WO2003015237A1 - Energiespeichervorrichtung - Google Patents

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WO2003015237A1
WO2003015237A1 PCT/EP2002/008660 EP0208660W WO03015237A1 WO 2003015237 A1 WO2003015237 A1 WO 2003015237A1 EP 0208660 W EP0208660 W EP 0208660W WO 03015237 A1 WO03015237 A1 WO 03015237A1
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WO
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energy storage
storage device
voltage
voltage converter
power
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/008660
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Heuberger
Martin MÄRZ
Heiner Ryssel
Karl-Heinz Pettinger
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to DE10293585T priority Critical patent/DE10293585B4/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device for supplying a device with electrical power and to a device or a device in which the energy storage device can be used.
  • the specific range of the output voltage of an accumulator is in the rarest of cases compatible with the voltage requirements of an electronic circuit or a device which is to be supplied with electrical power by the accumulator.
  • the Li-ion batteries which are widely used because of their high power density and high charge density, have an output voltage between 4.2 V (final charge voltage) and 3.0 V (minimum discharge voltage)
  • a direct supply of circuits from an accumulator is therefore not possible in most cases.
  • a device or an electronic circuit of a device is designed for the specific output voltage range of a specific battery type. If a user later wants to convert to a new, improved battery system, this is usually not possible because the output voltage range of the new battery system is not compatible with the output voltage range of the battery system for which the device is designed.
  • a voltage converter for example a linear regulator or a clocked direct voltage converter (DC / DC converter), is used to generate the nominal supply voltage of a device from the (variable within the specific range) output voltage of an energy store, in particular an accumulator or a battery the energy store and the electronic circuit to be supplied with electrical power by the energy store is switched.
  • the voltage converter is part of the device and usually located close to the load or the circuit to be supplied. This has the advantage that ohmic and inductive voltage drops within the supply line are easily corrected by the voltage converter and the voltage corresponding to the requirements of the circuit can be precisely maintained.
  • DE 19928809 AI describes an energy supply unit or energy station for supplying battery-powered small devices with different supply voltages and connection devices, which includes solar cells, accumulators and a voltage converter.
  • the energy- The station is intended to supply electrical power to a device via a device-specific adapter cable.
  • the device-specific adapter cable comprises an electronic component group for generating an individual programming signal, which is detected by a switching control unit on the voltage converter when the adapter cable is coupled to the energy station and is accordingly converted via the voltage converter into a setting of the output variables to be provided.
  • the adapter cable also includes a device-specific output connector for the device.
  • the component group comprises, in particular, two resistors which engage in or modify a voltage divider in the energy station 1.
  • the energy station preferably further comprises a charger control unit to avoid damage by overcharging the batteries.
  • a major disadvantage of this circuit arrangement is that no reliable information about the type and state of charge of the energy store is available to the voltage converter.
  • electrical devices may only be equipped with the accumulators specified by the manufacturer, since only then can the electronic circuit and in particular the voltage converter assume the correct operating parameters.
  • a voltage measurement is carried out on the rechargeable battery by means of one or more sensor lines or touch lines in order to draw conclusions about the state of charge of the rechargeable battery.
  • this voltage only gives inaccurate and unsatisfactory results, since various discharge characteristics of batteries are, among other things, a function of the internal resistance of the cells and the instantaneous load, and are therefore subject to individual scatter and aging effects.
  • the object of the present invention is to provide an energy storage device and a device in which the energy storage device can be used, which in a simple manner creates great flexibility in combining the energy storage device with a device to be supplied with power by the energy storage device.
  • an energy storage device comprises a memory cell with a power output for storing energy, a voltage converter with a power input connected to the power output of the memory cell and with a power output for converting an output voltage of the memory cell into a predetermined voltage, and a housing within which the memory cell and the voltage converter are arranged. Furthermore, the energy storage device according to the invention comprises a power connection which is arranged on the housing and is connected to the power output of the voltage converter.
  • the housing of the energy storage device according to the invention is designed to be inserted into a compartment of a device, the power connection being designed for connection to a power input of the device in order to transmit electrical power to the device.
  • the housing can be part of the memory cell or be identical to a memory cell housing.
  • the power connection of the energy storage device according to the invention is preferably arranged and designed on the housing such that it is connected to the power input of the device when the energy storage device is inserted into the compartment of the device.
  • the energy storage device further comprises a coil which can be coupled to an external alternating electromagnetic field in order to receive power for charging the memory cell.
  • the coil is preferably part of the voltage converter.
  • the voltage converter is also preferably constructed such that the predetermined voltage into which it converts the output voltage of the memory cell is independent of the output voltage of the memory cell if the output voltage of the memory cell lies within a predetermined interval, preferably between the minimum discharge voltage and the end-of-charge voltage ,
  • the predetermined voltage into which the voltage converter converts the output voltage of the memory cell can also preferably be set, the energy storage device receiving a signal via an interface which represents the predetermined voltage to be set.
  • An apparatus comprises a compartment in which an energy storage device with a voltage converter for generating an adjustable predetermined voltage can be inserted, a power input which can be connected to a power connection of the energy storage device in order to receive electrical power from the energy storage device , and an interface for sending a signal representing the predetermined voltage to be set.
  • the present invention is based on the idea of integrating a voltage converter into an accumulator or a battery or into an energy storage device in order to regulate a constant value which is constant during the entire discharge of the accumulator or the battery and which can preferably be set from the outside or selectable output voltage.
  • An output voltage that is constant over the entire discharge time means a great technical advantage, since the electronic circuit supplied with power by the energy storage device or the device supplied with power by the energy storage device can be designed for a single fixed supply voltage and no longer, as is conventional, supply voltages within an interval between the minimum discharge voltage and the end-of-charge voltage must accept.
  • the energy storage device behaves like a voltage source with a regulated output voltage.
  • the voltage converter Since the voltage converter is located directly on the memory cell, it can handle all cell-specific parameters, including for example, monitor the maximum discharge current and the discharge voltage without further notice.
  • the device to be supplied with electrical power by the energy storage device according to the invention no longer has to take into account the technology of the memory cell and does not have to have any monitoring functions for the parameters of the memory cell and protective functions for the memory cell. This ensures maximum system flexibility.
  • Another advantage of the present invention is that the supply voltage for the device generated by the energy storage device is independent of the memory cell.
  • An energy storage device can now be easily replaced by another energy storage device according to the invention, the converter of which generates the same supply voltage, regardless of the output voltage of the storage cells of the energy storage devices.
  • the present invention thus enables a switch from one cell type to another cell type, which can be, for example, a new development with improved properties. Furthermore, it is also possible to use one and the same energy storage device in different devices that require different supply voltages.
  • the energy storage device receives a signal from the device that is to supply it with electrical power, via an analog or digital electrical or mechanical interface, which represents the supply voltage required by the device. This supply voltage is set by the energy storage device.
  • the large variety of accumulators and batteries, which differ in the output voltage, the capacity, the internal resistance, the maximum output current, the shelf life, the price, the geometric dimensions, in the Mass and distinguishing in other parameters can be reduced considerably by the present invention.
  • an energy storage device with a specific energy content and specific geometric dimensions can be used for a large number of applications with different supply voltages.
  • the reduced variety enables higher quantities and simplified logistics and thus reduces the costs for development, manufacture, warehousing and trading.
  • the energy storage device has an integrated one Voltage converter, which preferably also includes the protection and charge control functions or corresponding circuits.
  • the shape and dimensions of the housing, the shape, dimensions and arrangement of the contacts and the predetermined voltage into which the voltage converter converts the output voltage of the memory cell correspond to one or one of the batteries or accumulators standardized by IEC or ISO.
  • the energy storage device according to the invention is thus downward compatible, so it can be used like a conventional battery or a conventional accumulator in a conventional device which is designed for a supply voltage within an interval.
  • the device of Energy storage device communicates the required supply voltage via an interface.
  • FIG. 1A is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B shows a schematic graphical illustration of electrical voltages in the energy storage device from FIG. 1A;
  • FIG. 2A is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B shows a schematic graphical illustration of electrical voltages in the energy storage device from FIG. 2A;
  • FIG. 3A is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a third embodiment of the present invention.
  • 3B is a schematic graphical representation of electrical voltages in the energy storage device from FIG. 3A;
  • 4 is a schematic circuit diagram showing an energy storage device according to a fourth embodiment of the present invention connected to a device; 5 shows a schematic circuit diagram of a second variant of the fourth exemplary embodiment;
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a third variant of the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a first housing variant of the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a second housing variant of the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a third housing variant of the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a fourth housing variant of the fourth exemplary embodiment
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a device according to a further exemplary embodiment of the present invention, in which an energy storage device according to the present invention is used.
  • FIG. 1A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a first preferred exemplary embodiment of the present invention.
  • a housing 20 there are n memory cells connected in series
  • n is a natural number.
  • Memory cells 22, 22 ' are primary cells (non-rechargeable battery cells) or preferably secondary cells
  • Contacts 30, 32 are arranged on the housing 20 of the energy storage device 10 and form a power connection via which the energy storage device 10 can deliver electrical power to an electrical device or an electronic circuit.
  • a voltage converter 40 with a first input connection 42, a second input connection 44, a first output connection 46 and a second output connection 48 is arranged in the housing 20 of the energy storage device 10.
  • the first input connection 42 and the second input connection 44 are connected to the positive pole 24 of the first memory cell 22 and the negative pole 26 of the last memory cell 22 ', respectively, and form a power input of the voltage converter 40.
  • the first output connection 46 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 are connected to contacts 30, 32 on housing 20 and form a power output of voltage converter 40.
  • the voltage converter 40 is designed to convert the output voltage V cn of the memory cells 22, 22 ′ into a predetermined voltage V 0 at the power connection 30, 32 of the energy storage device 10.
  • the voltage converter 40 comprises a coil 52 and a diode 54, which are connected in series between the first input terminal 42 and the first output terminal 46, wherein an anode 56 of the diode 54 is connected to the coil 52 and a cathode 58 of the diode 54 is connected to the first output terminal 46 of the voltage converter 40.
  • the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 are short-circuited to one another.
  • the voltage converter 40 further comprises a field effect transistor (FET) 60, which serves as a switch and, in the present exemplary embodiment, is a normally-off n-channel MOSFET or a normally-off p-channel MOSFET.
  • FET field effect transistor
  • a first connection 62 of the FET 60 is connected to the anode 56 of the diode 54 or the coil 52, a second connection 64 of the FET 60 is connected to the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40.
  • the first connection 62 of the MOSFET 60 is the drain connection of an n-channel MOSFET or the source connection of a p-channel MOSFET.
