JP2020145918A - バッテリー駆動の家電製品およびバッテリー充電ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーの充電する際に中断なしにかつ非常に長時間の使用操作が実行可能であり、同時にバッテリーユニットの可能な限り長い耐用寿命を実現することが可能となる家電製品及び充電ステーションを提供する。【解決手段】家電製品１、充電ステーション１０及び複数のバッテリーユニット２、３を備えるシステムであって、充電ステーション制御部１１、家電製品制御部１２、バッテリーユニット制御部、ベースステーション制御部１４、コンピュータ制御部１５により、充電ステーション１０に接続されたバッテリーユニット２を、家電製品１が使用操作を行うために家電製品１のコネクタ１８に接続されたバッテリーユニット３の放電状態に応じて充電して行く。【選択図】図１

Description

本発明は、家電製品、充電ステーション及びいくつかのバッテリーユニットを備えるシステム、ならびに家電製品及び充電ユニットに関する。

再充電可能なバッテリーを電源とするバッテリー駆動掃除機などの家電製品は、その使用がバッテリー寿命によって制限されるという欠点を有する。この理由により、大規模な中断なしに使用操作を継続可能とするため、しばしば交換バッテリーが設けられる。使用中のバッテリーが空になったら、この空のバッテリーは、充電ステーション内で充電され、充電状態で保持されていた完全に充電された交換バッテリーと即座に交換される。最初に挿入された放電済みのバッテリーは、充電ステーションに接続されて充電される。大きなアパートを掃除する場合などの、長時間の使用操作中には、使用プロセスが完了する前に交換バッテリーが切れる可能性がある。この場合、最初に使っていたバッテリーが充電ステーションから取り外され、家電製品内の交換バッテリーと交換され、交換バッテリーが再び充電ステーションに接続されて充電される。この時点では、通常、最初に使われていたバッテリーは部分的にしか充電されていないので、上述したバッテリー交換プロセスは、最終的に双方のバッテリーがほぼ空になるまでより短い間隔で繰り返されることになり、使用プロセスは少なくとも一方のバッテリーが再び完全に充電されるまで停止されなくてはならない。

現在のところ、この課題は、例えば家電製品に電源ケーブル用の緊急接続部を設けることで解決される。しかしながら、この手段では、邪魔なケーブル又は近くのソケットが不要であるというバッテリー動作の利点が失われることになる。別の解決方法は、より多くの数のスペアバッテリーと、これらのスペアバッテリー用の充電ステーションとを設けることである。一方、この方法ではコストが増大し、また他方、これらの交換バッテリーの多くはほぼ完全に充電された状態に保たれ、これによりバッテリーの寿命が短くなる。最後の、まれにしか使われない交換バッテリーが特に長時間の使用操作で使われると、そのバッテリー寿命はしばしば非常に短いものとなる。

上述の課題のため、いわゆる短時間充電（ｑｕｉｃｋｃｈａｒｇｉｎｇ）が可能でバッテリーの充電時間を低減できる充電ステーションがますます用いられることになっている。しかし、このような急速充電（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｃｈａｒｇｉｎｇ）は通常充電と比べてバッテリーにダメージを与え、バッテリー寿命をより短くすることになる可能性がある。

先行技術から公知の上述の特徴は、下記の本発明の目的及び実施形態と個別にまたは合わせて組み合わせ可能である。

本発明の課題は、上述の課題に対するより良い解決方法を提供することである。

主請求項に記載のシステム並びに追加請求項に記載の家電製品及び充電ステーションがこの課題を解決するのに役立つ。有利な実施形態が従属項から得られる。

家電製品、充電ステーション及び複数のバッテリーユニット（再充電可能なバッテリーユニット）を有するシステムがこの課題を解決するのに用いられる。このシステムは、充電ステーションに接続されたバッテリーユニットが、当該家電製品が使用操作を行うために家電製品に接続されたバッテリーユニットの放電に応じて充電可能となるように構成される制御部を含む。

本発明では、家電製品を連続して使用する必要がある場合にのみ、バッテリーユニットが急速に充電されることが有利である。したがって、通常時はバッテリーユニットを普通に、またはより低速で、したがって特に緩やかに充電することが可能である。したがって、急速充電は、バッテリーユニットが充電ステーションで完全に充電されておらず、家電製品が同時に動作している場合、すなわち電力が消費されている場合にのみ行われるのが好ましい。全体的に見て、長いバッテリー寿命を実現可能であり、同時に家電製品の純粋にバッテリーによる駆動を可能な限り連続的に確保可能である。

したがって、バッテリーにより駆動される家電製品の動作即応性が向上し、家電製品を事実上無限の期間使用してバッテリーユニットによる使用操作を実行することが可能となる。

事実上無限の期間の使用とは、不要な充電のための中断なしに、バッテリーユニットを交換するための短時間の中断のみによる、基本的に無制限の、連続的なバッテリーユニットによる家電製品の動作を意味する。二つのバッテリーユニットのみ、または少なくとも著しく少ない数のバッテリーユニットのみにより、バッテリーを再充電するための邪魔な中断なしに非常に長時間の使用操作を実現可能であり、同時に（耐用寿命が尽きたら交換しなくてはならないが）バッテリーユニットの可能な限り長い耐用寿命を実現することが可能となる。

