WO2023083651A1 - Verfahren zum laden oder entladen eines wechselbaren energiespeichers mittels eines elektrogeräts sowie system mit einem wechselbaren energiespeicher und einem elektrogerät zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum laden oder entladen eines wechselbaren energiespeichers mittels eines elektrogeräts sowie system mit einem wechselbaren energiespeicher und einem elektrogerät zur durchführung des verfahrens Download PDF

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electrical
resistor
charging
signal
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Alexander Osswald
Christoph Klee
Marc-Alexandre Seibert
Holger Wernerus
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for charging or discharging a replaceable energy store, in particular a replaceable battery pack, using an electrical device, in particular a charging device or an electrical consumer. Furthermore, the invention relates to a system with an electrical energy store and an electrical device for carrying out the method.
  • a large number of electrical consumers are operated with energy stores which can be exchanged by the operator via corresponding electromechanical interfaces, which are discharged by the electrical consumer and can be recharged using a charging device.
  • Such energy stores can consist of one energy storage cell or of a plurality of energy storage cells connected in series and/or in parallel in order to achieve a required battery voltage or battery capacity. If the energy storage cells are in the form of lithium ion cells (Li-ion), for example, a high power and energy density can be achieved with particular advantage.
  • Li-ion lithium ion cells
  • an undesirable voltage drop which depends on the respective charging or discharging current, can occur in particular at the electrical contacts, designed as power contacts, of the electromechanical interfaces of the exchangeable energy store and the electrical device due to any contact resistance. If the signals relate to the potential of a power contact that is effectively connected to it. In addition, as a result of increasing wear or soiling of the electrical contacts, their transition resistance and thus also the resulting voltage drop increase, which can ultimately lead to an impairment of the function of the electrical device or the replaceable energy store.
  • a method for determining the internal and connection resistance of a battery is known from EP 2 051 088 A1, which is provided in particular for the mains supply of a control center and/or a peripheral unit of a danger alarm system. Furthermore, a circuit arrangement designed as part of an alarm system for determining the internal and connection resistance of the battery is disclosed, the circuit arrangement having an input for connecting the circuit arrangement to the battery, a measuring resistor for loading the battery with a measuring current and a switch for temporarily closing a circuit having. If the switch is closed, a measurement current can flow, which leads to a temporary load on the measurement resistor with a measurement power that is greater than the rated power of the measurement resistor.
  • a method includes at least the following steps for charging or discharging a replaceable energy store, in particular a replaceable battery pack, using an electrical device, in particular a charging device or an electrical consumer: a. Connecting a first electromechanical interface of the exchangeable energy store to a further electromechanical interface of the electrical device, b. Applying a first measurement signal to a first signal or data contact of the further electromechanical interface of the electrical device without a charging or discharging current flowing, c. detecting a voltage drop between the first signal or data contact and a first power contact of the further electromechanical interface of the electronic device, which is operatively connected to the first signal or data contact, d. additionally applying a charging or discharging current I, e. re-detecting the voltage drop between the first signal or data contact and the first power contact of the further electromechanical interface of the electronic device and f. calculating a voltage difference between the voltage drops detected in step c and step e.
  • a system for carrying out the method which has an electrical energy store, in particular a replaceable battery pack, with a first electromechanical interface having a plurality of electrical contacts and an electrical device, in particular a charging device or an electrical consumer, with a control or regulation unit and with a further electromechanical interface having a plurality of electrical contacts, with a first of the electrical contacts of the electromechanical interfaces as a first signal or data contact and a second of the electrical contacts of the electromechanical interfaces as a first with a first reference potential, preferably a ground potential , Actuatable power contact is formed.
  • the electrical device and the replaceable energy store each have at least one first resistor, which is provided to form a first voltage divider connected to the first power contacts via the signal or data contacts when the electromechanical interfaces are in the connected state.
  • Electrical consumers in the context of the invention should be understood to mean, for example, power tools operated with an energy storage device designed as a replaceable battery pack for processing workpieces using an electrically driven insert tool.
  • the power tool can be designed both as a hand-held power tool and as a stationary power tool.
  • the exchangeable battery pack can be exchanged by an operator without the use of tools, i.e. by hand.
  • Typical power tools in this context are handheld or stationary drills, screwdrivers, percussion drills, hammer drills, planes, angle grinders, orbital sanders, polishing machines, circular saws, table saws, chop saws and jigsaws or the like.
  • Lights operated with a replaceable battery pack and measuring devices such as range finders, leveling devices, wall scanners, etc., garden and construction equipment such as lawn mowers, lawn trimmers, branch saws, motor and trench cutters, robot breaker and excavator or the like also come as electrical consumers. and household appliances such as vacuum cleaners, blenders, etc.
  • the invention can also be applied to electrical consumers that can be supplied simultaneously with a plurality of exchangeable battery packs in order to achieve a long service life and/or high performance.
  • Road, rail or aircraft equipped with accumulators or fuel cells, whose energy stores can only be replaced by the manufacturer also come into consideration as electrical consumers in the context of the invention.
  • the replaceable energy stores can be designed as non-rechargeable primary cells or the like. In that case, the invention is then limited to the pure discharging process.
  • the battery voltage of an exchangeable battery pack is usually a multiple of the voltage of an individual energy storage cell and results from the interconnection (in parallel or in series) of the individual energy storage cells.
  • An energy storage cell is typically configured as a galvanic cell having a configuration in which one cell pole is at one end and another cell pole is at an opposite end.
  • the Energy storage cell at one end a positive cell pole and at an opposite end a negative cell pole.
  • the energy storage cells are preferably in the form of lithium-based energy storage cells, for example Li-Ion, Li-Po, Li-Metal or the like.
  • the invention can also be used for exchangeable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • a further embodiment of the invention provides that the first voltage drop at the first signal or data contact is compensated for using the voltage difference calculated in step f. In this way, any existing measurement error can be avoided, for example by subtracting the voltage difference from the measured voltage drop.
  • the at least one first resistor of the exchangeable energy store is designed as a fixed resistor, in particular as a coding resistor, or as a variable resistor, in particular as a temperature resistor. de. Furthermore, the at least one first resistor of the electrical device is in the form of an unchangeable resistor.
  • the electrical device can determine the maximum charging or discharging current with which the exchangeable energy store may be operated by measuring the voltage drop caused by the coding resistor across the first signal or data contacts. To do this, a control or regulation unit of the electronic device compares the measured resistance value with a resistance value stored in a look-up table.
  • a first resistor designed as a temperature resistor enables the electrical device to influence the charging or discharging current as a function of a temperature of the exchangeable energy store.
  • Any voltage difference calculated in step f can be used to detect and compensate for a measurement error which, without corresponding compensation, would lead to an incorrectly set maximum charging or discharging current or to an incorrectly detected temperature in the exchangeable energy store.
  • a maximum charging or discharging current that is too high can damage or destroy the removable energy storage device and possibly also the electrical device connected to it, while a maximum charging or discharging current that is too low reduces the performance of the electrical consumer or the charging process by a charger extended.
  • At least one second measurement signal is applied to at least one third electrical contact, configured as a second signal or data contact, of the further electromechanical interface of the electrical device, with a second voltage drop at the at least one second signal or Data contact of the electrical device is measured and the second voltage drop is compensated for using the voltage difference calculated in step f.
  • the electrical device and the exchangeable energy store each have at least one second resistor, which is provided to form a second voltage divider connected to the first power contacts via the second signal or data contacts when the electromechanical interfaces are in the connected state.