  • the second connection 64 is the source connection of an n-channel MOSFET or the drain connection of a p-channel MOSFET.
  • a gate connection 66 of the FET 60 is connected to a control output 70 of a control 72, which has two input connections 74, 76 in parallel with a capacitor 80 between the cathode 58 of the diode 54 and the first output connection 46 of the voltage converter 40 on the one hand and the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 is switched on the other hand.
  • the controller 72 generates a cyclic control voltage at its control output 70, which alternately blocks the FET 60 or its channel between the first connection 62 and the second connection 64 and switches it conductive via the gate connection 66.
  • the controller 72 controls the duty cycle, ie the ratio of the on and off times of the FET 60, and the repetition frequency of the on / off cycle of the FET 60 so that a predetermined voltage is present between the output connections 46, 48 of the voltage converter 40, and that largely or completely independent of the output voltage V of the memory cells 22, 22 'and that Current and the power that the energy storage device 10 outputs at its contacts 30, 32.
  • the voltage V 0 is kept constant by the voltage converter 40 regardless of the state of charge of the memory cells 22, 22 '.
  • the voltage converter 40 switches off in order to avoid deep discharge of the memory cells 22, 22 '.
  • a switch 146 is preferably opened at the same time, controlled by the controller 72 or by a control signal generated by it at a further control output 144, as a result of which the memory cells 22, 22 ′ are separated from the device 120. Damage to the memory cells 22, 22 'by deep discharge is thus prevented even more effectively. In combination with a charge protection circuit, this enables an optimal use of the capacity of the memory cells 22, 22 '.
  • FIG. 1B is a schematic illustration of the output voltage V cn of the memory cells 22, 22 ′ and the predetermined voltage V Q that the voltage converter 40 generates and provides at its output connections 46, 48 and at the contacts 30, 32 of the energy storage device 10 .
  • the output voltage V cn of the memory cells 22, 22 'and the predetermined voltage V 0 are assigned to the ordinate axis.
  • the output voltage V cn of the memory cells 22, 22' lies within a range or interval 90 between a minimum discharge voltage V cn min and an end-of-charge voltage or end-of-charge voltage V cn mm .
  • This output voltage V cn is converted by the voltage converter 40 into the predetermined voltage V 0 (line 92) (arrow 94). Since the voltage converter 40 shown in FIG. 1A, the voltage V Q present between the output connections 46, 48 is at least as high as the voltage V cn present at the input connections 42, 44, it is a step-up converter or step-up converter or Boost converter.
  • 2A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a second preferred exemplary embodiment of the present invention. The only difference from the second exemplary embodiment from that shown in FIG. 1A is that the voltage converter 40 is a step-down divider or a step-down converter or a buck converter.
  • a p-channel is preferably connected between a source connection 62 and a drain connection 64 of a p-channel MOSFET 60 in series with a coil 52 between the first input connection 42 and the first output connection 46 of the voltage converter 40, the source terminal 62 being connected to the first input terminal 42 of the voltage converter 40 and the drain terminal 64 being connected to the coil 52.
  • a gate terminal 66 of the FET 60 is in turn connected to a control terminal 70 of a controller 72.
  • the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 are in turn short-circuited to one another and also connected to an input connection 74 of the controller 72.
  • An anode 56 of a diode 54 is connected to the second input terminal 44 and the second output terminal 48, a cathode 58 of the diode 54 is connected to the drain terminal 64 of the FET 60 and the coil 52.
  • a capacitor 80 is connected between the first output connection 46 of the voltage converter 40 and the coil 52 on the one hand and the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 on the other hand.
  • an n-channel MOSFET can also be used as the FET 60 instead of a p-channel MOSFET.
  • a p-channel MOSFET is advantageous.
  • FIG. 2B is a schematic graphical representation of the voltages V cn and V 0 in the energy storage device shown in FIG. 2A.
  • the output voltage V cn of the memory cells 22, 22 ' is again within an inter valls 90 between the minimum discharge voltage V cn ⁇ n and the final charge voltage V cn max .
  • the voltage converter 40 generates (arrow 94 ') from the output voltage V m of the memory cells 22, 22' within the interval 90 the predetermined voltage V Q , which is less than the minimum discharge voltage V cn ⁇ n .
  • the voltage converters 40 from the first exemplary embodiment shown in FIG. 1A and from the second exemplary embodiment shown in FIG. 2A can only convert voltages upwards or only downwards. Accordingly, the predetermined voltage V 0 , as shown in Fig. 1B, is greater than or equal to the end-of-charge voltage V m m2ä . or, as shown in FIG. 2B, less than or equal to the minimum discharge voltage OTjinin . If the predetermined voltage V 0 lies within the interval 90 characteristic of the memory cells 22, 22 'between the minimum discharge voltage V cn min and the end of charge voltage V cn max , a SEPIC converter is preferably used instead of the step-up converter of the first exemplary embodiment and the step-down converter of the second exemplary embodiment. Converter or a step-up / step-down divider used, as described in the following embodiment.
  • FIG. 3A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a third preferred exemplary embodiment of the present invention.
  • the third exemplary embodiment differs from the first two in that the voltage converter 40 is a SEPIC converter.
  • a first coil 52, a first capacitor 80 and a diode 54 are connected in series between the first input terminal 42 and the first output terminal 46 of the voltage converter 40, whereby the first coil 52 between the first input terminal 42 of the voltage converter 40 on the one hand and a first Terminal 80a of the first capacitor 80 and a first terminal 62 of an FET 60 is connected on the other hand, and a second terminal 80b of the first capacitor 80 is connected to the anode 56 of the diode 54, and a cathode 58 of the diode 54 to the first output terminal 46 of the Voltage converter is connected.
  • a second terminal 64 of the FET 60 is connected to the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40, and a gate terminal 66 of the FET 60 is connected to a control output 70 of a controller 72, the input terminal 74 of which is also connected to the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 is connected.
  • the first connection 62 of the MOSFET 60 is the drain connection of an n-channel MOSFET or the source connection of a p-channel MOSFET.
  • the second connection 64 of the MOSFET 60 is the source connection of an n-channel MOSFET or the drain connection of a p-channel MOSFET.
  • a second coil 102 is connected between the second connection 80b of the first capacitor 80 and the anode 56 of the diode 54 on the one hand and the second input connection 44 and the second output connection 48 of the voltage converter 40 on the other hand, and between the cathode 58 of the diode 54 and the First output connection 46 of voltage converter 40 on the one hand and second input connection 44 and second output connection 48 of voltage converter 40 on the other hand, a second capacitor 104 is connected.
  • the voltage converter 40 of the third embodiment of the present invention shown in FIG. 3A generates a predetermined voltage V 0 between its output terminals 46, 48, which is both greater and greater, depending on the duty cycle and frequency of the FET 60 on / off cycles controlled by the controller 72 can be smaller than the voltage V cn present between its input connections 42, 44. Accordingly, this voltage converter 40 is particularly suitable for applications of the energy storage device 10 according to the invention in which the predetermined voltage V 0 , which the energy storage device device 10 is to provide a device 10 to be supplied with electrical power, lies between the minimum discharge voltage V cn mhi and the final charge voltage V cn ⁇ mm .
  • FIG. 3B is a schematic diagram of the voltage V cn and V 0 in the voltage converter 40 of the third embodiment shown in FIG. 3A.
  • An arrow 94 symbolizes an upward conversion in which the voltage converter 40 generates a higher voltage V 0 between its output connections 46, 48 than it receives between its input connections 42, 44.
  • An arrow 94 ' represents a downconversion in which the voltage converter 40 generates between its output terminals 46, 48 a voltage V 0 that is less than the voltage V cn that it receives at its input terminals 42, 44.
  • An energy storage device preferably has a possibility for setting or programming a desired predetermined output voltage V Q. Modifications of the first exemplary embodiment are described below with reference to FIGS. 4, 5 and 6, which have such a possibility for external setting of the predetermined voltage V 0 . The second and third exemplary embodiments are preferably also modified accordingly.
  • FIG. 4 is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • a third contact 110 is arranged on the housing 20, which is connected to a control input 112 of the controller 72 and a center tap of a voltage divider.
  • the voltage divider is formed by a first resistor 114 and a second resistor 116 and is connected in parallel to the capacitor 80 between the output terminals 46, 48 of the voltage converter 40. It creates an electrical potential between the potentials the output connections 46, 48 are connected to the control input 112 of the control 72.
  • the controller 72 is designed such that this potential influences the predetermined voltage V 0 generated by the voltage converter 40 or the predetermined voltage V 0 can be set by changing the potential present at the control input 112.
  • the third contact 110 of the energy storage device thus represents an analog interface, via which the voltage converter 40 receives from the outside a signal which represents the predetermined voltage V 0 to be set by it.
  • This externally received signal is, for example, a voltage signal proportional to the predetermined voltage V 0 to be set .
  • FIG. 4 schematically shows a device 120 which has contacts 130, 132, 134 which are electrically conductively connected to the contacts 30, 32, 110 of the energy storage device 10.
  • the device 120 is an electrical or electronic device for any application, which is to be supplied with electrical power by the energy storage device 10 according to the invention.
  • the device 120 receives this electrical power via the contacts 130, 132, which are connected to the contacts 30 and 32 of the energy storage device 10.
  • the device 120 comprises a circuit for generating or influencing the analog signal present at the control input 112 of the controller 72 via the third contact 110 of the energy storage device 10. In the simplest case, this device, as shown in FIG.
  • resistors 140, 142 consists of one or two resistors 140, 142, which are arranged in the device 120 and are connected in parallel via the contacts 130, 132 and 134 to the first resistor 114 and the second resistor 116.
  • the resistors 140, 142 together with the resistors 114, 116 of the voltage converter 40 form a modified voltage divider which has an arbitrary resistance ratio, which as a rule differs from that of the voltage divider comprising the resistors 114, 116.
  • Resistors 140, 142 thus provide an the potential at the control input 112 of the controller 72 than that generated by the voltage divider formed solely from the first resistor 114 and the second resistor 116.
  • the device 120 has any other device or voltage source for generating a voltage signal that contains the information as to which predetermined voltage V 0 the device 120 needs or the voltage converter 40 is to generate.
  • the voltage converter 40 does not have to have a voltage divider 114, 116.
  • the resistors 114, 116 shown in FIG. 4 ensure, however, that even if the device 120 does not provide, for example, the third contact 110 of the energy storage device 10, a defined signal is applied to the control input 112 of the controller 72.