したがって、家電製品には外部電源に接続するための装置を省略することができる。特に、このシステムは、厳密に二つまたは三つのバッテリーユニットを備える。この家電製品は、家電製品を動作させる電気エネルギーがバッテリーユニットによってのみ供給可能なように設定されるのが好ましい。外部電源への接続部を設けて家電製品に接続されたバッテリーユニットを充電するようにしてもよい。一つの構成では、家電製品用にベースステーションが設けられる。この場合、家電製品に接続されるバッテリーユニットは、家電製品をこのベースステーションに接続することによって充電可能である。このベースステーションは外部電源に接続される。一つの構成では、このベースステーションはベースステーション制御部を備える。

家電製品は、例えば、家庭用掃除機、家庭用調理器、家庭用ミシン又は家庭用コードレスねじ回し機などのＤＩＹ用工具である。使用操作は、例えば、住居又は住居の床の掃除、食事又は飲み物の自動又は半自動調理、又は家の修理又は建築操作である。使用操作は連続的な工程である。使用操作は、休止期間により中断される可能性があるが、これは放電されたバッテリーにより生じるものではない。

充電ステーションは、家電製品とは独立した、充電ステーションに接続されたバッテリーユニットを充電するための装置である。この充電ステーションは外部電源に接続される。外部電源は、例えば、電源ケーブルにより導通しても良いソケットを介して電気エネルギーを提供する。一つの構成では、この充電ステーションは充電ステーション制御部を備える。

バッテリーユニットは、単一のバッテリーでも、いくつかのバッテリーを備えるバッテリーパックであってもよい。家電製品を動作させるバッテリーユニットは、家電製品に電力を供給可能である。一つの構成では、このバッテリーユニットは、バッテリーユニット制御部、特にいわゆるバッテリー管理システム（ＢＭＳ）を備える。家電製品又は充電ステーションに接続されるバッテリーユニットは、家電製品のバッテリーユニット又は充電ステーションのバッテリーユニットと呼んでもよい。バッテリー寿命は、家電製品に接続されたバッテリーユニットが電気エネルギーを家電製品に供給可能な最長期間であり、家電製品の定常基準電力がバッテリー寿命の比較の基礎として用いられる。バッテリーユニットが放電され、空になり、又は消耗するのは、所定の放電下限に達したときである。バッテリーユニットが完全に充電されるとは、充電状態が所定の充電上限に対応したときである。放電下限及び充電上限の双方は、一般に技術的に可能な下限及び上限の最も外側ではなく、製造業者によるバッテリーユニット保護のための仕様であったり、あるいは一つの構成では製造業者の仕様に沿って制御部により上限と下限との間で設定されるものである。特に、複数のバッテリーユニットは構造上同一である。このシステムは、厳密に二つまたは三つのバッテリーユニットを備えるのが好ましい。原理的に、例えば特に高い電力を要する使用操作又は家電製品について、一つ以上の追加バッテリーユニットを設けてもよい。バッテリーユニットの耐用寿命とは、最大利用容量又はバッテリーの出荷時の状態から耐用寿命の終わりまでの充電及び放電サイクル数を意味する。耐用寿命が終わりになるのは、例えば、出荷時の状態に比べて８０％の技術的に利用可能な最大容量しかなくなった場合、又は所定の回数、例えば千回の充電／放電サイクルが行われた場合である。利用可能な最大容量は、制御部によって制限するよう影響されない状態で、バッテリーを最大に充電し、家電製品の電源を入れてバッテリーユニットが放電したために家電製品が動作を停止するまでの時間を測定することによって決定可能である。バッテリーユニットが経年劣化するのにつれ、利用可能な最大容量（以下、「充電容量」）は、経年劣化の結果として減少する。充電状態とは、現在充電され、したがって利用可能な最大利用可能容量の割合を意味する。

放電とは、数値によって特定可能な変数である。バッテリーユニットの放電に応じた充電は、制御部が放電を示す入力変数を充電プロセスを制御するのに用いられる出力変数に変換するアルゴリズムを備えることを意味する。

一つの実施形態において、この制御部は、充電ステーションに接続された充電ステーションのバッテリーユニットが、当該家電製品が使用操作を行うために家電製品に接続された家電製品のバッテリーユニットの放電に応じた充電量まで充電可能となるように構成される。これは、バッテリーユニットの交換後、この充電量まで充電されたバッテリーユニットは、交換されたバッテリーユニットと同じ程度まで放電可能であることを意味する。具体的に、この充電量は損失補償を含んでもよい。放電は、ゼロよりも大きい絶対値である。二つのバッテリーユニットは、例えば電力又は充電状態の変化に関して、反対方向の挙動をとる。

損失補償とは発生しうるエネルギー損失を補償するためのゼロよりも大きな値である。家電製品のバッテリーユニットが特定のエネルギーだけ放電した場合、これに対して充電ステーションのバッテリーユニットは、同じ特定のエネルギーだけ充電され、最終的に家電製品のバッテリーユニットは充電ステーションのバッテリーユニットによって交換され、全体のプロセスにわたるエネルギー損失により差が生じうる。例えば、家電製品としての掃除機のバッテリーユニットが、例えば４００Ｗの使用操作で放電し、充電ステーションのバッテリーユニットも４００Ｗで充電される場合、バッテリーユニットが交換された後、例えば１００Ｗの全電力損失が生じうる。上記の例では１００Ｗに上る損失補償を設けることにより、特に信頼性をもって一時的に無制限の使用期間を実現可能となる。具体的に、損失補償は電力損失の補償である。一つの構成では、この損失補償は制御部に固定パラメータとして、好ましくは放電に対する割合として記憶され、及び／又は好ましくは制御部により、現在又は過去の使用操作中の測定値に基づき決定される。一つの構成では、この損失補償は、例えば現在の充電容量、現在の内部抵抗、現在の充電状態及び／又は家電製品及び／又は充電ステーションのバッテリーユニットの種類に応じて決定され、又は（例えばルックアップテーブルを介して）記憶されたパラメータ値から適切に選択される。室温及び／又は現在の掃除機の動力レベル等の家電製品の設定を、温度損失又は損失補償を決定する際に考慮に入れてもよい。