  • the at least one first resistance of the replaceable energy store as a fixed resistor, in particular as a coding resistor, and the at least one second resistor of the replaceable energy store as a variable resistor, in particular as a temperature resistor, whereas the at least one first and the at least one second resistor of the electrical device are each designed as a fixed resistor resistance are formed.
  • variable resistor designed as a temperature resistor
  • the temperature and consequently also the resistance value does not change within a limited time window in which the first power contacts are subjected to the charging or discharging current.
  • a development of the invention provides that a continuous or time-discrete repetition of steps e and f and subsequent filtering, in particular low-pass filtering, determines a DC component and an AC component of the voltage difference. Mechanical vibration of the electrical device can thus be detected on the basis of the ascertained alternating component of the voltage difference. In this way, it is particularly advantageous to draw conclusions about a speed of an electric motor or a number of impacts of a percussion mechanism of an electrical device designed as an electrical consumer.
  • a first contact resistance value between the first power contacts of the first electromechanical interface of the replaceable energy store and the other electromechanical interface of the electronic device can also be calculated as a function of the charging or discharging current that is flowing.
  • the first The contact resistance value can provide information as to whether at least one of the first power contacts of the electromechanical interfaces is dirty or worn.
  • a current pulse applied to a second power contact of the electromechanical interfaces can be used to measure a battery voltage change across the first and second power contacts, and based on the measured battery voltage change, a virtual internal resistance value of the replaceable energy store can be calculated.
  • the second power contact is designed as an electrical contact of the electromechanical interfaces that can be acted upon by a supply potential.
  • the calculation of the virtual internal resistance value is based on the assumption that the two contact resistances between the first and the second power contacts of the electromechanical interfaces are distributed symmetrically.
  • the electrical device knows a nominal internal resistance value of the exchangeable energy storage device - for example because it is stored in a memory of the control or regulation unit of the electrical device and read out via the coding resistor or because it was transmitted from the exchangeable energy storage device to the electrical device using appropriate wireless communication interfaces - it can a second contact resistance value between the second power contacts of the electromechanical interfaces is calculated in such a way that the nominal internal resistance value and the first contact resistance value are subtracted from the virtual internal resistance value of the exchangeable energy store. Wear or soiling of the second power contacts of the electromechanical interfaces can also be detected in this way.
  • the electrical device reduces or interrupts the charging or discharging current if the first and/or the second contact resistance value exceeds a first threshold value. If the charging or discharging current is reduced, it is possible to continue charging or discharging while observing certain safety measures. For example, an electrical consumer with Reduced power can continue to be operated while a charger charges the removable energy storage device more slowly or up to a reduced limit value. An interruption of the charging or discharging current, on the other hand, causes the charging or discharging process to be terminated immediately. Proper operation is only possible again when the first and/or the second contact resistance value falls below the first threshold value.
  • the electrical device interrupts the charging or discharging current if the first and/or the second contact resistance value exceeds a second threshold value.
  • exceeding the first threshold value only causes a reduction in the charging or discharging current.
  • the flexibility and security of the system can be further increased in this way.
  • a compensation for the voltage drops at the signal or data contacts of the electrical device, a reduction or interruption of the charging or discharging current and/or a detected vibration of the electrical device is displayed to an operator and/or to an external device , in particular wirelessly, are transmitted.
  • the display can be designed as an HMI (Human Machine Interface) of the electrical device in the form of an LC or OLED display, a simple LED display or corresponding optical means.
  • An acoustic display via a loudspeaker, a PIEZO or the like and/or a haptic display in the form of a vibration motor or the like is also conceivable.
  • a wireless communication interface in the form of a Bluetooth, WLAN or ZigBee connection is particularly suitable for transmitting the data to the external device.
  • a cellular connection via GSM, LTE, 5G or the like is also conceivable.
  • the transmission can also be wired via USB or the like.
  • Smartphones, tablets, personal computers, cloud servers or the like can be used as external devices within the meaning of the invention.
  • Fig. 1 a system comprising a replaceable energy store designed as a replaceable battery pack and at least one electrical device that can be connected to the replaceable battery pack, in particular a charger and various electrical consumers designed as power tools, for charging or discharging the replaceable battery pack in a schematic representation and
  • FIG. 2 shows the system from FIG. 1 as a block diagram with a replaceable battery pack and an electrical device designed as a charger.
  • Figure 1 shows a system comprising a replaceable energy store 12 designed as a replaceable battery pack 10 with a first electromechanical interface 16 having a plurality of electrical contacts 14 and an electrical device 18, in particular a charging device 20 or an electrical consumer 22, with a further, a plurality of electrical contacts 14 having electromechanical interface 24.
  • Figure 1 is intended to illustrate that the system according to the invention is suitable for various electrical devices 18 operated with exchangeable energy storage devices 12 without restricting the invention.
  • a battery-powered vacuum cleaner 26, a battery-powered impact wrench 28 and a battery-powered lawn trimmer 30 are shown as examples.
  • the exchangeable battery pack 12 has a housing 32 which has the first electromechanical interface 16 on a first side wall or its upper side 34 for the positively and/or non-positively releasable connection to the electromechanical interface 24 of the electrical device 18 .
  • the first and the further electromechanical interface 16, 24 are used primarily for discharging and in connection with the charging device 20 for charging the replaceable battery pack 10.
  • the exact configuration of the first and the further electromechanical interface 16, 24 depends on various factors, such as the voltage class of the removable battery pack 10 or the electrical device 18 and various manufacturer specifications.
  • three or more electrical contacts 14 can be provided for energy and/or data transmission between the replaceable battery pack 12 and the electrical device 18 .
  • a mechanical coding is also conceivable, so that the replaceable battery pack 10 can only be operated on specific electrical devices 18 .
  • the replaceable battery pack 10 has a mechanical locking device 36 for locking the positively and/or non-positively releasable connection of the first electromechanical interface 16 of the replaceable battery pack 10 to the corresponding mating interface 24 (not shown in detail) of the electrical load 22.
  • the locking device 36 is a spring-loaded pusher 38 is formed, which is operatively connected to a locking member 40 of the replaceable battery pack 10 . Due to the springiness of the pusher 38 and/or the locking member 40, the locking device 36 automatically engages when the replaceable battery pack 10 is pushed into the mating interface 24 of the electrical load 22. If an operator presses the push button 38 in the insertion direction, the lock is released and the operator can remove or push out the replaceable battery pack 10 from the electrical consumer 22 in the opposite direction to the insertion direction.
  • electromechanical interfaces 16, 24 of the replaceable battery pack 10 and the electrical devices 18 that can be connected to it and the associated receptacles for the non-positive and/or positively detachable connection are not intended to be the subject of this invention.
  • a person skilled in the art will select a suitable embodiment for the electromechanical interfaces 16, 24 depending on the performance or voltage class of the electrical device 18 and/or the replaceable battery pack 10.
  • the embodiments shown in the drawings are therefore only to be understood as examples.
  • electromechanical interfaces 16, 24 with more or less than the four electrical contacts 14 shown can also be used.
  • the rechargeable battery voltage of the exchangeable rechargeable battery pack 10 generally results from a multiple of the individual voltages of the energy storage cells (not shown), depending on their wiring (in parallel or in series).
  • the energy storage cells are preferably designed as lithium-based rechargeable battery cells, e.g. Li-Ion, Li-Po, Li-Metal or the like.