  • This signal or the resistors 114, 116 which generate it are preferably dimensioned such that the energy storage device 10 according to the invention generates a standard battery voltage, for example 1.5 V, between the first contact 30 and the second contact 32 if there is no defined one at the third contact 110 Signal is applied from the outside.
  • an energy storage device according to the invention like a conventional battery, can be inserted into a device which is not designed for the energy storage device according to the invention, but rather for a conventional battery.
  • the use of the energy storage device 10 according to the invention in a conventional device which is designed for conventional batteries or accumulators also offers the advantage that the device is provided with a constant supply voltage and, in many cases, with increased capacity.
  • Devices of the next generation which are provided or designed for the use of an energy storage device 10 according to the invention, use all advantages of the energy storage device according to the invention by using one or both of the devices shown in FIG. 4
  • the resistors 140, 142 shown generate a voltage or a signal at the third contact 110 of the energy storage device 10 and thus at the control input 112 of the controller 72, which sets or programs the optimal supply voltage V 0 for the device 120 on the energy storage device 10.
  • FIG. 5 is a schematic circuit diagram illustrating an alternative modification of the first embodiment, in which the energy storage device 10 of the present invention, instead of an analog one, has a digital serial interface through which it receives a digital serial signal from a device that supplies it with electrical power. receives.
  • the digital serial signal represents the supply voltage required by the device 120.
  • the voltage converter 40 receives this digital serial signal and provides the required supply voltage for the device 120.
  • the digital interface of the energy storage device 10 comprises at least a third contact 110, which can be connected to a contact 134 of the device 120 and is also connected to a digital input 152 of an analog / digital converter (A / D converter) 154.
  • Power flows via the ground connection between the energy storage device 10 and the device 120, which is formed, for example, by the second contact 32 of the energy storage device 10 and the contact 132 of the device 120.
  • the digital interface therefore preferably also has a fourth contact 156, which is connected to a further contact 158 of the device 120 and forms a ground connection between the energy storage device 10 and the device 120 that is exclusively assigned to the digital interface. This separate ground connection enables the digital interface to operate with less interference.
  • the path via the fourth contact 156 and the further contact 158 is a second signal line of the digital serial interface.
  • Further features of the energy storage device 10 correspond to the illustration from FIG. 4 and are therefore not shown in FIG. 5. Also in the device 120, further features, for example for generating the digital signal 160, are not shown in FIG. 5.
  • Fig. 6 is a schematic illustration of another modification of the first embodiment of the present invention, which has a digital parallel interface.
  • Further features of the energy storage device 10 correspond to those from FIG. 4 and are therefore not shown, like the device 120 in FIG. 6.
  • the digital parallel interface offers the advantage that the setting of the supply voltage V 0 on the device side can be carried out particularly easily by hard wiring, ie without a single additional component.
  • Another possible interface for transmitting a signal from the device 120 to the energy storage device 10 comprises reversible or non-reversible switches or switching contacts. These form a mechanical-electrical parallel digital interface and are selectively actuated or opened or closed by noses, knobs, webs or similar mechanical devices on the device 120 when the energy storage device 10 is inserted into a compartment of the device 120. Irreversible switch contacts are closed or opened only once when the energy storage device 10 is first inserted into the device 120 and no longer change their switching state when the energy storage device 10 is removed from the device 120. reversible When the energy storage device 10 is removed from the device 120, sensitive switch contacts go back to their original state and thus enable one and the same energy storage device 10 to be used in succession in different devices with different supply voltages.
  • the signal representing the supply voltage required by the device 120 or the predetermined voltage V 0 to be provided by the energy storage device 10 is in this case a mechanical signal on the device 120 side.
  • This mechanical signal is converted in the interface of the energy storage device 10 into an electrical signal which controls the supply voltage as in the previous exemplary embodiments.
  • the energy storage device 10 and the device 120 can be designed such that a signal which represents the supply voltage required by the device 120 or the predetermined voltage V 0 to be provided by the energy storage device 10 at the contacts 30, 32 only once after connecting the Energy storage device 10 is repeated with device 120 or at regular intervals or in the event of certain events, or is continuously sent or provided by device 120 and received by energy storage device 10.
  • the signal and thus the predetermined voltage V 0 can change when the energy storage device 10 is connected to another device 120, and preferably also when the supply voltage required by the device 120 changes, for example when changing an operating mode.
  • device 120 requests energy storage device 10 to have a low predetermined voltage V 0 when it is in a sleep or idle mode in which only the data content of a memory module has to be maintained or an interface has to be monitored. If the device 120 requires a higher electrical power, for example because an HF transmitter is operated, lighting is switched on or a program is being executed in a processor, the device 120 requests a signal from the device Energy storage device 10 a predetermined voltage V 0 , which is optimal for the respective operating mode and operating state.
  • Charging control and / or protective electronics can be connected in parallel to the elements of the voltage converter 40 shown in FIGS. 1-4 between the input connections 42, 44 and the output connections 46, 48 of the voltage converter.
  • the charging control and / or protective electronics are connected in parallel to the voltage converter 40 between the positive and negative poles 24, 26 of the storage cells 22, 22 'on the one hand and the power output 30, 32 of the energy storage device 10 on the other hand.
  • Control and monitoring functions are, however, preferably, as already mentioned, implemented in the controller 72. At least some of the active elements of the voltage converter 40 take on charge control and protection functions at the same time.
  • the diode 54 is embodied, for example, as a switched MOSFET in the first exemplary embodiment, while in the second exemplary embodiment the FET 60 is preferably embodied as a bidirectional switch, for example in the form of two antiserial MOSFETs.
  • a MOSFET is advantageously used for this purpose, which bridges the elements 80 and 54.
  • additional active components for charging and / or protective functions are preferably integrated in the voltage converter and its main current path.
  • the voltage converters 40 of the energy storage device according to the invention can be constructed conventionally or from discrete components. Preferably and advantageously with regard to the manufacturing costs and the geometric dimensions or the construction volume of the voltage converters, however, these are completely monolithically integrated on a chip.
  • the switching frequencies of the DC-DC converter are preferably in the range of a few MHz, since At these frequencies, the electrical and magnetic energy stores, ie the coils 52, 102 and the capacitors 80, 104, can be implemented on a chip or integrated into them.
  • a voltage converter 40 according to the present invention preferably has special operating modes, for example a burst mode , in which a high degree of efficiency is achieved, in particular at nominal load, and a no-load shutdown or a mode in which the voltage converter is shutdown when no load is connected to the energy storage device 10, in order to ensure low self-discharge even in low-load operation or during ensure a longer storage of the energy storage device 10.
  • special operating modes for example a burst mode , in which a high degree of efficiency is achieved, in particular at nominal load, and a no-load shutdown or a mode in which the voltage converter is shutdown when no load is connected to the energy storage device 10, in order to ensure low self-discharge even in low-load operation or during ensure a longer storage of the energy storage device 10.
  • FIGS. 7-10 are schematic external views of energy storage devices 10 according to the invention, in which above all the shape of the housing 20 and the arrangement of the contacts 30, 32, 110, 156, 170, 172, 174 on the housing 20 are shown.
  • the shape, size and arrangement of the contacts are usually chosen so that they are automatically or automatically connected to corresponding contacts of the device when the energy storage device is inserted into a compartment of a device.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which the housing 20 and the contacts 30, 32, which form the power connection of the energy storage device 10, preferably correspond in terms of their shape, size and arrangement to a battery type standardized by the IEC or the ISO, for example one Mono, baby, mignon, micro or lady cell or another round or button cell.
  • the voltage converter 40 corresponds to one of the exemplary embodiments shown in FIGS. 1A, 2A and 3A, the previously described correct voltage V 0 preferably corresponds to the nominal voltage of the standard battery type corresponding to the shape and size of the housing 20.
  • the housing 20 and the contacts 30, 32, which form the power connection of the energy storage device 10 preferably correspond in terms of their shape, size and arrangement to a battery type standardized by the IEC or the ISO, for example one Mono, baby, mignon, micro or lady cell or another round or button cell.
  • the voltage converter 40 corresponds to one of the exemplary embodiments shown in FIGS. 1A, 2A and 3A, the previously described correct voltage V 0 preferably correspond
  • the energy storage device 10 further has an interface and a voltage converter that can be controlled externally via the interface or a voltage converter with a predetermined output voltage V 0 that can be set from the outside.
  • the interface is shown here as a ring-shaped electrode 110 for transmitting an analog signal or a digital serial signal.
  • the voltage converter 40 is preferably designed such that the energy storage device 10 provides the contacts V, 32 with the voltage V 0 , which corresponds to the standard battery type in size and shape of the housing 20, if none at the interface 110 Signal is present.
  • the energy storage device 10 is downward compatible and can be used both in conventional devices which are provided for conventional batteries or accumulators and in devices which are provided for the energy storage device 10 according to the invention.
  • FIGS. 8 and 9 are schematic, perspective external views of energy storage devices 10 according to the invention, the housings 20 and contacts 30, 32, 110 of which correspond in shape, size and arrangement to flat batteries with connecting lugs or with contact surfaces.
  • FIG. 10 is a schematic perspective external view of an energy storage device 10 according to the invention, which has an above-described mechanical-electrical interface in the form of a plurality of film switch contacts or film switches 180, 182, 184.
  • the film switches 180, 182, 184 are integrated in the battery casing or the housing 20 of the energy storage device 10 and are preferably hermetically sealed from the environment by a cover film. There are therefore no additional contacts 110, 156, 170, 172, 174 leading to the outside to set the predetermined voltage V 0 to be provided by the energy storage device 10.
  • the membrane switches 180, 182, 184 are actuated when the energy storage device 10 is inserted or inserted into a device by knobs, webs, projections or similar mechanical devices in the battery or accumulator compartment.
  • the voltage converter 40 is preferably produced using thin-chip technology, in which flexible chips can be produced to a limited extent.
  • the film cells shown in FIGS. 8, 9, 10 are preferably elastically or mechanically flexible.
  • An energy storage device preferably has a coil, via which power can be drawn from an externally applied alternating electromagnetic field in order to charge the storage cells 22, 22 ', these being secondary cells.
  • a coil which is present in the voltage converter 40 is preferably connected in such a way that it can draw power from an alternating electromagnetic field for charging the memory cells.
  • the coil is preferably printed on a silicon surface or a circuit carrier.
  • FIG. 11 is a schematic illustration of a device 120 according to the invention, which is designed to be supplied with electrical power by one of the energy storage devices 10 according to the invention described above.
  • the device 120 has a battery or accumulator compartment or a compartment 190 for receiving an energy Storage device.