一つの実施形態において、この制御部は、充電ステーションのバッテリーユニットが、使用操作の実行中のバッテリーユニットの放電に応じた、又は使用操作の実行中のバッテリーユニットの放電と家電製品のバッテリーユニットが放電するまでの損失補償との和に等しい充電量まで充電可能なように構成される。したがって、充電量は、放電と場合により損失とに応じて必要とされる充電量である。充電ステーションのバッテリーユニットがすでに完全に充電されている場合、充電はこれに応じて低速となり、バッテリーユニットが放電している場合、充電はこれに応じて高速となる。これによりバッテリーユニットの耐用寿命を延ばすことができる。充電ステーションのバッテリーユニットが放電済の家電製品のバッテリーユニットと交換された後、ユーザは以前に交換されたバッテリーユニットのバッテリー寿命と同様のバッテリー寿命で使用操作の実行を続けることができる。ユーザは、バッテリー寿命を評価可能であることが好ましい。一つの構成では、（交換）バッテリーユニットの充電時間は、これから交換されるバッテリーユニットの放電時間と等しい。

一つの実施形態では、充電ステーションでは二種類の、好ましくは三種類又は四種類の異なる充電速度で充電可能である。具体的に、充電は低速、通常、又は急速であってよい。急速充電とは、通常よりも高速、非常に、又は過度に高速な充電速度での充電を意味する。一つの構成における急速充電とは、技術用語で「高速充電（ｆａｓｔｃｈａｒｇｉｎｇ）」と呼ばれる充電である。一つの構成において、通常充電速度での充電とは、標準充電速度、すなわち「高速充電」でない充電を指す。これにより、充電ステーションのバッテリーユニットの充電速度を、（好ましくは損失補償を考慮に入れて）同時に動作中の家電製品のバッテリーユニットの放電速度と合わせることが可能となる。さらに、この他に、充電をより低い充電速度、すなわち通常充電速度よりも低速で実行することも可能である。これにより、さもなければ必要となるであろう追加のバッテリーユニットを設ける必要がなくなる。技術的理由により、例えば１０％に上るずれが理論上同じとされる速度において生じうる。異なる充電速度を、バッテリーユニット及び／又はバッテリーの種類に応じて異なる形で定めることができる。

一つの構成において、システムは、その他の点で同一のバッテリーユニットにおいて充電容量が異なる場合、より大きな充電容量の、したがってより経年劣化の少ないバッテリーユニットのみが、加速した形で可能な最大速度で充電されるよう構成される。急速充電が、より経年劣化の少ないバッテリーユニットよりも、より経年劣化したバッテリーユニットのその後の耐用寿命を偏ってより大きく減少させることから、これにより使用されるバッテリーユニットの耐用寿命を均一にすることができる。これにより、たった一つのバッテリーユニットしか利用可能でない、あるいは、新たなバッテリーユニットを購入することで、家電製品を異なる形で機能するバッテリーにより動作させなくてはならないような事態を防ぐことできる。

一つの実施形態において、充電ステーションとバッテリーユニットとは、急速充電を実行可能となるよう構成され、これにより充電ステーションのバッテリーユニットが連続的に、又は少なくとも事実上連続的に必要な充電量を充電可能とされる。これにより、充電ステーションのバッテリーユニットを充電しつつ、必要とされる充電量に到達するのにちょうど十分な充電速度で充電することが可能となる。したがって、特に効果的にバッテリーユニットの寿命を延ばすことができる。

必要とされる充電量は、放電量中の、特に損失補償を加えた絶対値である。これにより、最大限可能な充電速度での不要な充電を防ぐことができる。

一つの実施形態において、放電は、家電製品によって消費される電力、すなわち、家電製品のバッテリーユニットの放電容量を決定することにより決められる。したがって、放電は非常に容易に決定可能である。電力又は放電容量は、家電製品にバッテリーユニットによって供給されて使用操作を実行するための電流と電圧との積である。一つの実施形態において、この放電容量は、家電製品制御部又はバッテリーユニット制御部によって測定され、判定される。これに加えて、又はこれに代えて、放電は測定された電流、測定された電圧、抽出されたエネルギーの合計量、内部抵抗及び／又は家電製品のバッテリーユニットの充電状態に基づき、又はこれらを考慮して判定されてもよい。この放電の測定及び／又は判定は、家電製品制御部又はバッテリーユニット制御部によって実行されるのが好ましい。特に、充電状態はバッテリーユニットの内部抵抗を測定することによって判定可能である。