  • the invention can also be used for exchangeable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • a communication interface 42 of the removable battery pack 10 and/or the electrical device 18 preferably designed as a radio interface (e.g. Bluetooth, WLAN, NFC, ZigBee, LoRa, GSM, UMTS, LTE, 5G or the like), it is possible for the operator to receive information about the To transfer charging and / or discharging processes of the removable battery pack 10 and / or the electrical device 18 to an external device 44, such as a smartphone, tablet, PC, a cloud server or the like. In addition, it can be read out or controlled using an app or software installed on the external device 44 . In addition, it is conceivable for the exchangeable battery pack 10 and the electrical devices 18 to exchange data with one another via their respective communication interfaces 42 .
  • a radio interface e.g. Bluetooth, WLAN, NFC, ZigBee, LoRa, GSM, UMTS, LTE, 5G or the like
  • the communication interfaces 42 can also be contact-based liable to be trained.
  • the transmission can take place via Universal Serial Bus (USB), Lightning, RS232 or via the electrical contacts 14 of the electromechanical interfaces 16, 24.
  • the communication interfaces 42 can be embodied as a microprocessor or the like and include all communications technology means required for this, such as modulators, demodulators, antennas, etc.
  • FIG. 2 shows the system from FIG. 1 as a block diagram with the replaceable energy store 12 designed as a replaceable battery pack 10 on the left-hand side and the electrical device 18 designed as a charging device 20 on the right-hand side.
  • Removable battery pack 10 and charger 20 have the mutually corresponding electromechanical interfaces 16 and 24 with a plurality of electrical contacts 14, with a first of the electrical contacts 14 of the interfaces 16, 24 acting as a power contact to which a first reference potential Vi, preferably a ground potential GND, can be applied 46 and a second of the electrical contacts 14 of the interfaces 16, 24 serves as a first signal or data contact 48.
  • a first reference potential Vi preferably a ground potential GND
  • the replaceable battery pack 10 can be charged by the charger 20 and discharged by an electronic device 18 embodied as an electrical load 22 via the first power contact 46 and a second power contact 50 that can be acted upon by a second reference potential V2, preferably a supply potential V+.
  • V2 a second reference potential
  • V+ a supply potential
  • the term "can be acted upon” is intended to make it clear that the potentials V+ and GND, particularly in the case of an electrical load 22, are not permanently present at the power contacts 46, 48, but only after the electromechanical interfaces 16 and 24 have been connected. The same applies to a discharged replaceable battery pack 10 Connection to the charger 20.
  • the replaceable battery pack 10 has a plurality of energy storage cells 52, which are shown in Figure 2 as a series connection, but can alternatively or additionally also be operated in a parallel connection, the series connection storing the battery voltage Ußatt of the replaceable battery pack 10 defined, while a parallel circuit tion of individual energy storage cells 52 primarily affects the capacity of the removable battery pack 10.
  • individual cell clusters consisting of energy storage cells 52 connected in parallel can also be connected in series in order to achieve a specific battery voltage U.sub.Batt of the exchangeable battery pack 10 with a simultaneously increased capacity.
  • the capacity of common exchangeable battery packs can be 10 up to 12 Ah or more.
  • the invention is not dependent on the type, design, voltage, power supply capability, etc. of the energy storage cells 52 used, but can be applied to any exchangeable battery pack 10 and energy storage cell 52.
  • An SCM preliminary stage 54 (single cell monitoring) is provided for monitoring the individual energy storage cells 52 or cell clusters of the replaceable battery pack 10 connected in series.
  • the SCM preliminary stage 54 has a multiplexer measuring device 56 which can be connected via filter resistors 58 to corresponding taps 60 of the poles of the energy storage cells 52 or cell clusters.
  • the multiplexer measuring device 56 switches sequentially between the individual taps 60, for example via integrated transistors that are not shown in detail, in such a way that they are each connected to a positive and a negative pole of the energy storage cell 52 or of the energy storage cell to be measured to be measured cell cluster is connected.
  • the term energy storage cell is also intended to include the cell cluster, since these only have an influence on the capacity of the replaceable battery pack 10, but are equivalent for the detection of the cell voltages Uceii.
  • the filter resistors 58 which are designed in particular to have a high resistance, serve to prevent dangerous heating of the measuring inputs of the multiplexer measuring device 56.
  • the multiplexer measuring device 56 is switched over via a first control or regulating unit 62 integrated in the exchangeable battery pack 10.
  • This can also have switching elements 64 connected in parallel with the energy storage cells 52 Close or open the SCM precursor 54 in order in this way to bring about a so-called balancing of the energy storage cells 52 in order to achieve uniform charging or discharging states of the individual energy storage cells 52 .
  • the SCM preliminary stage 54 passes the measured cell voltages Uceii directly to the first control or regulation unit 62, so that the actual measurement of the cell voltages Uceii can be carried out directly by the first control or regulation unit 62, for example via corresponding analog-digital -Converter (ADC) is performed.
  • ADC analog-digital -Converter
  • the first control or regulation unit 62 can be designed as an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASICs, DSPs or the like. However, it is also conceivable for the first control or regulation unit 62 to consist of a plurality of microprocessors or at least in part of discrete components with corresponding transistor logic. In addition, the first control or regulating unit 62 can have a memory for storing operating parameters of the replaceable battery pack 10, such as the battery voltage Ußatt, the cell voltages Uceii, a charging or discharging current I, a current integral, a temperature T or the like.
  • the electrical devices 18 of the system also each have a further control or regulation unit 66 , which can be designed in accordance with the first control or regulation unit 62 .
  • the first and the further control or regulation unit 62 or 66 can exchange information via the first signal or data contact 48 of the two electromechanical interfaces 16, 24, preferably digitally.
  • the additional control or regulation unit 66 of the charger 20 controls power electronics 68 connected to the first and the second power contact 46, 50 of the additional electromechanical interface 24, via which the replaceable battery pack 10 plugged into the charger 20 can be charged with the charging current I.
  • the charger 20 or the power electronics 68 is provided with a mains connection, not shown, with the power electronics 68 converting the mains voltage of the mains connection into the required battery ries voltage Ußatt converts.
  • the power electronics 68 has a power pack, in particular a switched-mode power pack, including filtering and rectification, in a known manner.
  • the battery voltage Ußatt present at the power contacts 46, 50 can be measured by a voltage measuring device 70 in the charging device 20 and evaluated by the additional control or regulating unit 66.
  • the voltage measuring device 70 can also be fully or partially integrated in the control or regulation unit 66, for example in the form of an integrated ADC.
  • the charger 20 can identify the replaceable battery pack 10 and, if necessary, release it for charging, the replaceable battery pack 10 has a first fixed resistor 74 embodied as a coding resistor 72, which is connected to the ground potential GND present at the first power contact 46 on one side and to the ground potential GND present on the first power contact 46 on the other side the first signal or data contact 48 of the first electromechanical interface 16 of the removable battery pack 10 is connected.
  • the charging device 20 also has a first unchangeable resistor 76 which is connected on the one hand to the first signal or data contact 48 of the further electromechanical interface 24 of the charging device 20 and on the other hand to a voltage regulator 76 .
  • the further control and regulation unit 66 of the charging device 20 can apply a first measurement signal Mi, for example in the form of a measurement current, to the first signal or data contact 48 via the voltage regulator 78 .