  • Contacts 130, 132 are arranged in the compartment 190 and contact the contacts 30, 32 when the energy storage device 10 is inserted.
  • the compartment 190 and the contacts 130, 132 are preferably designed in such a way that a conventional standard battery can also be used.
  • a further contact 134 is arranged in the compartment 190, which is preferably resilient just like the contacts 130, 132 and which contacts a third contact of the energy storage device 10 when the energy storage device 10 is inserted into the compartment 190.
  • the device 120 generates an analog or digital serial or (if instead of the one third contact 134 a plurality of contacts is provided) a parallel signal which indicates the supply voltage required by the device 120 or by the energy storage device 10 on the contacts 30, 32 represents voltage V 0 to be provided.

Abstract

Eine Energiespeichervorrichtung (10) umfaßt eine Speicherzelle (22, 22') mit einem Leistungsausgang (24, 26) zum Speichern von Energie, einen Spannungswandler (40) mit einem Leistungseingang (42, 44) und einem Leistungsausgang (46, 48) zum Wandeln einer Ausgangsspannung (Vcn) der Speicherzelle (22, 22') in eine vorbestimmte Spannung (V0), einen Leistungsanschluß (30, 32) und ein Gehäuse, innerhalb dessen die Speicherzelle (22, 22') und der Spannungswandler (40) angeordnet sind, an dem der Leistungsanschluß (30, 32) angeordnet ist, und das ausgebildet ist, um in ein Fach eines Geräts (120) eingesetzt zu werden. Der Leistungsausgang (24, 26) der Speicherzelle (22, 22') ist mit dem Leistungseingang (42, 44) des Spannungswandlers (40) verbunden, und der Leistungsausgang (46, 48) des Spannungswandlers (40) ist mit dem Leistungsanschluß (30, 32) der Energiespeichervorrichtung (10) verbunden. Der Leistungsanschluß (30, 32) ist für ein Verbinden mit einem Leistungseingang (130, 132) des Geräts (120) ausgebildet, um elektrische Leistung an das Gerät (120) zu übertragen.

Description

Energiespeichervorrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeichervorrichtung zur Versorgung eines Geräts mit elektrischer Leistung sowie auf ein Gerät bzw. eine Vorrichtung, in der die Energiespeichereinrichtung einsetzbar ist.
Mit der immer stärkeren Verbreitung elektronischer Schaltungen und Geräte in allen Bereichen des täglichen Lebens und insbesondere im Bereich der mobilen Informations- und Kommunikationssysteme finden wiederaufladbare elektrische Energiespeicher bzw. Akkumulatoren eine immer weitere Verbreitung. Für ein sehr breites Anwendungsspektrum steht heute eine Vielzahl von Akkumulatorsystemen zur Verfügung, beispielsweise Pb/PbS0 , NiCd, NiMH, AgZn, Li-Ion, Li- Polymer und Li-Festkörper, die verschiedene Eigenschaften und Betriebsparameter aufweisen. Jedes dieser Systeme weist abhängig vom Ladezustand eine Ausgangsspannung in einem für das System spezifischen Bereich auf, der sich zwischen einer minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung erstreckt.
Der spezifische Bereich der AusgangsSpannung eines Akkumulators ist in den seltensten Fällen mit den Spannungsanforderungen einer elektronischen Schaltung bzw. eines Geräts kompatibel, das durch den Akkumulator mit elektrischer Lei- stung zu versorgen ist. Beispielsweise weisen die wegen ihrer hohen Leistungsdichte und ihrer hohen Ladungsdichte weit verbreiteten Li-Ionen-Akkumulatoren eine Ausgangsspannung zwischen 4,2 V (Ladeendspannung) und 3,0 V (minimale Entladespannung) auf, wohingegen Schaltkreise der Informa- tions- und Kommunikationselektronik, beispielsweise Prozessoren, PLAs (PLA = programmable logic array = programmierbare Logikanordnung) , ASICs (ASIC = application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), Nenn-Versorgungsspannungen von z. B. 5,0 V, 3,3 V, 1,65 V oder 0,8 V aufweisen. Dabei gibt es eine Tendenz zu immer kleineren Nenn-Versorgungsspannungen mit gleichzeitig immer höheren Anforderungen an die Genauig- keit, mit der die Spannungspegel eingehalten werden müssen. Eine direkte Versorgung von Schaltkreisen aus einem Akkumulator ist deshalb in den meisten Fällen nicht möglich.
In der Regel wird ein Gerät bzw. eine elektronische Schal- tung eines Geräts für den spezifischen Ausgangsspannungsbereich eines bestimmten Akkumulatortyps ausgelegt. Wenn ein Anwender später auf ein neues, verbessertes Akkumulatorsystem umrüsten will, ist dies in der Regel nicht möglich, da der Ausgangsspannungsbereich des neuen Akkumulatorsystems nicht mit dem Ausgangsspannungsbereich des Akkumulatorsystems, für das das Gerät ausgelegt ist, kompatibel ist.
Zur Erzeugung der Nenn-Versorgungsspannung eines Geräts aus der (innerhalb des spezifischen Bereichs veränderlichen) Ausgangsspannung eines Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators oder einer Batterie, wird ein Spannungswandler, beispielsweise ein Linearregler oder ein getakteter Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, der zwischen den Energiespeicher und die durch den Energiespeicher mit elektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung geschaltet wird. Der Spannungswandler ist Bestandteil des Geräts und meist nahe der Last bzw. der zu versorgenden Schaltung angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß ohmsche und induktive Spannungsabfälle innerhalb der Zuleitung durch den Spannungswandler ohne weiteres ausgeregelt und die den Anforderungen der Schaltung entsprechende Spannung genau eingehalten werden kann.
Die DE 19928809 AI beschreibt eine Energieversorgungsein- heit bzw. Energiestation zur Versorgung von batteriegespeisten Kleingeräten mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und Anschlußeinrichtungen, die Solarzellen, Akkumulatoren und einen Spannungswandler umfaßt. Die Energie- Station ist dafür vorgesehen, über ein gerätespezifisches Adapterkabel einem Gerät elektrische Leistung zuzuführen. Das geräteindividuelle Adapterkabel umfaßt eine elektronische Bauteilgruppe zur Erzeugung eines individuellen ProgrammierSignals, das bei einer Kopplung des Adapterkabels mit der Energiestation von einer Schaltsteuereinheit am Spannungswandler detektiert und entsprechend über den Spannungswandler in eine Einstellung der bereitzustellenden Ausgangsgrößen umgesetzt wird. Das Adapterkabel umfaßt ferner einen geräteindividuellen Ausgangsstecker für das Gerät. Die Bauteilgruppe umfaßt insbesondere zwei Widerstände, die in einen Spannungsteiler in der Energiestation 1 eingreifen bzw. diesen modifizieren. Die Energiestation umfaßt ferner vorzugsweise eine Ladersteuereinheit zum Vermeiden einer Beschädigung durch Überladen der Akkumulatoren.
Ein großer Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß dem Spannungswandler keine sicheren Informationen über Art und Ladezustand des Energiespeichers zur Verfügung stehen. E- lektrogeräte dürfen daher in der Regel nur mit den vom Hersteller vorgeschriebenen Akkumulatoren ausgestattet werden, da nur dann die elektronische Schaltung und insbesondere der Spannungswandler die korrekten Betriebsparameter unter- stellt.
Alternativ wird mittels einer oder mehreren Senseleitungen bzw. Tastleitungen eine Spannungsmessung an dem Akkumulator vorgenommen, um Rückschlüsse auf den Ladezustand des Akku- mulators zu ziehen. Diese Spannung liefert jedoch nur ungenaue und unbefriedigende Ergebnisse, da verschiedene Entla- decharakteristika von Akkumulatoren unter anderem auch eine Funktion des Innenwiderstands der Zellen und der augenblicklich anliegenden Last sind, und damit einer individu- eilen Streuung und Alterungseffekten unterworfen sind.
Um einen Akkumulator vor Schädigung durch eine Tiefentladung zu schützen, besitzen viele DC/DC-Wandler eine feste bzw. vorbestimmte Spannungsschwelle, bei deren Unterschreiten der Akkumulator von der Last getrennt wird. Diese vorbestimmte Abschaltschwelle stellt jedoch zwangsläufig eine Unterstellung eines bestimmten Akkumulatortyps dar und be- dingt somit eine Einschränkung auf denselben. Alternative Lösungen sehen eine Schutzschaltung gegen Tiefentladung im Akkumulator selbst oder aber eine Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Akkumulator und dem System bzw. dem DC/DC-Wandler vor. Eine solche Kommunikationsschnittstelle weisen beispielsweise Batterien nach dem Smart-Battery Standard (SBS) auf, gemäß dem eine Batterie über eine serielle Schnittstelle beispielsweise mit einem Ladegerät kommuniziert und diesem Informationen über den Akkumulatortyp, den Ladenzustand usw. übermittelt.
Die herkömmliche Schaltungsanordnung aus Energiespeicher, DC/DC-Wandler und Last bedingt somit entweder eine erhebliche Einschränkung der Flexibilität des Gesamtsystems oder einen erheblichen Mehraufwand für die Kommunikation zwi- sehen dem Energiespeicher und dem DC/DC-Wandler.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Energiespeichervorrichtung und ein Gerät, in dem die Energiespeichervorrichtung verwendbar ist, zu schaffen, die auf einfachere Weise eine große Flexibilität bei der Kombination der Energiespeichervorrichtung mit einem durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung zu versorgenden Gerät schafft.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Gerät gemäß Anspruch 22 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Energiespeichervorrichtung eine Speicherzelle mit einem Leistungsaus- gang zum Speichern von Energie, einen Spannungswandler mit einem Leistungseingang, der mit dem Leistungsausgang der Speicherzelle verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang, zum Wandeln einer Ausgangsspannung der Speicherzelle in eine vorbestimmte Spannung, und ein Gehäuse, innerhalb dessen die Speicherzelle und der Spannungswandler angeordnet sind. Ferner umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen Leistungsanschluß, der an dem Gehäuse angeordnet und mit dem Leistungsausgang des Spannungswandlers verbunden ist. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist ausgebildet, um in ein Fach eines Geräts eingesetzt zu werden, wobei der Leistungsanschluß für ein Verbinden mit einem Leistungseingang des Geräts ausgebildet ist, um elektrische Leistung an das Gerät zu übertragen. Das Gehäuse kann Bestandteil der Speicherzelle bzw. mit einem Speicherzellengehäuse identisch sein.