一つの実施形態において、放電は電流放電、すなわち、家電製品の動作中の電流値である。したがって、この実施形態によれば、充電ステーションに接続されたバッテリーユニットが、家電製品の動作中に、家電製品を動作させて使用操作を行うために家電製品に接続されたバッテリーユニットの電流放電に応じて充電可能となる。この実施形態では、測定値に応じて充電するために、家電製品中のバッテリーユニットの使用中に連続的に、又は一定時間おきに、単位時間あたり及び／又は一定時間おきにどれくらいの電力が消費されるかが測定される。この実施形態では、充電ステーション中のバッテリーユニット又は一つ以上の充電ステーション中のいくつかのバッテリーユニットを、家電製品の空のバッテリーユニットが十分に充電された充電ステーションのバッテリーユニットと遅滞なく交換可能とされて事実上無限の使用時間を実現可能となるよう特に正確に充電可能とする。充電ステーション中の充電プロセスが電流放電としての家電製品の現在のエネルギー消費を考慮に入れることから、家電製品は、特に信頼性高く無限の時間使用可能となる。

一つの実施形態において、この制御部は、充電ステーションのバッテリーユニットの現在の充電容量（現在の充電電力）が動作中の家電製品のバッテリーユニットの現在の放電容量（現在の放電電力）に対応するか、又は動作中の家電製品のバッテリーユニットの現在の放電容量と電力損失補償との和と等しくなるように、充電ステーションのバッテリーユニットの充電を制御する。このようにして、家電製品の動作即応性を特に信頼性高く実現することができる。

一つの実施形態では、家電製品、好ましくは家電製品制御部、又は家電製品のバッテリーユニット、好ましくはバッテリーユニット制御部が、充電ステーションのバッテリーユニットが現在の放電容量に応じて充電可能となるよう、放電容量を判定及び／又は測定し、判定された放電容量を充電ステーションに送信する。これにより、現在の充電容量をほぼリアルタイムに現在の放電容量に合わせることができる。この種類の同期により、特に信頼性高く連続的に動作即応性を実現可能となる。

一つの構成では、充電ステーションが充電ステーション制御部を備え、家電製品が家電製品制御部を備え、及び／又はバッテリーユニットがバッテリーユニット制御部を備える。これにより、特に効率的なデータ取得及び相乗的なデータリンクが可能となり、事実上無限の仕様を特に信頼性高く実現可能となる。加えて、一つの構成では、ベースステーションに接続された家電製品のバッテリーユニットを充電するベースステーションが設けられてもよい。特に、このベースステーションにはベースステーション制御部が設けられる。別の構成では、外部コンピュータ装置又はこれのインタフェースがシステムに含まれる。特に、この外部コンピュータ装置はコンピュータ制御部を有する。好ましくは、この外部コンピュータ装置は、好ましくはアプリ又はクラウドアプリケーションを有するスマートフォン又はサーバである。

一つの構成では、制御が充電ステーション制御部、家電製品制御部、バッテリーユニット制御部、ベースステーション制御部、及び／又はコンピュータ制御部によって実行される。一つの構成では、制御に用いられる装置は無線及び／又は有線通信インタフェースを備える。

一つの実施形態において、放電は予測された放電、すなわち、予測値である。これにより、充電ステーションに接続されたバッテリーユニットが、当該家電製品が使用操作を行うために家電製品に接続されたバッテリーユニットの予測された放電に応じて充電される。この実施形態では、最小限の技術的努力により、特に簡易なシステムにより事実上無限の期間の使用を実現できる。

一つの実施形態では、予測放電は過去に行われた少なくとも一回の使用操作の放電を測定又は判定することに基づき決定される。これにより、時間のかかるリアルタイムでの記録及び現在の放電の送信が不要となる。過去に行われた使用操作は、住居の床掃除の完了等の完了した、すなわち後続の又は現在の使用操作と重複しないプロセスである。

一つの構成では、過去に行われた使用操作中の放電は、家電製品又はバッテリーユニットによって測定され、又は判定される。一つの実施形態において、家電製品及び／又はバッテリーユニットは、放電、好ましくは経時的な放電履歴についてのデータを記憶する。一つの構成において、家電製品、特に記憶されたデータを有する家電製品制御部は、当該データをバッテリーユニットに、好ましくは有線で送信する。あるいは、家電製品は、家電製品がベースステーションに接続された際に、当該データをベースステーションに送信してもよい。その後、ベースステーションは、当該データを、好ましくは有線で充電ステーションに送るのが好ましい。一つの構成において、バッテリーユニットは放電についての記憶されたデータを、バッテリーユニットが充電ステーションに接続された際に、好ましくは有線で充電ステーションに送信する。

一つの実施形態では、予測放電は過去に行われた少なくとも一回の使用操作の平均放電に対応する。したがって、比較的簡易な、非常に少ない演算能力しか要しない演算方法で予測放電の値、すなわち放電動作に十分に使用可能な放電容量を得るのに十分である。例えば、使用操作中の一時休止は、平均放電容量の低下にもつながり、したがって充電容量が低下する可能性もある。一つの構成において、この平均放電は、一回以上の使用操作中に測定又は判定された平均放電容量である。一つの構成において、平均放電は使用操作が公知の経過時間行われた場合の使用操作毎に引き出されたエネルギー、すなわち、公知の経過時間の使用操作中に引き出されたエネルギーの総量の平均量である。過去の数回の使用操作を平均するのが好ましい。引き出されたエネルギー量から、所定の使用操作についての平均放電、すなわち平均放電容量を決定可能である。一つの構成において、平均放電は、例えば住居の床掃除または住居の壁の掃除機がけ等の、異なる所定の使用操作毎に決定される。具体的に、使用操作は、家電製品の設定により自動的に割り当てられてもよい。