  • the first two resistors 74, 76 of the replaceable battery pack 10 and the charger 20 form a first voltage divider 80 via the first signal or data contacts 48 of the interconnected electromechanical interfaces 16, 24.
  • the first signal or data contacts 48 thus function as a center tap of the first voltage divider 80.
  • the first measurement signal Mi causes a first voltage drop UMi across the coding resistor 72, which can be evaluated at the first signal or data contacts 48 by the additional control or regulation unit 66 of the charging device 20 in such a way that the additional control or regulation unit 66 calculates a resistance value of the coding resistor 72 and compares it with a resistance value stored in its memory.
  • a built-in control unit 66 can integrated analog-to-digital converter (ADC). Alternatively, this can also be configured separately from the control or regulating unit 66 .
  • the charger 20 enables the charging process and charges the replaceable battery pack 10 according to the operating parameters stored in a look-up table, in particular the charging current I or the battery voltage Ußatt.
  • the exchangeable battery pack 10 it is possible for the exchangeable battery pack 10 to monitor and evaluate the first measurement signal Mi at the first signal or data contacts 48 via the first control or regulating unit 62 in order to possibly influence the charging process.
  • the first and the further control or regulation unit 62, 66 can also exchange information or data directly via the first signal or data contacts 48, for example in the form of the operating parameters and/or possibly further measured values, for further processing.
  • an electrical device 18 designed as an electrical load 22 can enable the discharging process of the replaceable battery pack 10 via a corresponding coding resistor 72 or another unchangeable resistor (not shown) connected to the ground potential GND.
  • the control or regulation unit 66 of the electrical consumer 22 uses the signal or data contact 48 or another signal or data contact (not shown) of the further interface 24 to query the resistance value of the coding resistor 72 or the further fixed resistance and compares it with a value stored in their memory. If the values do not match, the discharging process of the replaceable battery pack 10 is aborted or not permitted, so that the electrical consumer 22 cannot be put into operation. If they match, an operator can put the electrical load 22 into operation.
  • the power electronics 68 contained in the charger 20 can be used as a drive unit, for example as an electric motor (possibly . With appropriate upstream power electronics) or another energy-consuming unit is formed, for example, via a power tion electronics 68 integrated power output stage is controlled by a pulse width modulated signal (PWM).
  • PWM pulse width modulated signal
  • a temperature T of the replaceable battery pack 10 or of the energy storage cells 52 can be measured by means of a second variable resistor 84 embodied as a temperature resistor 82 arranged in the replaceable battery pack 10 and evaluated by the further control or regulating unit 66 of the charging device 20 .
  • the temperature resistor 82 is preferably in the form of an NTC and is in close thermal contact with at least one of the energy storage cells 52.
  • the temperature resistor 82 is connected to the ground potential present at the first power contact 46 via a switching element 86 integrated in the replaceable battery pack 10, for example a bipolar transistor or MOSFET GND and, on the other hand, connected to a contact 14 embodied as a second signal or data contact 88 of the first electromechanical interface 16 of the replaceable battery pack 10 . Accordingly, a second signal or data contact 88 is provided in the further electromechanical interface 24 of the charger 20, which is connected to the further control or regulating unit 66.
  • the further control or regulation unit 66 can apply a second measurement signal M2 to the second signal or data contact 88 .
  • the second measurement signal M2 can be a measurement current which causes a second voltage drop U M2 across the temperature resistor 82 and at a center tap formed by the second signal or data contact 88 of a resistor formed from the two second resistors 82 and 90, second voltage divider 92 drops.
  • a resistance value of the temperature resistor 82 can be calculated using the second voltage drop UM2 and the measurement current and compared with a resistance value stored in a look-up table of the further open-loop or closed-loop control unit 66 be used to derive or detect the current temperature T of the exchangeable battery pack 10 or the energy storage cells 52 .
  • the second signal or data contact 88 of the first electromechanical interface 16 is connected to the first open-loop or closed-loop control unit 62 within the exchangeable battery pack 10 .
  • the first control or regulation unit 62 can, on the one hand, directly detect the temperature T and, on the other hand, determine whether the temperature T measured by the thermal resistor 82 has been queried by the further control or regulation unit 60 of the charging device 20 . If this is the case, the first control or regulation unit 62 is automatically switched from an idle mode to an operating mode. If no such query is made, the sleep mode of the first control or regulation unit 62 allows significantly longer idle and storage times for the replaceable battery pack 10 due to the reduced quiescent current.
  • the temperature is measured in an electrical device 18 designed as an electrical consumer 22 in the same way as described above for the charging device 20, with the difference that in the electrical consumer 22 it is not the charging process but the discharging process of the replaceable battery pack 10 that can be influenced.
  • an undesirable voltage drop Uoactual can occur at the contacts 14, in particular at the power contacts 46, 50, the electromechanical interfaces 16, 24 of the replaceable battery pack 10 and/or the electrical device 18 due to any contact resistance come, which depends on the respective charging or discharging current I.
  • the voltage drop Uoactual in the electrical load 22 or in the charging device 20 can lead to a falsification of the measurement signals Mi, M2 provided via the signal or data contacts 48, 88 if the measurement signals Mi, M2 are, for example, at the ground potential GND of the operatively connected, first power contact 46 relate.
  • the following method steps are therefore provided for determining the contact resistance value Roist: a. Connecting the first electromechanical interface 16 of the exchangeable energy store 12 to the further electromechanical interface 24 of the electrical device 18, b. Applying the first measurement signal Mi to the first signal or data contact 48 of the further electromechanical interface 24 of the electrical device 18 without a charging or discharging current I flowing, c. Detecting the first voltage drop UMI between the first signal or data contact 48 and the first power contact 46, which is operatively connected to the first signal or data contact 48, of the further electromechanical interface 24 of the electrical device 18, d. additional loading of the power contact 46 of the further electromechanical interface 24 of the electrical device 18 with a charging or discharging current I, e.
  • a first contact resistance value Roisti between the first power contacts 46 of the electromechanical interfaces 16, 24 can then be calculated as a function of the charging or discharging current I that is flowing.
  • the first contact resistance value Roisti provides information as to whether at least one of the two first power contacts 46 of the electromechanical interfaces 16, 24 is dirty or worn out.
  • a current pulse lp u ise is applied to the second power contact 50 of the electromechanical interfaces 16, 14, a battery voltage change Ußatt, pulses can be measured across the first and second power contacts 46, 50, on the basis of which a virtual internal resistance value Ri.virt of the replaceable battery pack 10 is calculable.
  • the calculation of the virtual internal resistance value Ri.virt is initially based on the assumption that the first and second power contacts 46, 50 each have the same contact resistance values RDISH, RDISI2 and are therefore distributed symmetrically.
  • the virtual internal resistance value Ri.virt can then be used as a basis for calculating the second contact resistance value RDist2 between the second power contacts 50 of the electromechanical interfaces 16, 24 in such a way that the virtual internal resistance value Ri.virt is used to calculate a nominal internal resistance value Ri of the replaceable battery pack 10 known in the electrical device 18 and the first contact resistance value Roisti are subtracted:
  • the electrical device 18 can reduce or interrupt the charging or discharging current I if the first and/or the second contact resistance value Roisti, Roist2 exceeds a first threshold value Si. In the case of a reduction in the charging or discharging current I, it is thus possible to continue an ongoing charging or discharging process while observing certain safety measures. For example, an electrical device 18 designed as an electrical consumer 22 can continue to be operated with reduced power, while a charger 20 charges the replaceable battery pack 10 more slowly or up to a reduced limit value. An interruption of the charging or discharging current I, on the other hand, causes the charging or discharging process to be terminated immediately. Proper operation is only possible again when the first and/or the second contact resistance value Roisti, RDist2 has reached the first threshold value Si. drop below 14 after cleaning or replacing the relevant contacts.