Vorzugsweise ist der Leistungsanschluß der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung so an dem Gehäuse angeordnet und ausgebildet, daß er beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in das Fach des Geräts mit dem Leistungseingang des Geräts verbunden wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ferner eine Spule, die mit einem äußeren elektromagnetischen Wechselfeld koppelbar ist, um Leistung zum Laden der Speicherzelle zu empfangen. Die Spule ist vorzugsweise Bestandteil des Spannungswandlers. Der Spannungswandler ist ferner vorzugsweise so aufgebaut, daß die vorbestimmte Spannung, in die er die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, von der Ausgangsspannung der Speicherzelle unabhängig ist, wenn die AusgangsSpannung der Speicherzelle innerhalb eines vorbestimmten Intervalls, vorzugsweise zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung, liegt. Die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, ist ferner vorzugsweise einstellbar, wobei die Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle ein Signal empfängt, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt. Ein Gerät bzw. eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Fach, in das eine Energiespeichervorrichtung mit einem Spannungswandler zum Erzeugen einer einstellbaren vorbestimmten Spannung einsetzbar ist, einen Leistungseingang, der mit einem Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung verbindbar ist, um elektrische Leistung von der Energiespeichervorrichtung zu empfangen, und eine Schnittstelle zum Senden eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Spannungswandler in einen Akkumulator oder eine Batterie bzw. in eine Energiespeichervorrichtung zu integrieren, um eine auf einen konstanten Wert geregelte, während der ge- samten Entladung des Akkumulators bzw. der Batterie konstante und vorzugsweise von außen einstellbare bzw. auswählbare Ausgangsspannung zu erhalten. Eine über die gesamte Entladezeit konstante Ausgangsspannung bedeutet einen großen technischen Vorteil, da die durch die Energiespei- chervorrichtung mit Leistung versorgte elektronische Schaltung bzw. das durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgte Gerät für eine einzige feste Versorgungsspannung ausgelegt werden kann und nicht mehr wie herkömmlich Versorgungsspannungen innerhalb eines Intervalls zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung akzeptieren muß. Durch die erfindungsgemäße Integration des Spannungswandlers in die Energiespeichervorrichtung können Spannungswandler und Speicherzellen optimal aufeinander abgestimmt werden.
Für das mit Leistung zu versorgende Gerät bzw. die mit e- lektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung verhält sich die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine Spannungsquelle mit einer geregelten Aus- gangsspannung.
Da der Spannungswandler direkt an der Speicherzelle angeordnet ist, kann er alle zellenspezifischen Parameter, bei- spielsweise den maximalen Entladestrom und die Entla- deschlußspannung, ohne weiteres überwachen. Das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung mit elektrischer Leistung zu versorgende Gerät muß keine Rücksicht mehr auf die Technologie der Speicherzelle nehmen und muß keine Überwachungsfunktionen für die Parameter der Speicherzelle und Schutzfunktionen für die Speicherzelle aufweisen. Dadurch wird eine maximale Systemflexibilität erreicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die durch die Energiespeichervorrichtung erzeugte Versorgungsspannung für das Gerät von der Speicherzelle unabhängig ist. Eine Energiespeichervorrichtung kann nun ohne wei- teres durch eine andere erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ersetzt werden, deren Wandler dieselbe Versorgungsspannung erzeugt, unabhängig davon, welche Ausgangsspannung die Speicherzellen der Energiespeichervorrichtungen aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit ohne weiteres einen Umstieg von einem Zellentyp auf einen anderen Zellentyp, der beispielsweise eine Neuentwicklung mit verbesserten Eigenschaften sein kann. Ferner ist auch eine Verwen- düng ein und derselben Energiespeichervorrichtung in verschiedenen Geräten, die verschiedene Versorgungsspannungen benötigen, möglich. Die Energiespeichervorrichtung erhält von dem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgen soll, über eine analoge oder digitale elektrische oder auch mechanische Schnittstelle ein Signal, das die von dem Gerät benötigte Versorgungsspannung darstellt. Diese Versorgungsspannung wird durch die Energiespeichervorrichtung eingestellt.
Die große Vielfalt von Akkumulatoren und Batterien, die sich in der Ausgangsspannung, in der Kapazität, im Innenwiderstand, im maximalen Ausgangsstrom, in der Lagerfähigkeit, im Preis, in den geometrischen Abmessungen, in der Masse und in anderen Parametern unterscheidenden, kann durch die vorliegende Erfindung ganz erheblich verringert werden. Insbesondere kann eine Energiespeichervorrichtung mit einem bestimmten Energieinhalt und bestimmten geometrischen Abmessungen für eine Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen eingesetzt werden. Die verringerte Vielfalt ermöglicht höhere Stückzahlen und eine vereinfachte Logistik und reduziert damit die Kosten für Entwicklung, Herstellung, Lagerhaltung und Handel.
Während herkömmliche Energiespeichervorrichtungen, beispielsweise Li-Ionen-Akkumulatoren oder andere Hochleistungsspeicher, innerhalb ihres Gehäuses bereits eine Schutz- und Ladekontrollelektronik aufweisen, die Fehler- fälle, wie Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentla- dung, verhindern soll, weist die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen integrierten Spannungswandler auf, der vorzugsweise auch die Schutz- und Ladekontrollfunktionen bzw. entsprechende Schaltungen umfaßt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechen Form und Abmessungen des Gehäuses, Form, Abmessungen und Anordnung der Kontakte sowie die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicher- zelle wandelt, einer oder einem der durch IEC oder ISO standardisierten Batterien oder Akkumulatoren. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ist damit abwärtskompatibel, kann also wie eine herkömmliche Batterie oder ein herkömmlicher Akkumulator in einem herkömmlichen Gerät, das für eine Versorgungsspannung innerhalb eines Intervalls ausgebildet ist, eingesetzt werden. Darüberhinaus ist sie aber auch in einem Gerät verwendbar, das nur für eine feste vorbestimmte Versorgungsspannung ausgelegt bzw. ausgebildet ist, oder dessen Versorgungsspannung von der Spannung ab- weicht, die von einer Batterie bzw. einem Akkumulator abgegeben wird, der der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung in Form und Größe entspricht, wobei das Gerät der Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle die benötigte Versorgungsspannung mitteilt.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus Fig. 1A;
Fig. 2A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Ener- giespeichervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrich- tung aus Fig. 2A;
Fig. 3A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus Fig. 3A;
Fig. 4 ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine Energiespeichervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden mit einem Gerät zeigt; Fig. 5 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer dritten Variante des vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer ersten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer zweiten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer dritten Ge- häusevariante des vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer vierten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Geräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in das eine Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einge- setzt ist.
Fig. 1A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In ei- nem Gehäuse 20 sind n in Serie geschaltete Speicherzellen
22, 22' angeordnet, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die
Speicherzellen 22, 22' sind Primärzellen (nichtwiederauf- ladbare Batteriezellen) oder vorzugsweise Sekundärzellen
(wiederaufladbare Akkumulatorzellen) , in denen auf elektro- chemische Weise Energie gespeichert ist. Der Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und der Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' bilden einen Leistungsausgang der Speicherzellen, über den diese elektrische Leistung abgeben können. Falls es sich bei den Speicherzellen 22, 22' um Sekundärzellen handelt, bilden der Pluspol 24 und der Minuspol 26 gleichzeitig einen Leistungseingang, über den den Speicherzellen 22, 22' beim Ladevorgang elektrische Leis- tung zugeführt wird. Zwischen dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' liegt eine Ausgangsspannung Vcn , die vom Ladezustand bzw. dem Energieinhalt der Speicherzellen 22, 22' abhängt und das »-fache der Spannung Vc an einer einzelnen Speicherzelle 22, 22' beträgt, Vm = nVc .
An dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 sind Kontakte 30, 32 angeordnet, die einen Leistungsanschluß bilden, über den die Energiespeichervorrichtung 10 elektri- sehe Leistung an ein elektrisches Gerät bzw. eine elektronische Schaltung abgeben kann.
Darüber hinaus ist in dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 ein Spannungswandler 40 mit einem ersten Eingangsanschluß 42, einem zweiten Eingangsanschluß 44, einem ersten Ausgangsanschluß 46 und einem zweiten Ausgangsanschluß 48 angeordnet. Der erste Eingangsanschluß 42 und der zweite Eingangsanschluß 44 sind mit dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 bzw. dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' verbunden und bilden einen Leistungseingang des Spannungswandlers 40. Der erste Ausgangsanschluß 46 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind mit den Kontakten 30, 32 am Gehäuse 20 verbunden und bilden einen Leistungsausgang des Spannungswandlers 40.
Der Spannungswandler 40 ist ausgebildet, um die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' in eine vorbestimmte Spannung V0 am Leistungsanschluß 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 zu wandeln.
Der Spannungswandler 40 umfaßt eine Spule 52 und eine Diode 54, die in Serie zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 geschaltet sind, wobei eine Anode 56 der Diode 54 mit der Spule 52 und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 verbunden sind. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Span- nungswandlers 40 sind miteinander kurzgeschlossen. Der Spannungswandler 40 umfaßt ferner einen Feldeffekttransistor (FET) 60, der als Schalter dient und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET bzw. ein selbstsperrender p-Kanal-MOSFET ist. Ein erster Anschluß 62 des FET 60 ist mit der Anode 56 der Diode 54 bzw. der Spule 52 verbunden, ein zweiter Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain- Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Source-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 ist der Source- Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, die mit zwei Eingangsanschlüssen 74, 76 parallel zu einem Kondensator 80 zwischen die Kathode 58 der Diode 54 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits geschal- tet ist.
Die Steuerung 72 erzeugt an ihrem Steuerausgang 70 eine zyklische Steuerspannung, welche über den Gate-Anschluß 66 den FET 60 bzw. dessen Kanal zwischen dem ersten Anschluß 62 und dem zweiten Anschluß 64 abwechselnd sperrt und leitfähig schaltet. Dabei steuert die Steuerung 72 das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der An- und Auszeiten des FET 60, und die Wiederholungsfrequenz des An-/Aus-Zyklus des FET 60 so, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 des Spannungswandlers 40 eine vorbestimmte Spannung anliegt, und zwar weitgehend oder vollständig unabhängig von der Ausgangsspannung V der Speicherzellen 22, 22' und dem Strom und der Leistung, die die Energiespeichervorrichtung 10 an ihren Kontakten 30, 32 abgibt.