一つの実施形態において、放電容量は現在の放電容量及び予測放電容量に基づき決定される。これにより特に信頼性の高い機能を得ることができる。

一つの実施形態において、家電製品の一つだけのバッテリーユニット、又は一つの家電製品のバッテリーユニットにつき、それぞれただ一つの充電ステーションのバッテリーユニットが家電製品のバッテリーユニットとの交換用に設けられる。追加の交換バッテリーユニットが不要となる。一つの実施形態において、家電製品の一つだけのバッテリーユニット、又は一つの家電製品のバッテリーユニットにつきそれぞれ、少なくとも二つのバッテリーユニットが一つの家電製品のバッテリーユニットとの交換用に設けられる。このようにすることで、この少なくとも二つのバッテリーユニットの間で必要な充電量の分配を実現可能である。これにより、急速充電を不要とし、又は少なくすることができる。一つの実施形態において、この少なくとも二つのバッテリーユニットの内の一つのバッテリーユニットのみが充電ステーションに接続される。これにより、簡易な充電ステーションを使用可能となる。一つの実施形態において、この少なくとも二つのバッテリーユニット又はこの少なくとも二つのバッテリーユニットの全てがそれぞれ充電ステーションに、又は一つのみの充電ステーションに接続される。これにより、充電ステーションに接続された個々のバッテリーユニットの状態を評価可能となる。

一つの実施形態において、この制御部は、家電製品のバッテリーユニットの放電がいくつかのバッテリーユニットの間で分割され、これらいくつかのバッテリーユニットが合計で家電製品のバッテリーユニットの放電に応じた充電量に対応する、又は家電製品のバッテリーユニットの放電と損失補償との和に等しくなるように構成される。家電製品のバッテリーユニットが放電済みとなると、このバッテリーユニットはこれらいくつかのバッテリーユニットの少なくとも一つと交換可能である。これにより、充電プロセス中及び家電製品中での使用の選択中の個々のバッテリーユニットの各々の状態を考慮に入れることができる。具体的に、充電ステーション、家電製品又は制御部がバッテリーユニットのシステム基本情報、システム状態情報、バッテリーユニット基本情報及び／又はバッテリーユニットのバッテリーユニット状態情報を受け取り又は判定する。充電ステーションのバッテリーユニットの充電制御及び／又は充電して動作中の家電製品のバッテリーユニットと交換されるバッテリーユニットの選択は、上述の四種類の情報の少なくとも一つに応じて行われるのが好ましい。具体的に、システム基本情報、システム状態情報、バッテリーユニット基本情報及び／又はバッテリーユニット状態情報は、バッテリーユニットメモリ中に記憶されてもよい。

バッテリーユニット基本情報は、バッテリーユニットの製造業者からの出荷時の充電容量、最大充電電流、製造業者からの出荷時の最大充電電圧及び／又はバッテリーユニットの種類、すなわちバッテリーユニット中で用いられたバッテリー材料（ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）又はリチウムイオンポリマー（Ｌｉ−Ｉｏｎ−Ｐｏｌｙ）等）を含む。バッテリーユニット状態情報はバッテリーユニットの現在充電状態、現在の充電容量、現在の充電電流、現在の充電電圧及び／又はバッテリーユニットの現在の内部抵抗を含む。一つの構成では、周囲温度が測定される。こうすることで、充電容量が温度低下に伴い減少することから、周囲温度との関連で充電容量を決定して特に正確なものとすることができる。システム基本情報は、システムに含まれる全てのバッテリーユニットの総数、及び／又は家電製品及び／又は少なくとも一つの充電ステーションのバッテリーユニットの接続部の数を含む。システム状態情報は、全てのバッテリーユニットの全充電状態、すなわち使用中のバッテリーユニット及び家電製品に接続されないバッテリーユニットを含む当該システムの全てのバッテリーユニット中に現在蓄えられたエネルギーの総量を含む。

一つの構成では、放電は同時に二つのバッテリーユニット間で分割される。すなわち、二つのバッテリーユニットが同時に充電される一方、家電製品のバッテリーユニットでは放電され、これが放電済みとなった後、二つのバッテリーユニットと交換される。したがって、この構成によれば、動作中のバッテリーユニットが二つのバッテリーユニットと交換される。例えば、大きな充電容量を有するバッテリーユニットを、経年劣化に関連して低い充電容量をそれぞれ有する二つの交換バッテリーと交換可能である。一つの構成では、家電製品は追加の接続ポイントを備え、これにより交換のため取り外された家電製品のバッテリーユニットについて、一つ又は二つのバッテリーユニットをそれぞれ家電製品に接続して取り外されたバッテリーユニットの代わりとすることができる。一つのバッテリーユニットが二つのバッテリーユニットと交換された後、家電製品に接続された二つのバッテリーユニットは、ただ一つのバッテリーユニットと交換され、一つの接続ポイントが再び空いたままになるのが好ましい。

一つの構成では、放電は二つのバッテリーユニットの間で時間的に連続した形で分割される。例えば、家電製品の一つのバッテリーユニットが大きな充電容量を有し、いくつかのバッテリーユニットが少ない充電容量を有する場合、家電製品のバッテリーユニットをまず少ない充電容量を有する完全に充電されたバッテリーユニットと交換し、異なる充電容量との差をより大きな充電容量で充電される次のバッテリーユニットに追加してもよい。