  • the electrical device 18 can additionally interrupt the charging or discharging current I if the first and/or the second contact resistance value Roisti, Roist2 exceeds a second threshold value S2. In this case, exceeding the first threshold value Si only causes a reduction in the charging or discharging current I.
  • the first contact resistance RDISH between the first power contacts 46 of the interconnected electromechanical interfaces 16, 24 results in a falsification of the voltage drops UMI, UM2 measured in the electrical device 18 , which can lead to incorrect detection of the coding resistor 72 and the temperature T.
  • the voltage difference Uoactual calculated in step f above it is therefore possible to compensate for the voltage drops UMI, UM2 caused by the measurement signals Mi, M2 in such a way that the calculated voltage difference Uoactual is subtracted from them:
  • one measurement signal Mx is always used to calculate the voltage difference Uoactual in step f, the voltage drop UMX of which is determined using a fixed resistor 74 of the replaceable battery pack 10, in particular a coding resistor 74 or a comparable resistor a fixed resistance value.
  • This has the advantage that the calculated voltage difference Uoactual is independent of variables influencing the resistance value, as would be the case, for example, with the variable resistor 84 designed as a temperature resistor 82 as a result of temperature fluctuations due to heating or cooling.
  • the variable resistor 84 designed as a temperature resistor 82 as a result of temperature fluctuations due to heating or cooling.
  • step f it is therefore expedient to calculate the voltage difference Uoist in step f on the basis of to calculate the first measurement signal Mi, since this is based on the unchangeable resistance 72, in order to then use the calculated voltage difference Uoactual to compensate for both the first voltage drop UMI and the second voltage drop UM2, which is dependent on the variable resistance 82.
  • a direct component and an alternating component of the voltage difference Uoactual can be determined.
  • Mechanical vibrations of the electrical device 18 can be derived on the basis of the determined alternating component of the voltage difference Uoactual, from which in turn conclusions can be drawn about a speed of an electric motor or a number of impacts of an impact mechanism of an electrical device 18 designed as an electrical consumer 22 .
  • a plausibility check of any existing sensor measurement values is possible.
  • estimated values for electrical devices 18 that do not have a corresponding sensor system can also be calculated from the determined alternating component.
  • a reduction or interruption of the charging or discharging current I and/or a detected vibration of the electrical device 18 can be displayed to the operator and/or to the external device 44, are transmitted via the respective communication interfaces 42.
  • a contact-based transmission for example via the power contacts 46, 50 by power line communication or via at least one of the signal or data contacts 48, 88, can also take place as an alternative or in addition.
  • the display can be embodied as an HMI (Human Machine Interface), not shown in detail, of the electrical device 18 in the form of an LC or OLED display, a simple LED display or corresponding optical means.
  • HMI Human Machine Interface
  • An acoustic display via a loudspeaker, a PIEZO or the like and/or a haptic display in the form of a vibration motor or the like is also conceivable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines wechselbaren Energiespeichers (12), insbesondere eines Wechselakkupacks (10), mittels eines Elektrogeräts (18), insbesondere eines Ladegeräts (20) oder eines elektrischen Verbrauchers (22), mit zumindest den folgenden Schritten: a. Verbinden einer ersten elektromechanischen Schnittstelle (16) des wechselbaren Energiespeichers (12) mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18), b. Beaufschlagen eines ersten Signal- oder Datenkontakts (48) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) mit einem ersten Messsignal (M1), ohne dass ein Lade- oder Entladestrom (I) fließt, c. Erfassen eines ersten Spannungsabfalls (UM1) zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) und einem mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) wirkverbundenen ersten Leistungskontakt (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18), d. zusätzliches Beaufschlagen des Leistungskontakts (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) mit einem Lade- oder Entladestrom (I), e. erneutes Erfassen des ersten Spannungsabfalls (UM1) zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) und dem ersten Leistungskontakt (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) und f. Berechnen einer Spannungsdifferenz (UDist) zwischen den in Schritt c und Schritt e erfassten ersten Spannungsabfällen (UM1). Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens umfassend einen elektrischen Energiespeicher (12), insbesondere einen Wechselakkupack (10), mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (14) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (16) und ein Elektrogerät (18), insbesondere ein Ladegerät (20) oder ein elektrischer Verbraucher (22) mit einer Steuer- oder Regeleinheit (66) und einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (14) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (24).

Description

Verfahren zum Laden oder Entladen eines wechselbaren Energiespeichers mittels eines Elektrogeräts sowie System mit einem wechselbaren Energiespeicher und einem Elektrogerät zur Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines wechselbaren Energiespeichers, insbesondere eines Wechselakkupacks, mittels eines Elektrogeräts, insbesondere eines Ladegeräts oder eines elektrischen Verbrauchers. Ferner betriff die Erfindung ein System mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Elektrogerät zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit vom Bediener über entsprechende elektromechanische Schnittstellen wechselbaren Energiespeichern betrieben, die durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. Derartige Energiespeicher können aus einer Energiespeicherzelle oder aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Batteriespannung bzw. - kapazität bestehen. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium- lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
Beim Laden oder Entladen des wechselbaren Energiespeichers kann insbesondere an den als Leistungskontakten ausgebildeten elektrischen Kontakten der elektromechanischen Schnittstellen des wechselbaren Energiespeichers und des Elektrogeräts aufgrund etwaiger Übergangswiderstände ein unerwünschter Spannungsabfall auftreten, der vom jeweiligen Lade- oder Entladestrom abhängt. Dieser Spannungsabfall kann im elektrischen Verbraucher oder im Ladegerät zu einer Verfälschung von über entsprechenden Signal- oder Datenkontakten der elektromechanischen Schnittstellen bereitgestellten Signalen zur Ermittlung bestimmter Betriebsparameter des wechselbaren Energiespeichers führen, wenn sich die Signale auf das Potential eines damit wirkverbundenen Leistungskontakts beziehen. Zudem steigt infolge zunehmender Abnutzung oder Verschmutzung der elektrischen Kontakte deren Übergangswiderstand und somit auch der resultierende Spannungsabfall, was letztlich zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Elektrogeräts bzw. des wechselbaren Energiespeichers führen kann.