Die Spannung V0 wird dabei durch den Spannungswandler 40 unabhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' konstant gehalten. Bei Erreichen der Entladeschlußspannung bzw. der minimalen Entladespannung Vcn min schaltet sich der Spannungswandler 40 ab, um eine Tiefentladung der Speicherzellen 22, 22' zu vermeiden. Vorzugsweise wird gleichzei- tig, gesteuert durch die Steuerung 72 bzw. durch ein von ihr an einem weiteren Steuerausgang 144 erzeugtes Steuersignal, ein Schalter 146 geöffnet, wodurch die Speicherzellen 22, 22' von dem Gerät 120 getrennt werden. Eine Schädigung der Speicherzellen 22, 22' durch eine Tiefentladung wird damit noch wirkungsvoller verhindert. In Kombination mit einer Ladeschutzschaltung ermöglicht dies eine optimale Nutzung der Kapazität der Speicherzellen 22, 22' .
Fig. 1B ist eine schematische Darstellung der Ausgangsspan- nung Vcn der Speicherzellen 22, 22' und der vorbestimmten Spannung VQ , die der Spannungswandler 40 erzeugt und an seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 bzw. an den Kontakten 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 bereitstellt. Der Or- dinatenachse sind die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzel- len 22, 22' und die vorbestimmte Spannung V0 zugeordnet. Die AusgangsSpannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' liegt abhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' innerhalb eines Bereichs bzw. Intervalls 90 zwischen einer minimalen Entladespannung Vcn min und einer Ladeschlußspannung bzw. Ladeendspannung Vcn mm . Diese Ausgangsspannung Vcn wird durch den Spannungswandler 40 in die vorbestimmte Spannung V0 (Linie 92) gewandelt (Pfeil 94) . Da bei dem in Fig. 1A dargestellten Spannungswandler 40 die zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 anliegende Spannung VQ mindestens so hoch ist wie die an den Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Spannung Vcn , handelt es sich um einen Hochsetz- steller bzw. Aufwärtswandler bzw. Boost-Converter . Fig. 2A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem an- hand der Fig. 1A dargestellten nur dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein Tiefsetzsteiler bzw. ein Abwärtswandler bzw. ein Buck-Converter ist. Bei diesem ist bevorzugt ein p-Kanal zwischen einem Source-Anschluß 62 und einem Drain- Anschluß 64 eines p-Kanal-MOSFET 60 in Serie mit einer Spu- le 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 geschaltet, wobei der Source-Anschluß 62 mit dem ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 und der Drain- Anschluß 64 mit der Spule 52 verbunden sind. Ein Gate- Anschluß 66 des FET 60 ist wiederum mit einem Steueranschluß 70 einer Steuerung 72 verbunden. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind wiederum miteinander kurzgeschlossen sowie ferner mit einem Eingangsanschluß 74 der Steuerung 72 verbunden. Eine Anode 56 einer Diode 54 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 verbunden, eine Kathode 58 der Diode 54 ist mit dem Drain-Anschluß 64 des FET 60 und der Spule 52 verbunden. Zwischen den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 und die Spule 52 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein Kondensator 80 geschaltet.
Ähnlich wie bei dem anhand der Fig. 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist als FET 60 anstelle eines p-Kanal- MOSFET auch ein n-Kanal-MOSFET einsetzbar. Die Verwendung eines p-Kanal-MOSFET ist jedoch vorteilhaft.
Fig. 2B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannungen Vcn und V0 in der in Fig. 2A dargestellten Energiespeichervorrichtung. Die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' liegt wiederum innerhalb eines Inter- valls 90 zwischen der minimalen Entladespannung Vcn πύn und der Ladeendspannung Vcn max . Der Spannungswandler 40 erzeugt (Pfeil 94') aus der Ausgangsspannung Vm der Speicherzellen 22, 22' innerhalb des Intervalls 90 die vorbestimmte Span- nung VQ , die kleiner als die minimale Entladespannung Vcn πύn ist.
Die Spannungswandler 40 aus dem in Fig. 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel und aus dem in Fig. 2A darge- stellten zweiten Ausführungsbeispiel können Spannungen nur aufwärts bzw. nur abwärts wandeln. Entsprechend ist die vorbestimmte Spannung V0 , wie in Fig. 1B dargestellt, größer oder gleich der Ladeendspannung Vm m2ä. bzw., wie in Fig. 2B dargestellt, kleiner oder gleich der minimalen Entlade- Spannung OTjinin . Falls die vorbestimmte Spannung V0 innerhalb des für die Speicherzellen 22, 22' charakteristischen Intervalls 90 zwischen der minimalen Entladespannung Vcn min und der Ladeendspannung Vcn max liegt, wird vorzugsweise anstelle des Hochsetzstellers des ersten Ausführungsbeispiels und des Tiefsetzstellers des zweiten Ausführungsbeispiels ein SEPIC-Wandler oder ein Hoch-/Tiefsetzsteiler verwendet, wie es im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
Fig. 3A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten beiden dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein SEPIC- Wandler ist.
Während wiederum der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 miteinander kurzgeschlossen sind, sind zwischen dem ersten Eingangsanschluß 42 und dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 eine erste Spule 52, ein erster Kondensator 80 und eine Diode 54 in Serie geschaltet, wobei die erste Spule 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 einerseits und einen ersten Anschluß 80a des ersten Kondensators 80 sowie einen ersten Anschluß 62 eines FET 60 andererseits geschaltet ist, und ein zweiter Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 mit der Anode 56 der Diode 54 verbunden ist, und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers verbunden ist. Ein zweiten Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden, und ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, deren Eingangsanschluß 74 ebenfalls mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden ist. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Sour- ce-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 des MOSFET 60 ist der Source-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Zwischen den zweiten Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 sowie die Anode 56 der Diode 54 einerseits und den zweiten Eingang- sanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist eine zweite Spule 102 geschaltet, und zwischen die Kathode 58 der Diode 54 sowie den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein zweiter Kondensator 104 geschaltet.
Der Spannungswandler 40 des in Fig. 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erzeugt abhängig von Tastverhältnis und Frequenz der durch die Steuerung 72 gesteuerten Ein-/Ausschaltzyklen des FET 60 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine vorbestimmte Spannung V0 , die sowohl größer als auch kleiner als die zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Span- nung Vcn sein kann. Entsprechend eignet sich dieser Spannungswandler 40 insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, bei denen die vorbestimmte Spannung V0 , die die Energiespeichervorrich- tung 10 einem mit elektrischer Leistung zu versorgenden Gerät 10 bereitstellen soll, zwischen der minimalen Entladespannung Vcn mhi und der Ladeendspannung Vcn^mm liegt.
Fig. 3B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannung Vcn und V0 in dem Spannungswandler 40 des in Fig. 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels. Dabei symbolisiert ein Pfeil 94 ein Aufwärtswandeln, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine höhere Spannung V0 erzeugt, als er zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt. Ein Pfeil 94' stellt ein Abwärtswandeln dar, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine Spannung V0 erzeugt, die kleiner ist als die Spannung Vcn , die er an seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt.
Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine Möglichkeit zur Einstellung bzw. Programmierung einer erwünschten vorbestimmten Ausgangsspannung VQ auf. Nachfolgend werden anhand der Fig. 4, 5 und 6 Modifikationen des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, die eine solche Möglichkeit zur externen Einstellung der vorbestimmten Spannung V0 aufweisen. Vorzugsweise werden auch das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel entsprechend modifiziert.
Fig. 4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Unter- schied zu dem in Fig. 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist an dem Gehäuse 20 ein dritter Kontakt 110 angeordnet, der mit einem Steuereingang 112 der Steuerung 72 und einem Mittenabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist. Der Spannungsteiler wird durch einen ersten Widerstand 114 und einen zweiten Widerstand 116 gebildetet und ist parallel zu dem Kondensator 80 zwischen die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers 40 geschaltet. Er erzeugt ein elektrisches Potential, das zwischen den Potentialen der Ausganganschlüsse 46, 48 liegt und am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegt. Die Steuerung 72 ist so ausgebildet, daß dieses Potential die durch den Spannungswandler 40 erzeugte vorbestimmte Spannung V0 beeinflußt bzw. über eine Veränderung des am Steuereingang 112 anliegenden Potentials die vorbestimmte Spannung V0 einstellbar ist. Der dritte Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung stellt somit eine analoge Schnittstelle dar, über die der Spannungswandler 40 von außen ein Signal empfängt, das die durch ihn einzu- stellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt. Dieses von außen empfangene Signal ist beispielsweise ein zu der einzustellenden vorbestimmten Spannung V0 proportionales Spannungssignal.
In Fig. 4 ist neben der Energiespeichervorrichtung 10 schematisch ein Gerät 120 dargestellt, das Kontakte 130, 132, 134 aufweist, die elektrisch leitfähig mit den Kontakten 30, 32, 110 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 ist ein elektrisches oder elektroni- sches Gerät für eine beliebige Anwendung, das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Diese elektrische Leistung empfängt das Gerät 120 über die Kontakte 130, 132, die mit den Kontakten 30 und 32 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 umfaßt eine Schaltung zum Erzeugen bzw. Beeinflussen des am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegenden Analogsignals über den dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10. Im einfachsten Fall besteht diese Einrichtung, wie in Fig. 4 dargestellt, aus ein oder zwei Widerständen 140, 142, die in dem Gerät 120 angeordnet und über die Kontakte 130, 132 und 134 zu dem ersten Widerstand 114 bzw. dem zweiten Widerstand 116 parallel geschaltet sind. Die Widerstände 140, 142 bilden zusammen mit den Widerständen 114, 116 des Spannungswandlers 40 einen modifizierten Spannungsteiler, der ein beliebiges Widerstandsverhältnis aufweist, das in der Regel von dem des Spannungsteilers aus den Widerständen 114, 116 abweicht. Durch die Widerstände 140, 142 liegt somit ein an- deres Potential an dem Steuereingang 112 der Steuerung 72 an als es der allein aus dem ersten Widerstand 114 und dem zweiten Widerstand 116 gebildete Spannungsteiler erzeugt.
Alternativ weist das Gerät 120 eine beliebige andere Einrichtung bzw. eine beliebige Spannungsquelle zum Erzeugen eines Spannungssignals auf, das die Information enthält, welche vorbestimmte Spannung V0 das Gerät 120 benötigt bzw. der Spannungswandler 40 erzeugen soll.
