  • In der Figur weist die gedruckte Leiterplatte 22 Öffnungen 24-26 auf. In diese Öffnungen sind integrierte Schaltungen oder andere elekronische (Bau-)Teile, beispielsweise eine intergrierte Schaltung, die alle Elemente aufweist, die notwendig sind zum Laden des Akkumulators vom Netz, der Mikrocontroller 5 von Fig. 1 etc. angeordnet. Die Oberflächen der gedruckten Schaltung 22 weisen Mittel auf zum Verbinden der verschiedenen Element und der Akkumulatorelektroden 11, 12.
  • In einer ersten Öffnung der gedruckten Leiterplatte 23 ist eine Elektrodenfläche 33 zum Laden, zur Verwendung und zum Austausch von Daten angeordnet, und zwar gemäß dem geometrischen Standard der üblichen Kreditkarten, und in verschiedenen Öffnungen 29-32 (siehe Fig. 4) sind Anzeigeeinrichtungen vorgesehen. Die Einrichtung ist mit einem transparenten Kunststoffilm 35 abgedeckt, welcher die Verbinderelektroden 33 freiläßt. In der Öffnung 29 erscheinen zwei Kontrolleuchten für die Solarzelle und die Ladeschaltung. Durch die Öffnungen 30-32 erscheinen beispielsweise Flüssigkristallanzeigen, und zwar jeweils für das Ladeverhältnis, den momentanen Verbrauch und die restliche Lebensdauer, wie in Einzelheiten im weiteren erklärt wird.
  • Tatsächlich ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Anzeige der Zustandsinformation vorzusehen zum Vorsehen eines wirklich unabhängigen und zuverlässigen Akkumulators, der permanent eine Anzeige seines Zustandes liefert.
  • Im allgemeinen liefert eine Spannungsmessung über einen Akkumulator hinweg eine ungenaue Messung des Ladezustands des Akkumulators. Dies liegt an der Tatsache, daß die Entladungs-/Ladungskurven in dem verwendbaren Spannungsbereich nicht linear sind und zusätzlich von der mit dem Akkumulator verbundenen Last abhängen.
  • Gemäß der Erfindung wird der oben genannte Mikrocontroller dazu verwendet, Messungen des Stromes Ii vorzunehmen, der durch den Akkumulator zu Zeiten ti fließt, die durch regelmäßige Zeitintervalle Δt getrennt sind. Δt wird klein genug ausgewählt zur Annahme, daß der Strom während des Zeitintervalls At konstant ist. Somit ist die Ladungsabweichung bzw. -veränderung ΔQi in dem Akkumulator:
  • ΔQi = IiΔt,
  • wobei I negativ ist im Fall der Entladung und positiv ist im Fall der Ladung. Da die maximale Ladung Qmax des Akkumulators, die ein charakteristischer Wert davon ist, bekannt ist, werden die Ladungsveränderungen in einem Register addiert:
  • Zu jeder Zeit wird der Ladezustand η berechnet:
  • η = 100[1 + ΣΔQi/Qmax], in %.
  • Wenn der Akkumulator eine gründliche bzw. vollständige Entladung erreicht, gilt
  • ΣΔQi = -Qmax
  • η = 100%
  • Wenn der Akkumulator vollständig geladen ist, gilt
  • ΣΔQi = 0
  • η = 100 %
  • und das Register wird auf Null zurückgesetzt.
  • Dieser einfache Vorgang wird leicht ausgeführt durch einen Mikrocontroller, der Berechnungs-, Speicher-, analoge Eingangs/Ausgangs- und Anzeigefunktionen besitzt. Wenn der gemessene Ladezustand niedriger wird als eine vorbestimmte Schwelle, verhindert der Controller zusätzlich die Ausgabe an die Verwendungsschaltung zum Verhindern einer übermäßigen Entladung der Batterie, was dem Akkumulator schaden würde, und zum Aufrechterhalten des Betriebs des Mikrocontrollers und seiner zugehörigen Speicher.