Aus der EP 2 051 088 Al ist ein Verfahren zum Bestimmen des Innen- und Anschlusswiderstandes einer Batterie bekannt, welche insbesondere für die Netzspeisung einer Zentrale und/oder einer Peripherieeinheit eines Gefahrmeldesystems vorgesehen ist. Ferner ist eine als Teil eines Gefahrmeldesystem ausgebildete Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Innen- und Anschlusswiderstandes der Batterie offenbart, wobei die Schaltungsanordnung einen Eingang zum Verbinden der Schaltungsanordnung mit der Batterie, einen Messwiderstand zum Belasten der Batterie mit einem Messstrom und einen Schalter zum vorübergehenden Schließen eines Stromkreises aufweist. Ist der Schalter geschlossen, kann ein Messstrom fließen, der zu einer vorübergehenden Belastung des Messwiderstands mit einer Messleistung führt, welche größer ist als die Nennleistung des Messwiderstands.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, den Lade- oder Entladevorgang eines wechselbaren Energiespeichers in Abhängigkeit vom Lade- oder Entladestrom derart zu verbessern, dass etwaige Messfehler direkt kompensiert und ein Verschleiß oder eine Verschmutzung der elektrischen Kontakte der elektromechanischen Schnittstellen frühzeitig erkannt werden können.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren vorgesehen, dass zum Laden oder Entladen eines wechselbaren Energiespeichers, insbesondere eines Wechselakkupacks, mittels eines Elektrogeräts, insbesondere eines Ladegeräts oder eines elektrischen Verbrauchers, zumindest die folgenden Schritte umfasst: a. Verbinden einer ersten elektromechanischen Schnittstelle des wechselbaren Energiespeichers mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts, b. Beaufschlagen eines ersten Signal- oder Datenkontakts der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts mit einem ersten Messsignal, ohne dass ein Lade- oder Entladestrom fließt, c. Erfassen eines Spannungsabfalls zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt und einem mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt wirkverbunde- nen ersten Leistungskontakt der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts, d. zusätzliches Beaufschlagen des ersten Leistungskontakts der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts mit einem Lade- oder Entla- destrom I, e. erneutes Erfassen des Spannungsabfalls zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt und dem ersten Leistungskontakt der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts und f. Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen den in Schritt c und Schritt e erfassten Spannungsabfällen.
Ferner ist ein System zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen, das einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Wechselakkupack, mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle und ein Elektrogerät, insbesondere ein Ladegerät oder ein elektrischer Verbraucher, mit einer Steuer- oder Regeleinheit und mit einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle umfasst, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der elektromechanischen Schnittstellen als ein erster Signal- oder Datenkontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der elektromechanischen Schnittstellen als ein erster mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Leistungskontakt ausgebildet ist. Das Elektrogerät und der wechselbare Energiespeicher weisen jeweils zumindest einen ersten Widerstand auf, die dazu vorgesehen sind, im verbundenen Zustand der elektromechanischen Schnittstellen über die Signal- oder Datenkontakte einen mit den ersten Leistungskontakten verbundenen ersten Spannungsteiler zu bilden.
Mit besonderem Vorteil ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems auf einfache Weise möglich, durch die errechnete Spannungsdifferenz elektrische Kontaktprobleme der elektromechanischen Schnittstellen frühzeitig während des Lade- oder Entladevorgangs zu erkennen, um hierauf entsprechend reagieren zu können.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeicher betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Mit besonderem Vorteil kann der Wechselakkupack werkzeuglos - also von Hand - durch einen Bediener ausgewechselt werden. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Wechselakkupack betriebene Leuchten sowie Messgeräte, wie Entfernungsmesser, Nivelliergeräte, Wandscanner, etc., Garten- und Baugeräte, wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter-Breaker und - Bagger oder dergleichen, und Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die zur Erzielung einer hohen Laufzeit und/oder Leistungsfähigkeit gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgbar sind. Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung kommen zudem mit Akkumulatoren oder Brennstoffzellen ausgestattete Straßen-, Schienen- oder Luftfahrzeuge in Frage, deren Energiespeicher nur herstellerseitig wechselbar sind. Ebenso können die wechselbaren Energiespeicher als nicht wiederaufladbare Primärzellen oder dergleichen ausgebildet sein. In dem Fall beschränkt sich die Erfindung dann auf den reinen Entladevorgang.
Die Batteriespannung eines Wechselakkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li- Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V, etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.
Es sei darüber hinaus angemerkt, dass die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen der Wechselakkupacks und der mit ihnen verbindbaren Elektrogeräte sowie die zugehörigen Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung nicht Gegenstand dieser Erfindung sein soll. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse des Elektrogeräts und/oder der Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die Schnittstelle wählen. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Spannungsabfall an dem ersten Signal- oder Datenkontakt anhand der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz kompensiert wird. Auf diese Weise kann ein etwaig vorhandener Messfehler beispielsweise durch Subtraktion der Spannungsdifferenz vom gemessene Spannungsabfall vermieden werden.
Zur Messung des Spannungsabfalls an dem ersten Signal- oder Datenkontakt ist der zumindest eine erste Widerstand des wechselbaren Energiespeichers als ein unveränderlicher Widerstand, insbesondere als ein Kodierwiderstand, oder als ein variabler Widerstand, insbesondere als ein Temperaturwiderstand, ausgebil- det. Weiterhin ist der zumindest eine erste Widerstand des Elektrogeräts als ein unveränderlicher Widerstand ausgebildet.
Ist der zumindest eine erste Widerstand des wechselbaren Energiespeichers als ein Kodierwiderstand ausgebildet, kann das Elektrogerät durch Messung des durch den Kodierwiderstand hervorgerufenen Spannungsabfalls über die ersten Signal- oder Datenkontakte ermitteln, mit welchem Lade- oder Entladestrom der wechselbarer Energiespeicher maximal betrieben werden darf. Dazu vergleicht eine Steuer- oder Regeleinheit des Elektrogeräts den gemessen Widerstandswert mit einem in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Widerstandswert. Ein als Temperaturwiderstand ausgebildeter erster Widerstand ermöglicht es dem Elektrogerät, den Lade- oder Entladestrom in Abhängigkeit von einer Temperatur des wechselbaren Energiespeichers zu beeinflussen. Durch eine etwaige, in Schritt f berechnete Spannungsdifferenz kann ein Messfehler detektiert und kompensiert werden, der ohne entsprechende Kompensation zu einem falsch eingestellten, maximalen Lade- oder Entladestrom oder zu einer falsch detektierten Temperatur im wechselbaren Energiespeicher führen würde. Dabei kann ein zu hoher maximaler Lade- oder Entladestrom zu einer Beschädigung oder Zerstörung des wechselbaren Energiespeichers und ggf. auch des mit ihm verbundenen Elektrogeräts führen, während ein zu geringer maximaler Lade- oder Entladestrom die Leistungsfähigkeit des elektrischen Verbrauchers reduziert bzw. den Aufladevorgang durch ein Ladegerät verlängert.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass zumindest ein als zweiter Signal- oder Datenkontakt ausgebildeter dritter elektrische Kontakt der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts mit zumindest einem zweiten Messsignal beaufschlagt wird, wobei mittels des zumindest einen zweiten Messsignals ein zweiter Spannungsabfall an dem zumindest einen zweiten Signal- oder Datenkontakt des Elektrogeräts gemessen wird und der zweite Spannungsabfall anhand der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz kompensiert wird. Hierzu weisen das Elektrogerät und der wechselbare Energiespeicher jeweils zumindest einen zweiten Widerstand auf, die dazu vorgesehen sind, im verbundenen Zustand der elektromechanischen Schnittstellen über die zweiten Signal- oder Datenkontakte einen mit den ersten Leistungskontakten verbundenen zweiten Spannungsteiler zu bilden. Dabei ist der zumindest eine erste Widerstand des wechselbaren Energiespeichers als ein unveränderlicher Widerstand, insbesondere als ein Kodierwiderstand, und der zumindest eine zweite Widerstand des wechselbaren Energiespeichers als ein variabler Widerstand, insbesondere als ein Temperaturwiderstand, ausgebildet, wohingegen der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Widerstand des Elektrogeräts jeweils als ein unveränderlicher Widerstand ausgebildet sind. Dadurch, dass zur Berechnung der Spannungsdifferenz in Schritt f ein unveränderlicher Widerstand herangezogen wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Kompensation unabhängig von graduellen Änderungen, beispielsweise infolge von Temperaturschwankungen, ist. Somit können auch sehr gut variable Messgrößen kompensiert werden. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, mit entsprechenden Nachteilen einen variablen Widerstand zur Berechnung der Spannungsdifferenz in Schritt f heranzuziehen. So kann insbesondere bei einem als Temperaturwiderstand ausgebildeten variablen Widerstand davon ausgegangen werden, dass sich die Temperatur und demzufolge auch der Widerstandswert innerhalb eines beschränkten Zeitfensters, in dem die ersten Leistungskontakte mit dem Lade- oder Entladestrom beaufschlagt, werden, nicht verändert. Zudem ist es ergänzend denkbar, das Verfahren erst dann durchzuführen, wenn sich der Widerstandswert innerhalb eines vordefinierten Zeitfensters nicht verändert hat.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch eine zeitkontinuierliche oder zeitdiskrete Wiederholung der Schritte e und f und eine anschließende Filterung, insbesondere eine Tiefpass- Filterung, ein Gleichanteil und ein Wechselanteil der Spannungsdifferenz ermittelt werden. Auf Grundlage des ermittelten Wechselanteils der Spannungsdifferenz sind somit mechanische Vibration des Elektrogeräts detektierbar. Mit besonderem Vorteil lassen sich auf diese Weise auch Rückschlüsse auf eine Drehzahl eines Elektromotors oder eine Schlagzahl eines Schlagewerks eines als elektrischen Verbraucher ausgebildeten Elektrogeräts schließen.