一つの構成では、充電上限及び／又は放電下限が制御部によって、好ましくは各放電−充電サイクル及び／又は各バッテリーユニットについて設定及び／又は記憶される。このようにして、バッテリーユニットの耐用寿命が延びる。加えて、いくつかのバッテリーユニットに時間的に連続的に放電を分配することを単純化できる。一つの構成では、充電上限及び／又は放電下限は、判定された損失及び／又は損失補償に応じて、現在の充電状態に応じて、現在の充電容量に応じて、及び／又は周囲温度に応じて設定される。現在の充電状態を考慮することで、例えば、すでにほぼ完全に充電されたバッテリーユニットをより遅く、かつ空のバッテリーユニットをより早く充電することにより、バッテリーユニットの耐用寿命を延ばすことができる。現在の充電容量を考慮することで、例えば、一つの構成では、より少ない現在の充電容量を有するバッテリーユニットについて放電下限を上げることにより、充電上限及び／又は放電下限を経年劣化に関連するバッテリーユニットの充電容量の差を補償するように適切に設定することが可能となる。周囲温度を考慮に入れることは、現在の充電容量を補正し、及び／又は損失を補償するのに使うことができる。例えば、より高い温度では、損失が減少し、したがってより多くの量のエネルギーを引き出すことができる。一つの実施形態では、より経年劣化したバッテリーユニットには、より新しいより経年劣化していないバッテリーユニットよりも緩やかに充電される。具体的に、充電上限又は放電下限に代えて又はこれに加えて、充電電流又は充電電圧を調整可能である。このようにすることで、バッテリーユニットの経年劣化を制御可能であり、バッテリーユニットの耐用寿命が延びる。

一つの実施形態では、充電ステーション内のバッテリーユニットが充電上限に達したとき、すなわち完全に充電されたとき、ユーザは挿入されたバッテリーユニットを充電ステーション内のバッテリーユニットと交換するよう求められる。このようにすることで、充電ステーション内の完全に充電されたバッテリーユニットの寿命を縮める保存（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ）を防ぐことができる。

本発明の別の側面は、家電製品、特に上述のシステム用の家電製品に関する。家電製品は、家電製品を動作させるユーザにより交換可能なバッテリーユニットと、家電製品を制御する家電製品制御部とを備える。この家電製品は、バッテリーユニットの放電が家電製品制御部、及び／又はバッテリーユニットのバッテリーユニット制御部により決定され、及び／又は充電ステーション又は制御部に使用操作の実行中に送信されるように構成される。放電、すなわち放電容量を決定することで、充電ステーション内のバッテリーユニットを充電するための入力変数が得られ、これにより事実上無限の使用期間が可能となる。送信することで、特に簡易なシステムを形成して事実上無限の使用期間が実現可能となる。送信は、リアルタイムで決定後に即時に行われても、中間記憶装置を介して使用操作の完了後に行われてもよい。定義、要素及び実施形態を含む最初に記載した課題を解決するためのシステムの説明の内容は、この発明の側面にも当てはまる。

本発明の別の側面は、充電ステーション、特に上述のシステム用の家電製品用の、すなわち家電製品に接続され家電製品を動作させるよう構成されるバッテリーユニットを充電するための充電ステーションに関する。この充電ステーションは、入力変数、具体的に家電製品のバッテリーユニットの放電、すなわち放電容量を受け取り、充電ステーションに接続されたバッテリーユニットを入力変数に応じて充電可能となるよう構成される。定義、要素及び実施形態を含む最初に記載した課題を解決するためのシステムの説明の内容は、この発明の側面にも当てはまる。

以下では、本発明の例示的実装が図面を使ってより詳細に説明される。実施例の要素は、特に記載がない限り、クレームされた要素と個別に、又は複数組み合わせてよい。クレームされる保護範囲は、例示的実装形態に限られない。図面は、以下を示す。

充電ステーション及び家電製品の模式図。 無線通信の模式図。 バッテリーユニットの模式図。 充電及び放電プロセスの模式図。

図１はバッテリーユニット２、３によって動作させることのできる家電製品１としての掃除機の例を示す。バッテリーユニット３は、ユーザにより家電製品１のコネクタ１８に接続され、手で交換可能である。表面６をきれいにするため、交換可能な前面装着器具を介して、吸入路４を通して家電製品１のブロワ５により表面６からちりを吸入可能である。家電製品１の動作中に、バッテリーユニット２、すなわち交換バッテリーユニットを遠隔充電ステーション１０によって充電可能である。充電ステーション１０は充電ステーション制御部１１を備えコンセントを介して外部電源に接続される。したがって、充電ステーション１０は、固定ユニットとして一般に動作し、一方、家電製品１は外部電源と独立した可動ユニットとして動作可能である。使用操作（ここでは、表面６の掃除）の完了後、家電製品１はベースステーション制御部１４を有するオプションとしてのベースステーション９に接続可能であり、このベースステーション９で家電製品１のバッテリーユニット３を家電製品１の電源ラインを介して充電可能である。コンピュータ制御部１５を有する外部コンピュータ装置７がオプションとして設けられ、ユーザにユーザインタフェースを提供し、かつ／又はバッテリーユニット２、３の充電を制御する。家電製品１には家電製品制御部１２が備えられる。