  • Eine Messung des momentanen Verbrauchs wird auf ähnliche Weise durchgeführt durch Messen des Werts der Spannung über den Akkumulator hinweg zu jedem Zeitintervall At und durch Berechnen der Differenz ΔV bezüglich der Spannung, die während des vorhergehenden Zeitintervalls gemessen wurde. Der Wert ΔV/Δt zeigt die Akkumulatorleistung oder den momentanen Verbrauch an.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird auch die restliche Lebensdauer des Akkumulators berechnet. Tatsächlich kann ein Akkumulator einer vorbestimten Anzahl von Ladungsund Entladungszyklen ausgesetzt werden. Er besitzt eine Lebendauer von N vollständigen Zyklen und eine Kapazität gleich N x Qmax.In der Praxis jedoch ist die Messung komplizierter auf Grund der Tatsache, daß es vorkommt, daß der Akkumulator geladen wird, während er noch nicht vollständig entladen ist. Daher verwendet man die oben genannte Messung der Ladungsveränderung (ΔQ = IΔt) zum Messen der Ladungsrate. Die von dem Akkumulator gelieferte Gesamtladung seit seiner ersten Ladung wird in einem Register gespeichert, Q&supmin; =ΣΔQ&supmin;, wobei ΔQ&supmin; = IΔt nur während der Entladeperioden. Die restliche Lebensdauer wird demgemäß ausgedrückt durch:
  • 1 - Q&supmin;/NQmax
  • Die Anzeige in der oben genannten Öffnung 32 kann verwendet werden zum Vorsehen einer Anzeige der restlichen Lebensdauer des Akkumulators.
  • Die Karte gemäß der Erfindung weist einen Verbinder auf, wie er herkömmlicherweise mit Kreditkarten verwendet wird (Verbinder 33 der Fig. 3 und 4.1) und wird leicht angepaßt an Einrichtungen, die Schlitze zur Aufnahme herkömmlicher Kreditkarten besitzen.
  • Bezüglich der Auswahl und der Anordnung der verschiedenen Elemente sind viele Veränderungen und Modifikationen der Erfindung möglich, wie dem Fachmann klar ist.
  • Eine Codiertastatur 34 (Fig. 3 und 4.1) sieht einen kontrollierten Zugriff auf die auf der Karte vorgesehene Quelle oder auf eine externe Quelle vor.
  • Insbesondere ist der Fachmann in der Lage, einen Mikrocontroller mit Speicher- und Anzeigesteuermitteln auszuwählen und zu programmieren, um die oben genannten Funktionen zu erfüllen, beispielsweise den Mikrocontroller µpD75328 GC von Nippon Electric Corp.
  • Zusätzlich bildet die Verbindung mit Fig. 3 offenbarte Anordnung nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Fachmann ist in der Lage, andere Mittel als einen Stapel von drei gedruckten Leiterplatten vorzusehen, um verschiedene Lade- und Meßelemente mit einem Akkumulator, welcher einen Stapel von Flächenelementen oder ebenen Schichten aufweist, in einem Kreditkartenformat anzuordnen bzw. zu assozueren.
  • Zusätzlich wurde das unabhängige bzw. selbständige Akkumulator- und Test-(Bau-)Teil gemäß der Erfindung oben in Verbindung mit einer Selbsttestanwendung offenbart, das heißt, die Testelemente werden verwendet zum Testen des Akkumulators des (Bau-)Teils selbst.
  • Dieses unabhängige (Bau-)Teil zusammen mit der oben genannten Codiertastatur kann auch als Ergänzung zu einer Hauptenergiequelle verwendet werden, und zwar zum:
  • - Einstellen davon,
  • - Überprüfen ihrer Ladungs-, momentanen Verbrauchsund Lebensdauerparameter,
  • - Schutz gegen jegliche betrügerische Verwendung,
  • - Speichern seines Betriebszustands,
  • - Rücksetzen davon...