Auf Grundlage der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz kann in Abhängigkeit vom fließenden Lade- oder Entladestrom zudem ein erster Übergangswiderstandswert zwischen den ersten Leistungskontakten der ersten elektromechanischen Schnittstelle des wechselbaren Energiespeichers und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle des Elektrogeräts berechnet werden. Der ers- te Übergangswiderstandswert kann einen Aufschluss darüber geben, ob zumindest einer der ersten Leistungskontakte der elektromechanischen Schnittstellen verschmutzt oder verschlissen ist.
Mittels eines an einem zweiten Leistungskontakt der elektromechanischen Schnittstellen angelegten Stromimpulses kann eine Batteriespannungsänderung über den ersten und den zweiten Leistungskontakten gemessen und auf Grundlage der gemessenen Batteriespannungsänderung ein virtueller Innenwiderstandswert des wechselbaren Energiespeichers berechnet werden. Der zweite Leistungskontakt ist dabei als ein mit einem Versorgungspotential beaufschlagbarer elektrischer Kontakt der elektromechanischen Schnittstellen ausgebildet. Die Berechnung des virtueller Innenwiderstandswerts basiert auf der Annahme, dass sich die beiden Übergangswiderstände zwischen den ersten und den zweiten Leistungskontakten der elektromechanischen Schnittstellten symmetrisch verteilen.
Ist dem Elektrogerät ein nomineller Innenwiderstandswert des wechselbaren Energiespeichers bekannt - beispielsweise, weil er in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit des Elektrogeräts hinterlegt und über den Kodierwiderstand ausgelesen wurde oder weil er vom wechselbaren Energiespeicher zum Elektrogerät mittels entsprechender drahtloser Kommunikationsschnittstellen übertragen wurde -, so kann ein zweiter Übergangswiderstandswert zwischen den zweiten Leistungskontakten der elektromechanischen Schnittstellen derart berechnet werden, dass der nominelle Innenwiderstandswert und der erste Übergangswiderstandswert vom virtuellen Innenwiderstandswert des wechselbaren Energiespeichers subtrahiert werden. Auf diese Weise lässt sich auch ein Verschleiß cider eine Verschmutzung der zweiten Leistungskontakte der elektromechanischen Schnittstellen detektieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Elektrogerät den Lade- oder Entladestrom reduziert oder unterbricht, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert einen ersten Schwellwert überschreiten. Im Falle einer Reduzierung des Lade- oder Entladestrom ist es möglich, einen laufenden Lade- oder Entladevorgang unter Einhaltung bestimmter Sicherheitsmaßnahmen weiterzuführen. So kann ein elektrischer Verbraucher beispielsweise mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden, während ein Ladegerät den wechselbaren Energiespeicher langsamer oder bis zu einem reduzierten Grenzwert auflädt. Eine Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms bewirkt dagegen ein sofortiges Beenden des Lade- oder Entladevorgangs. Ein ordnungsgemäßer Betrieb ist erst wieder möglich, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert den ersten Schwellwert unterschreiten.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Elektrogerät den Lade- oder Entladestrom unterbricht, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert einen zweiten Schwellwert überschreiten. In dem Fall bewirkt ein Überschreiten des ersten Schwellwerts lediglich einer Reduzierung des Ladeoder Entladestroms. Mit Vorteil lassen sich auf diese Weise die Flexibilität und Sicherheit des Systems weiter erhöhen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kompensation der Spannungsabfälle an den Signal- oder Datenkontakten des Elektrogeräts, eine Reduzierung oder Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms und/oder eine detektierte Vibration des Elektrogeräts einem Bediener angezeigt und/oder an ein externes Gerät, insbesondere drahtlos, übertragen werden. Die Anzeige kann dabei als ein HMI (Human Machine Interface) des Elektrogeräts in Gestalt eines LC- oder OLED-Displays, einer einfachen LED-Anzeige oder entsprechender optischer Mittel ausgebildet sein. Auch eine akustische Anzeige über einen Lautsprecher, einen PIEZO oder dergleichen und/oder eine haptische Anzeige in Form eines Vibrationsmotors oder dergleichen ist denkbar. Zur Übertragung der Daten an das externe Gerät kommt insbesondere eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle in Form einer Bluetooth-, WLAN- oder ZigBee- Verbindung in Frage. Aber auch eine Mobilfunkverbindung über GSM, LTE, 5G oder dergleichen ist denkbar. Ebenso kann die Übertragung auch kabelgebunden über USB oder dergleichen erfolgen. Als externe Geräte im Sinne der Erfindung können Smartphones, Tablets, Personal Computer, Cloud-Server oder dergleichen dienen.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 und 2 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen
Fig. 1: ein System umfassend einen als Wechselakkupack ausgebildeten wechselbaren Energiespeicher und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Elektrogerät, insbesondere ein Ladegerät sowie diverse als Elektrowerkzeuge ausgebildete elektrische Verbraucher, zum Laden oder Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung und
Fig. 2: das System aus Figur 1 als Blockschaltbild mit einem Wechselakkupack und einem als Ladegerät ausgebildeten Elektrogerät.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein System umfassend einen als Wechselakkupack 10 ausgebildeten wechselbaren Energiespeicher 12 mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 16 und ein Elektrogerät 18, insbesondere ein Ladegerät 20 oder einen elektrischen Verbraucher 22, mit einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 24. Figur 1 soll veranschaulichen, dass das erfindungsgemäße System ohne Einschränkung der Erfindung für verschiedene, mit wechselbaren Energiespeichern 12 betriebene Elektrogeräte 18 geeignet ist. Dabei sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 26, ein Akkuschlagschrauber 28 und ein Akkurasentrimmer 30 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch auch andere Elektrowerkzeuge, Messgeräte, Gartengerät, Baugeräte, Haushaltsgeräte, Unterhaltungsgeräte oder vergleichbare, mit einem wechselbaren Energiespeicher 10 betreibbare Elektrogeräte als elektrische Verbraucher 22 in Frage kommen. Ebenso ist die Anzahl der wechselbaren Energiespeicher 12 in- nerhalb des Systems variierbar, so dass es durchaus mehrere Wechselakkupacks 10 umfassen kann. Als elektrische Verbraucher 22 im Kontext der Erfindung können zudem mit Akkumulatoren oder Brennstoffzellen ausgestattete Straßen-, Schienen- oder Luftfahrzeuge in Betracht gezogen werden, deren Energiespeicher nur herstellerseitig wechselbar sind. Ebenso können die wechselbaren Energiespeicher 12 als nicht wiederaufladbare Primärzellen oder dergleichen ausgebildet sein. In dem Fall beschränkt sich die Erfindung dann jedoch auf den reinen Entladevorgang.