図２は、図１に示す例示的実装形態に加えて、充電ステーション制御部１１と家電製品制御部１２との間のデータ交換用無線接続１９を図示する例示的実装形態を示す。バッテリーユニット３の現在の放電は、好ましくはリアルタイムに家電製品１から充電ステーション１０に送信される。一つの構成では、バッテリーユニット制御部１３（図３参照）、ベースステーション制御部１４及び／又はコンピュータ制御部１５が無線によるデータ交換可能に構成される。このようにしていくつかの製品によって決定されたデータをリンクすることで、例えばいくつかのバッテリーユニット２、３から充電するのに特に適したバッテリーユニット２を選択し、及び／又は空のバッテリーユニットと交換するのに特に適したバッテリーユニット２をユーザに示すことができる。

図３は、少なくとも一つのバッテリー１６とバッテリーユニット制御部１３とを備えるバッテリーユニット２、３を示す。一つの構成では、充電ステーション１０のバッテリーユニット２が完全に充電され、及び／又は家電製品１のバッテリーユニット３を交換する充電リミットに達したときに充電が停止される。充電が停止されると、家電製品１又は充電ステーション１０のバッテリーユニット２、３を介して、充電ステーション１０、ベースステーション９、家電製品１又は外部コンピュータ装置７を介して、好ましくはユーザにバッテリーユニット２を交換すべきことの指示ないし助言とともに、充電停止が表示又は音でユーザに報知される。

図４は、家電製品１のバッテリーユニット３の放電曲線、及び充電ステーション１０のバッテリーユニット２の対応する充電曲線の簡単な例である。図４の二つのバッテリーユニット２、３の曲線を比較してわかるように、充電状態の変化は互いに逆である。同じことが放電容量及び充電容量の曲線（図示略）にも当てはまる。簡略化するため、これらの曲線は直線形状で示される。実際には、放電容量、したがってバッテリーユニット３の充電状態の変化は、家電製品１の使用中に時間ｔにわたり、場合により著しく変わる。掃除機の場合、放電容量は、例えば、平坦な床からカーペットに移るとき、及びより高いパワーレベルに切り替えられるときに増大する。したがって、このときバッテリーユニット３の充電状態Ｃ_Ｏはより急速に低下する。双方の曲線は、時間ｔを軸とした放電−充電サイクルを示す上記図４が示すように、家電製品１のバッテリーユニット３の充電状態Ｃ_Ｏは、放電期間ｔ_０からｔ_１に、使用操作のために家電製品１に電気エネルギーを供給した結果、バッテリーユニット３の以前の充電時間の充電上限として設定されるのが好ましい充電状態Ｃ_Ａから、充電状態Ｃ_Ｅに低下する。充電上限は、充電状態８０％のＣ_８０％の以下であるのが好ましい。充電状態Ｃ_Ｅは０％の充電状態Ｃ_０％よりも大きい固定された放電下限であるのが好ましい。充電期間ｔ_０からｔ_１は、同じ放電−充電サイクルの放電期間と同じ長さ、及び／又は同時であるのが好ましい。示された放電−充電サイクルの充電期間中、充電ステーション１０のバッテリーユニット２の充電状態Ｃ_Ｉは、バッテリーユニット３の充電状態Ｃ_Ｏが低下するのにつれて上昇する。この目的のため、バッテリーユニット２は、バッテリーユニット３の放電容量と損失補償との和と等しい充電容量になるよう充電される。現在の放電容量が非常に高く、通常の充電速度では現在の放電容量と損失補償との和に応じた必要となる充電容量に達するのに十分でない場合、時間ｔ_２でその時に放電済みのバッテリーユニット３が以前に充電されていた充電状態Ｃ_Ａに常に達するよう一時的に充電を加速してもよい。現在の放電容量が相応して低い場合、又はバッテリーユニット２が充電ステーション１０に部分的に充電された状態で接続されていた場合、充電を低い充電速度で行ってもよい。

一つの実施形態では、バッテリーユニット制御部１３は、ＢＭＳとも略称されるバッテリー管理システムである。これにより、バッテリーユニットの現在の充電状態、現在の充電容量、周囲温度及び／又はバッテリー温度を信頼性高く測定することができる。ＢＭＳはバッテリーユニットに一体化されるのが好ましい。一つの構成では、バッテリーユニット２、３は、ＢＭＳに加えて、例えばフラッシュメモリ等の追加のメモリー、及び／又は（追加）電力測定装置を有する。

一つの実施形態では、放電容量を測定して充電状態、又は充電及び放電プロセスを説明及び／又は特徴付けるために電流、電圧、及び／又は内部抵抗が測定又は判定される。一つの構成では、電磁的又は静電的な変数も、磁束、電磁力、クーロン力、ローレンツ力、電磁束密度等の充電状態を決定するのに用いられる。

一つの実施形態では、バッテリーユニット制御部１３の保護電気ユニット内に現在の電圧、すなわち電圧曲線、並びに現在のアンペア数（電流）、すなわち、アンペア（電流）曲線が常に記録される。これにより、放電容量の性能判定をバッテリーユニット制御部１３により時間に沿って行うことができる。放電容量（時間に沿った履歴）、平均放電容量又は、最後の使用操作で引き出されたエネルギー量、抵抗、又は過去の使用操作での放電プロファイルでの過去の充電状態の変化の比較が行われるのが好ましい。これにより、統計的な評価及び最適化された充電制御が、予期された放電容量（時間に沿った履歴）、平均放電容量、又は次のサイクルについて必要となるエネルギー量の推定値に基づき可能となる。これにより、必要となるであろう放電容量（時間に沿った履歴）、平均放電容量又は必要となるエネルギー量を決定し、充電プロセスを制御するのに使用可能である。