  • Diese Art der Anwendung erfolgt insbesondere in elektrischen Fahrzeugen, in denen das (Bau-)Teil gemäß der Erfindung verwendet werden kann als Meßgerät für die Hauptbatterien des Fahrzeugs und als ein elektronischer (Kontakt-) Schlüssel.

Claims (9)

1. Unabhängiges, tragbares, elektronisches (Bau-)Teil im Kreditkartenformat, das folgendes aufweist:
mindestens einen Akkumulator (1), der aus einem Stapel Flächenelemente oder ebener Schichten (11, 12) gebildet ist und dessen Oberfläche im wesentlichen gleich der Oberfläche der Kreditkarte ist, mindestens eine Ladeschaltung (2, 4), einen Microcontroller bzw. eine Mikro-Steuervorrichtung, der mit Mitteln zum Messen des positiven oder negativen Stroms (1) in dem Akkumulator in kurzen, regelmäßigen Zeitintervallen (At) und mit Mitteln zum Berechnen, Speichern und Addieren der Ladeabweichungen bzw. -veränderungen (ΔQ = IΔt) assoziiert ist, eine Anzeige der Restzahl möglicher Wiederaufladungen, welche das Ergebnis Q&supmin; der Summe der Ladungsveränderungen während der Entladephasen verwendet und das Ergebnis der Beziehung 1 - Q&supmin;/NQmax anzeigt, und eine Anzeige des Ladeverhältnisses, welche das Ergebnis ΣQi der Addition der Ladungsveränderungen während der Lade- und Entladephasen verwendet und das Ergebnis der Beziehung
η = 100[1+ΣQi/Qmax] in % anzeigt,
wobei Qmax den vorbestimmten Wert der maximalen Ladung des Akkumulators bezeichnet und N den vorbestimmten Wert der maximalen Zahl vollständiger Wiederaufladungen bezeichnet.
2. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Anzeige des momentanen Verbrauchs aufweist, die mit Mitteln zum Messen der Spannungsabweichung bzw. -veränderung (ΔV) in den regelmäßigen Zeitintervallen (At) assoziiert ist.
3. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator ein Polymer-Festkörper-Elektrolyt- Akkumulator aus dünnen Schichten mit einer Dicke von 1 bis 500 Mikrometern ist.
4. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine seiner Außenseiten eine Solarzellenanordnung aufweist.
5. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine seiner Außenseiten eine Elektroden- bzw. Kontaktfläche für Wiederaufladung, Verwendung und Austausch von Daten aufweist, und zwar in der geometrischen Standardform für Kreditkarten.
6. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es über der Flächenelement- bzw. Schichtanordnung (11, 12), die den Akkumulator bildet, mindestens eine Chipkarte bzw. gedruckte Leiterplatte (21, 22, 23) aufweist, wobei mindestens eine dieser Karten bzw. Leiterplatten mit Öffnungen (24, 25, 26) versehen st, in denen mindestens einige der elektronischen Schaltungselemente aufgenommen sind, die notwendig sind für die Funktion des (Bau-)Teils, und wobei die oberste Karte bzw. Leiterplatte (23) mit Öffnungen (29-32) versehen ist, in denen die Zustandsanzeigen von außen sichtbar bzw. ablesbar aufgenommen sind.
7. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zum Verbinden der Zustandsanzeigen mit einer externen Batterie aufweist.
8. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Kodierungstastatur aufweist, die Mittel zum Bestimmen des Zugriffs auf eine interne Versorgungsquelle oder eine externe Versorgungsquelle steuert bzw. kontrolliert.
9. Teil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Mittel zum Sperren der Ausgabe des Akkumulators aufweist, wenn sein Ladezustand unterhalb einer vorbestimmten Schwelle ist.
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