Der Spannungswandler 40 muß keinen Spannungsteiler 114, 116 aufweisen. Die in Fig. 4 dargestellten Widerstände 114, 116 stellen jedoch sicher, daß auch dann, wenn das Gerät 120 beispielsweise keine Beschaltung des dritten Kontaktes 110 der Energiespeichervorrichtung 10 vorsieht, ein definiertes Signal am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anlegt. Dieses Signal bzw. die dieses erzeugenden Widerstände 114, 116 sind vorzugsweise so dimensioniert, daß die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 eine Standardbatteriespan- nung, beispielsweise 1,5 V zwischen dem ersten Kontakt 30 und dem zweiten Kontakt 32 erzeugt, wenn am dritten Kontakt 110 kein definiertes Signal von außen angelegt wird. Dadurch kann eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine herkömmliche Batterie in ein Gerät eingesetzt wer- den, das nicht für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung, sondern für eine herkömmliche Batterie ausgelegt ist.
Auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Energiespeicher- Vorrichtung 10 in einem herkömmlichen Gerät, das für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren ausgelegt ist, bietet den Vorteil, daß dem Gerät eine konstante Versorgungsspannung und eine in vielen Fällen erhöhte Kapazität bereitgestellt werden. Geräte der nächsten Generation, die für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen bzw. ausgebildet sind, nutzen alle Vorteile der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, indem sie mittels eines oder beider der in Fig. 4 dargestellten Widerstände 140, 142 eine Spannung bzw. ein Signal am dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10 und damit am Steuereingang 112 der Steuerung 72 erzeugen, das die für das Geräte 120 optimale Versorgungs- Spannung V0 an der Energiespeichervorrichtung 10 einstellt bzw. programmiert.
Fig. 5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine alternative Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels darstellt, bei der die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 anstatt einer analogen eine digitale serielle Schnittstelle aufweist, über die es ein digitales serielles Signal von einem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgt, empfängt. Das digitale serielle Signal stellt die von dem Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung dar. Der Spannungswandler 40 empfängt dieses digitale serielle Signal und stellt die benötigte Versorgungsspannung für das Gerät 120 bereit.
Die digitale Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt mindestens einen dritten Kontakt 110, der mit einem Kontakt 134 des Geräts 120 verbindbar ist und ferner mit einem Digitaleingang 152 eines Analog-/Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) 154 verbunden ist. Über die Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120, die beispielsweise durch den zweiten Kontakt 32 der Energiespeichervorrichtung 10 und den Kontakt 132 des Geräts 120 gebildet wird, fließt Leistung. Vorzugsweise weist die digitale Schnittstelle deshalb ferner einen vierten Kontakt 156 auf, der mit einem weiteren Kontakt 158 des Geräts 120 verbunden ist und eine ausschließlich der digitalen Schnittstelle zugeordnete Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120 bildet. Diese getrennte Masseverbindung ermöglicht einen störungs- ärmeren Betrieb der digitalen Schnittstelle. Alternativ handelt es sich bei dem Pfad über den vierten Kontakt 156 und den weiteren Kontakt 158 um eine zweite Signalleitung der digitalen seriellen Schnittstelle. Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen der Darstellung aus Fig. 4 und sind deshalb in Fig. 5 nicht wiedergegeben. Auch beim Gerät 120 sind weitere Merk- male, beispielsweise zur Erzeugung des Digitalsignals 160, in Fig. 5 nicht dargestellt.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die eine digitale parallele Schnittstelle aufweist. Über m Kontakte 170, 172, 174, die zusammen einen Parallelbus 176 bilden, werden Parallelbits bzw. Bitsignale übertragen, die gemeinsam ein Signal bilden, das die durch den Spannungswandler 40 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt bzw. über das das Gerät 120 der Energiespeichervorrichtung 10 mitteilt, welche Versorgungsspannung VQ es benötigt. Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen denen aus Fig. 4 und sind deshalb ebenso wie das Gerät 120 in Fig. 6 nicht dargestellt.
Die digitale Parallelschnittstelle bietet den Vorteil, daß geräteseitig die Einstellung der Versorgungsspannung V0 besonders einfach per Festverdrahtung erfolgen kann, d. h. ohne ein einziges zusätzliches Bauteil.
Eine weitere mögliche Schnittstelle zur Übertragung eines Signals von dem Gerät 120 an die Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt reversible oder nichtreversible Schalter bzw. Schaltkontakte. Diese bilden eine mechanisch-elektrische parallele digitale Schnittstelle und werden durch Nasen, Noppen, Stege oder ähnliche mechanische Einrichtungen an dem Gerät 120 beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Fach des Geräts 120 selektiv betätigt bzw. geöffnet oder geschlossen. Irreversible Schaltkontakte werden nur einmal beim ersten Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Gerät 120 geschlossen oder geöffnet und ändern ihren Schaltzustand beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 nicht mehr. Rever- sible Schaltkontakte gehen beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 wieder in ihren Ursprungszustand über und ermöglichen so eine Verwendung ein und derselben Energiespeichervorrichtung 10 nacheinan- der in verschiedenen Geräten mit verschiedenen Versorgungsspannungen. Das Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt, ist in diesem Fall auf Seite des Geräts 120 ein mechanisches Signal. Dieses mechanische Signal wird in der Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 in ein elektrisches Signal gewandelt, das wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen die Versorgungsspannung steuert.
Die Energiespeichervorrichtung 10 und das Gerät 120 können so ausgebildet sein, daß ein Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt, nur einmal nach dem Verbinden der Energiespeichervorrichtung 10 mit dem Gerät 120 oder in regelmäßigen Abständen oder bei bestimmten Ereignissen wiederholt oder aber ständig von dem Gerät 120 gesendet bzw. bereitgestellt und von der Energiespeichervorrichtung 10 empfangen wird. Das Signal und damit die vorbestimmte Spannung V0 können sich ändern, wenn die Energiespeichervorrichtung 10 mit einem anderen Gerät 120 verbunden wird, und vorzugsweise auch, wenn sich die von dem Gerät 120 benötige Versorgungsspannung beispielsweise beim Wechsel eines Betriebsmodus ändert. Beispielsweise fordert das Gerät 120 von der Energiespeichervorrichtung 10 eine niedrige vorbestimmte Spannung V0 an, wenn es sich in einem Sleep- oder Idle-Modus befindet, in dem lediglich der Dateninhalt eines Speichermoduls erhalten oder eine Schnittstelle überwacht werden muß. Wenn das Gerät 120 eine höhere elektrische Leistung benötigt, beispielsweise weil ein HF-Sender betrieben, eine Beleuchtung eingeschaltet o- der in einem Prozessor ein Programm ausgeführt wird, fordert das Gerät 120 durch ein entsprechendes Signal von der Energiespeichervorrichtung 10 eine vorbestimmte Spannung V0 , die für den jeweiligen Betriebsmodus und Betriebszustand optimal ist.
In den Fig. 1 - 4 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellungen keine Ladesteuer- und Schutzelektronik dargestellt. Eine Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik kann parallel zu den in den Fig. 1 - 4 dargestellten Elementen des Spannungswandlers 40 zwischen die Eingangsanschlüsse 42, 44 und die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers geschaltet sein. Alternativ ist die Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik parallel zu dem Spannungswandler 40 zwischen Plus- und Minuspol 24, 26 der Speicherzellen 22, 22' einerseits und den Leistungsausgang 30, 32 der Energiespei- chervorrichtung 10 andererseits geschaltet. Steuer- und Ü- berwachungsfunktionen sind jedoch vorzugsweise, wie bereits erwähnt, in die Steuerung 72 implementiert. Dabei übernehmen zumindest einzelne der aktiven Elemente des Spannungswandlers 40 gleichzeitig Ladesteuer- und Schutzfunktionen. Für einen steuerbaren Ladestrompfad ist im ersten Ausführungsbeispiel die Diode 54 beispielsweise als geschalteter MOSFET ausgeführt, während im zweiten Ausführungsbeispiel der FET 60 vorzugsweise als bidirektionaler Schalter ausgeführt ist, beispielsweise in Form zweier antiserieller MOS- FETs. Im dritten Ausführungsbeispiel wird dazu vorteilhaft ein MOSFET eingesetzt, der die Elemente 80 und 54 überbrückt. Darüber hinaus sind vorzugsweise zusätzliche aktive Bauelemente für Lade- und/oder Schutzfunktionen in den Spannungswandler und dessen Hauptstrompfad integriert.
Die Spannungswandler 40 der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung können konventionell bzw. aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Vorzugsweise und hinsichtlich der Herstellungskosten und der geometrischen Abmessungen bzw. des Bauvolumens der Spannungswandler vorteilhaft sind diese jedoch vollständig monolithisch auf einem Chip integriert. Die Schaltfrequenzen des Gleichspannungswandlers liegen dazu vorzugsweise im Bereich einiger MHz, da bei diesen Frequenzen die elektrischen und magnetischen Energiespeicher, d. h. die Spulen 52, 102 und die Kondensatoren 80, 104, auf einem Chip realisiert bzw. in diesen integriert werden können.
Vorteilhaft ist ferner eine monolithische Integration des Spannungswandlers 40 mit einer Lade- und Schutzschaltung gegen Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, Ü- bertemperatur etc. Ferner weist ein Spannungswandler 40 ge- maß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise spezielle Betriebsmodi auf, beispielsweise einen Burst-Modus, in dem insbesondere bei Nennlast ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, und eine No-Load-Abschaltung bzw. einen Modus, in dem der Spannungswandler abgeschaltet wird, wenn keine Last an die Energiespeichervorrichtung 10 angeschlossen ist, um eine geringe Selbstentladung auch im Schwachlastbetrieb oder bei einer längeren Lagerung der Energiespeichervorrichtung 10 sicherzustellen.
Die Fig. 7 - 10 sind schematische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10, in denen vor allem die Form des Gehäuses 20 und die Anordnung der Kontakte 30, 32, 110, 156, 170, 172, 174 an dem Gehäuse 20 dargestellt sind. Form, Größe und Anordnung der Kontakte sind dabei normalerweise so gewählt, daß sie beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in ein Fach eines Geräts mit entsprechenden Kontakten des Geräts zwangsläufig bzw. automatisch verbunden werden.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuse 20 und die Kontakte 30, 32, die den Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung 10 bilden, hinsichtlich ihrer Form, Größe und Anordnung vorzugsweise einem durch die IEC oder die ISO standardisierten Batterietyp entsprechen, bei- spielsweise einer Mono-, Baby-, Mignon-, Mikro- oder Lady- Zelle oder einer anderen Rund- oder Knopfzelle. Der Spannungswandler 40 entspricht einem der in den Fig. 1A, 2A und 3A dargestellten Ausführungsbeispiele, wobei die vorbe- stimmte Spannung V0 vorzugsweise der Nennspannung des der Form und Größe des Gehäuses 20 entsprechendem Standardbatterietyps entspricht. Alternativ weist die Energiespeichervorrichtung 10 ferner, wie in den Fig. 4 - 6 dargestellt, eine Schnittstelle und einen über die Schnittstelle von extern steuerbaren Spannungswandler bzw. einen Spannungswandler mit einer von außen einstellbaren vorbestimmten Ausgangsspannung V0 auf. Die Schnittstelle ist hier als ringförmige Elektrode 110 zur Übertragung eines Analogsignals oder eines digitalen seriellen Signals dargestellt. Vorzugsweise ist der Spannungswandler 40, wie oben beschrieben, so ausgeführt, daß die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 die Spannung V0 bereitstellt, die dem in Größe und Form des Gehäuses 20 entsprechenden Stan- dardbatterietyp entspricht, wenn an der Schnittstelle 110 kein Signal anliegt. Dadurch ist die Energiespeichervorrichtung 10 abwärtskompatibel und sowohl in herkömmlichen Geräten, die für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren vorgesehen sind, als auch in Geräten, die für die erfin- dungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen sind, einsetzbar.