一つの構成では、ユーザは必要時に、例えば、アプリ又は家電製品又はベースステーション９上のスイッチの選択により、挿入されたバッテリーユニット３の放電に応じてバッテリーユニット２を充電する上述の機能を起動したり起動しないようにしたりすることが可能である。この構成をアクティブにするか否かは、家電製品、バッテリーユニット２、３、ベースステーション９又は、表示部、例えばＬＥＤ１７を介してコンピュータ装置７上に、又はアプリ中でユーザに示されてもよい。

Claims (15)

1. 家電製品（１）と、充電ステーション（１０）と、複数のバッテリーユニット（２、３）とを備えるシステムであって、前記充電ステーション（１０）に接続されたバッテリーユニット（２）が、前記家電製品（１）に使用操作を行うよう動作させるために前記家電製品（１）に接続されたバッテリーユニット（３）の放電に応じて充電可能となるように制御部（１１、１２、１３、１４、１５）が構成されることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、前記充電ステーション（１０）に接続された前記充電ステーション（１０）のバッテリーユニット（２）が、前記家電製品（１）に使用操作を行うよう動作せるために前記家電製品（１）に接続された前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（２）の放電に応じた充電量まで充電可能となるように構成されることを特徴とするシステム。
3. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、前記充電ステーション（１０）の前記バッテリーユニット（２）が、前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（３）が放電されるまで、前記使用操作の実行中の前記バッテリーユニット（３）の放電と損失補償との和に等しい充電量まで充電可能であるように構成されることを特徴とするシステム。
4. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記充電ステーション（１０）と前記バッテリーユニット（２、３）とは、充電が少なくとも二つの異なる充電速度で実行可能であるよう構成されることを特徴とするシステム。
5. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、前記充電ステーション（１０）の前記バッテリーユニット（２）の現在の充電容量が動作中の前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（３）の現在の放電容量と電力損失の補償との和と等しくなるように、前記充電ステーション（１０）の前記バッテリーユニット（２）の充電を制御可能であることを特徴とするシステム。
6. 前記請求項のいずれかに記載のシステムにおいて、前記充電ステーション（１０）の前記バッテリーユニット（２）が前記現在の放電容量に応じて充電可能となるように、前記家電製品（１）又は前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（３）が前記現在の放電容量を判定し、判定された前記放電容量を前記充電ステーション（１０）に送信することを特徴とするシステム。
7. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記放電は予測放電であることを特徴とするシステム。
8. 前記請求項のいずれかに記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、前記予測放電が過去に行われた少なくとも一回の使用操作の放電を測定することに基づき決定されるよう構成されることを特徴とするシステム。
9. 前記請求項に記載のシステムにおいて、前記予測放電は過去に行われた少なくとも一回の使用操作の平均放電に対応することを特徴とするシステム。
10. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記家電製品（１）の一つだけのバッテリーユニット（３）につき、前記充電ステーション（１０）の一つだけのバッテリーユニット（２）又は少なくとも二つのバッテリーユニット（２）が前記家電製品（１）の前記一つのバッテリーユニット（３）との交換用に設けられることを特徴とするシステム。
11. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記複数のバッテリーユニット（２）が合計で、前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（３）の放電に対応する充電量まで充電されるよう前記家電製品（１）の前記バッテリーユニット（３）の放電が複数のバッテリーユニット（２）に分割可能となるよう前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）が構成されることを特徴とするシステム。
12. 前記請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、充電上限（Ｃ_Ａ）及び／又は放電下限（Ｃ_Ｅ）が前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）により設定及び／又は記憶されるように構成されることを特徴とするシステム。
13. 前記請求項に記載のシステムにおいて、前記制御部（１１、１２、１３、１４、１５）は、前記充電ステーション（１０）の前記バッテリーユニット（２）が前記充電上限（Ｃ_Ａ）に達したとき、前記ユーザが前記挿入されたバッテリーユニット（３）を前記充電ステーション（１０）内の前記バッテリーユニット（２）と交換するよう求められるよう構成されることを特徴とするシステム。
14. 家電製品（１）であって、前記家電製品（１）を動作させるユーザが交換可能なバッテリーユニット（３）と前記家電製品（１）を制御する家電製品制御部（１２）とを備え、前記家電製品（１）は、前記バッテリーユニット（３）の放電が前記家電製品制御部（１２）又は前記バッテリーユニット（３）のバッテリーユニット制御部（１３）によって決定可能とされ、使用操作の実行中に充電ステーション（１０）に送信可能となるよう構成されることを特徴とする家電製品。
15. 家電製品（１）用のバッテリーユニット（２）を充電する充電ステーション（１０）であって、前記充電ステーション（１０）は入力変数、特に家電製品（１）のバッテリーユニット（３）の放電を受け取り、前記充電ステーション（１０）に接続されたバッテリーユニット（２）を前記入力変数に応じて充電可能となるよう構成されることを特徴とする充電ステーション。

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