Die Fig. 8 und 9 sind schematische, perspektivische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtun- gen 10, deren Gehäuse 20 und Kontakte 30, 32, 110 in Form, Größe und Anordnung Flachbatterien mit Anschlußfahnen bzw. mit Kontaktierungsflachen entsprechen.
Fig. 10 ist eine schematische perspektivische Außenansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, die eine oben beschriebene mechanisch-elektrische Schnittstelle in Form von mehreren Folienschaltkontakten bzw. Folienschaltern 180, 182, 184 aufweist. Die Folienschalter 180, 182, 184 sind in die Batterieumhüllung bzw. das Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 integriert und vorzugsweise durch eine Deckfolie gegenüber der Umwelt hermetisch abgeschlossen. Es sind somit keine zusätzlichen, nach außen geführten Kontakte 110, 156, 170, 172, 174 erforderlich, um die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 einzustellen. Die Folienschalter 180, 182, 184 werden beim Einsetzen bzw. Einlegen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Gerät durch Nop- pen, Stege, Vorsprünge oder ähnliche mechanische Einrichtungen im Batterie- bzw. Akkumulatorfach betätigt. Mit m Folienschaltern ist eine Auswahl von 2m verschiedenen Werten der Versorgungsspannung bzw. der einzustellenden vorbestimmten Spannung V0 möglich. Die in Fig. 10 gezeigte Ver- wendung von Folienschaltern zur Bildung einer mechanischelektrischen Schnittstelle eignet sich besonders für Flach- und Folienzellen und weist hier den besonderen Vorteil auf, keine zusätzlichen Durchführungen durch die hermetisch dichte Hülle zu erfordern.
Bei der Verwendung von Folienzellen wird der Spannungswandler 40 vorzugsweise in Dünnchiptechnik hergestellt, in der bedingt flexible Chips erzeugt werden können. Die in den Fig. 8, 9, 10 dargestellten Folienzellen sind vorzugsweise elastisch bzw. mechanisch flexibel.
Vorzugsweise weist eine Energiespeichervorrichtung eine Spule auf, über die einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnommen werden kann, um die Speicherzellen 22, 22' aufzuladen, wobei es sich bei diesen um Sekundärzellen handelt. Vorzugsweise wird eine im Spannungswandler 40 ohnehin vorhandene Spule so beschaltet, daß sie zum Laden der Speicherzellen einem elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnehmen kann. Vorzugsweise wird die Spule auf eine Siliziumoberfläche oder einen Schaltungsträger gedruckt.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geräts 120, das ausgebildet ist, um durch eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10 mit elektrischer Leistung versorgt zu werden. Das Gerät 120 weist ein Batterie- oder Akkumulatorfach bzw. ein Fach 190 zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Energie- Speichervorrichtung auf. In dem Fach 190 sind Kontakte 130, 132 angeordnet, welche beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 deren Kontakte 30, 32 kontaktieren. Das Fach 190 und die Kontakte 130, 132 sind vorzugsweise so ausge- bildet, daß auch eine herkömmliche Standardbatterie eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist im Fach 190 ein weiterer, vorzugsweise ebenso wie die Kontakte 130, 132 federnder, Kontakt 134 angeordnet, der beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Fach 190 einen dritten Kontakt der Energiespeichervorrichtung 10 kontaktiert. Das Gerät 120 erzeugt ein analoges oder digitales serielles o- der (wenn anstatt des einen dritten Kontaktes 134 eine Mehrzahl von Kontakten vorgesehen ist) paralleles Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende Spannung V0 darstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichervorrichtung (10) mit folgenden Merkmalen:
einer Speicherzelle (22, 22' ) mit einem Leistungsausgang (24, 26) zum Speichern von Energie;
einem Spannungswandler (40) mit einem Leistungseingang (42, 44), der mit dem Leistungsausgang (24, 26) der Speicherzelle (22, 22') verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang (46, 48), zum Wandeln einer Ausgangsspannung ( Vcn ) der Speicherzelle (22, 22') in eine vorbestimmte Spannung ( V0 ) ;
einem Leistungsanschluß (30, 32), der mit dem Leistungsausgang (46, 48) des Spannungswandlers (40) verbunden ist; und
einem Gehäuse (20), innerhalb dessen die Speicherzelle (22, 22' ) und der Spannungswandler (40) angeordnet sind, an dem der Leistungsanschluß (30, 32) angeordnet ist, und das ausgebildet ist, um in ein Fach (190) eines Geräts (120) eingesetzt zu werden, wobei der Lei- stungsanschluß (30, 32) für ein Verbinden mit einem Leistungseingang (130, 132) des Geräts (120) ausgebildet ist, um elektrische Leistung an das Gerät (120) zu übertragen.
2. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, deren Leistungsanschluß (30, 32) so an dem Gehäuse (20) angeordnet und ausgebildet ist, daß er beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung (10) in das Fach (190) des Geräts (120) mit dem Leistungseingang (130, 132) des Geräts (120) verbunden wird.
3. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Spule (52, 102), die mit einem äu- ßeren elektromagnetischen Wechselfeld koppelbar ist, um Leistung zum Laden der Speicherzelle (22, 22') zu empfangen.
4. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der die Spule (52, 102) Bestandteil des Spannungswandlers (40) ist.
5. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der An- Sprüche 1 bis 4, bei der der Spannungswandler so ausgebildet ist, daß die vorbestimmte Spannung ( V0 ) von der Ausgangsspannung ( Vm ) der Speicherzelle (22, 22') unabhängig ist, wenn diese innerhalb eines vorbestimmten Intervalls (90) liegt.
6. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Spannungswandler (40) ausgebildet ist, um die Ausgangsspannung ( Vm ) der Speicherzelle (22, 22') in eine einstellbare vorbe- stimmte Spannung ( VQ ) zu wandeln, ferner mit einer Schnittstelle (110, 156; 176) zum Empfangen eines Signals, das eine einzustellende vorbestimmte Spannung ( V0 ) darstellt.
7. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 6, bei der die Schnittstelle (110) eine Analogschnittstelle zum Empfangen eines Analogsignals, das die einzustellende Spannung ( V0 ) darstellt, ist.
8. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, wobei das zu empfangende Analogsignal eine durch einen Spannungsteiler (114, 116, 140, 142) erzeugte Spannung ist.
9. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 6, bei der die Schnittstelle (110, 156; 176) eine Digitalschnittstelle zum Empfangen eines Digitalsignals (60) , das die einzustellende Spannung { V0 ) darstellt, ist.
10. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 9, bei der die Schnittstelle eine serielle Schnittstelle
(110, 156) oder eine parallele Schnittstelle (176; 180, 182, 184) ist.
11. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 6, bei der die Schnittstelle eine parallele Schnittstelle ist und eine Mehrzahl von mechanischen Schaltern (180, 182, 184) umfaßt, die an dem Gehäuse (20) angeordnet und ausgebildet sind, um beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung (10) in das Fach (190) des Geräts (120) durch eine mechanische Einrichtung des Geräts (120) betätigt zu werden.
12. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, bei der die mechanischen Schalter Folienschalter (180, 182, 184) sind.
13. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Spannungswandler (40) monolithisch auf einem Chip integriert ist.
14. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der An- sprüche 1 bis 13, bei der der Spannungswandler (40) einen Chip-Kondensator (80, 104) auf einem Siliziumsubstrat umfaßt.
15. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der An- sprüche 1 bis 14, bei der der Spannungswandler (40) eine auf einen Schaltungsträger oder auf einen Siliziumchip gedruckte Spule (52, 102) umfaßt.
16. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der An- sprüche 1 bis 15, bei der der Spannungswandler (40) in
Dünnchiptechnologie hergestellt ist.
17. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Speicherzelle (22, 22'), der Spannungswandler (40) und das Gehäuse (20) mechanisch flexible Materialien aufweisen.
18. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner mit einer Ladesteuereinrichtung zum Steuern eines Ladens der Speicherzelle.
19. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner mit einer Schutzeinrichtung zum Schützen der Speicherzelle (22, 22') vor Tiefentladung, zu hohem Ladestrom und thermischer Überlastung.
20. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 18 oder 19, bei der die Ladesteuereinrichtung bzw. die Schutzeinrichtung mit dem Spannungswandler (40) integriert ist .
21. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der zumindest ein Bauelement des Spannungswandlers (40) gleichzeitig Teil der Ladesteuereinrichtung bzw. der Schutzeinrichtung ist.
22. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der der Spannungswandler (40) einen ersten Betriebsmodus mit einem Vollastwirkungsgrad und einen zweiten Betriebsmodus mit einem Teil- lastwirkungsgrad, der niedriger ist als der Vollastwirkungsgrad des ersten Betriebsmodus, aufweist.
23. Energiespeichervorrichtung (10) gemäß Anspruch 22, bei der ein erster Ruhestromverbrauch im ersten Betriebs- modus höher als ein zweiter Ruhestromverbrauch im zweiten Betriebsmodus ist.
24. Vorrichtung (120) mit folgenden Merkmalen: einem Fach (190) , in das eine Energiespeichervorrichtung (10) mit einem Spannungswandler (40) zum Erzeugen einer einstellbaren vorbestimmten Spannung ( V0 ) ein- setzbar ist;
einem Leistungseingang (130, 132), der mit einem Leistungsanschluß (30, 32) der Energiespeichervorrichtung (10) verbindbar ist, um elektrische Leistung von der Energiespeichervorrichtung (10) zu empfangen; und
einer Schnittstelle (134, 158) zum Senden eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt .
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