Der Wechselakkupack 12 verfügt über ein Gehäuse 32, das an einer ersten Seitenwand bzw. seiner Oberseite 34 die erste elektromechanische Schnittstelle 16 zur form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung mit der elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 22 dienen die erste und die weitere elektromechanische Schnittstelle 16, 24 primär dem Entladen und in Verbindung mit dem Ladegerät 20 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10. Die genaue Ausgestaltung der ersten und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 16, 24 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des Elektrogerät 18 sowie diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 14 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 12 und dem Elektrogerät 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten Elektrogeräten 18 betreibbar ist.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 36 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 24 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 22. Dabei ist die Arretiervorrichtung 36 als ein gefederter Drücker 38 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 40 des Wechselakkupacks 10 wirkver- bunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 38 und/oder des Arretierglieds 40 rastet die Arretiervorrichtung 36 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 24 des elektrischen Verbrauchers 22 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 38 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 22 entnehmen bzw. ausschieben.
Es sei angemerkt, dass die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 des Wechselakkupacks 10 und der mit ihm verbindbaren Elektrogeräte 18 sowie die zugehörigen Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung nicht Gegenstand dieser Erfindung sein sollen. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse des Elektrogeräts 18 und/oder der Wechselakkupacks 10 eine geeignete Ausführungsform für die elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 wählen. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch elektromechanische Schnittstellen 16, 24 mit mehr oder weniger als den dargestellten vier elektrischen Kontakten 14 zum Einsatz kommen.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
Über eine vorzugsweise als Funkschnittstelle (z.B. Bluetooth, WLAN, NFC, Zig- Bee, LoRa, GSM, UMTS, LTE, 5G oder dergleichen) ausgebildete Kommunikationsschnittstelle 42 des Wechselakkupacks 10 und/oder des Elektrogeräts 18 ist es dem Bediener möglich, Informationen über die Lade- und/oder Entladevorgänge des Wechselakkupacks 10 und/oder des Elektrogeräts 18 an ein externes Gerät 44, wie beispielswiese ein Smartphone, Tablet, PC, einen Cloud-Server oder dergleichen zu übertragen. Zudem ist ein Auslesen oder Steuern per auf dem externen Gerät 44 installierter App oder Software möglich. Zudem ist denkbar, dass der Wechselakkupack 10 und die Elektrogeräte 18 über ihre jeweiligen Kommunikationsschnittstellen 42 untereinander Daten austauschen. Die Kommunikationsschnittstellen 42 können alternativ oder ergänzend auch kontaktbe- haftet ausgebildet sein. So kann zum Beispiel die Übertragung per Universal Serial Bus (USB), Lightning, RS232 oder über die elektrische Kontakte 14 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 erfolgen. Die Kommunikationsschnittstellen 42 können als ein Mikroprozessor oder dergleichen ausgebildet sein und umfassen alle hierfür erforderlichen nachrichtentechnischen Mittel, wie z.B. Modulator, Demodulator, Antennen, etc.
In Figur 2 ist das System aus Figur 1 als Blockschaltbild mit dem als Wechselakkupack 10 ausgebildeten wechselbaren Energiespeicher 12 auf der linken Seite und dem als Ladegerät 20 ausgebildeten Elektrogerät 18 auf der rechten Seite dargestellt. Wechselakkupack 10 und Ladegerät 20 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 16 und 24 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 14 der Schnittstellen 16, 24 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Leistungskontakt 46 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 14 der Schnittstellen 16, 24 als ein erster Signal- oder Datenkontakt 48 dient.
Über den ersten Leistungskontakt 46 und einen zweiten mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbaren Leistungskontakt 50 kann der Wechselakkupack 10 durch das Ladegerät 20 geladen und durch ein als elektrischen Verbraucher 22 ausgebildetes Elektrogerät 18 entladen werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND insbesondere im Falle eines elektrischen Verbrauchers 22 nicht dauerhaft an den Leistungskontakten 46, 48 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektromechanischen Schnittstellen 16 und 24. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 20.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 52 auf, die zwar in Figur 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Leistungskontakte 50, 46 abfallende Batteriespannung Ußatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschal- tung einzelner Energiespeicherzellen 52 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 beeinflusst. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 52 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Batteriespannung Ußatt des Wechselakkupacks 10 bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen 52 mit einer Zellspannung Uceii von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Leistungskontakte 50, 46 eine Batteriespannung Ußatt = V2 - Vi von 5 • 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 52 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 52 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 52 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 52 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 54 (Single- Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 54 weist eine Multiplexer- Messvorrichtung 56 auf, die über Filterwiderstände 58 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 60 der Pole der Energiespeicherzellen 52 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen Uceii schaltet die Multiplexer-Messvorrichtung 56, beispielsweise über integrierte, aber nicht näher gezeigte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen Abgriffen 60 um, dass sie jeweils mit einem Plus- und einem Minuspol der zu messenden Energiespeicherzelle 52 bzw. des zu messenden Zell-Clusters verbunden ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen Uceii aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 58 dienen im Fehlerfall zur Vermeidung einer gefährlichen Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer- Messvorrichtung 56.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 56 erfolgt über eine erste im Wechselakkupack 10 integrierte Steuer- oder Regeleinheit 62. Diese kann zudem parallel zu den Energiespeicherzellen 52 geschaltete Schaltelemente 64 der SCM-Vorstufe 54 schließen oder öffnen, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 52 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 52 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 54 die gemessenen Zellspannungen Uceii direkt an die erste Steuer- oder Regeleinheit 62 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen Uceii direkt von der ersten Steuer- oder Regeleinheit 62, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die erste Steuer- oder Regeleinheit 62 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die erste Steuer- oder Regeleinheit 62 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Steueroder Regeleinheit 62 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Batteriespannung Ußatt, den Zellspannungen Uceii, eines Lade- oder Entladestroms I, eines Stromintegrals, einer Temperatur T oder dergleichen aufweisen.
Neben der ersten Steuer- oder Regeleinheit 62 im Wechselakkupack 10 weisen auch die Elektrogeräte 18 des Systems jeweils eine weitere Steuer- oder Regeleinheit 66 auf, die entsprechend der ersten Steuer- oder Regeleinheit 62 ausgebildet sein kann. Die erste und die weitere Steuer- oder Regeleinheit 62 bzw. 66 können Informationen über den ersten Signal- bzw. Datenkontakt 48 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 vorzugsweise digital austauschen.
Die weitere Steuer- oder Regeleinheit 66 des Ladegeräts 20 steuert eine mit dem ersten und dem zweiten Leistungskontakt 46, 50 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 verbundene Leistungselektronik 68, über die der in das Ladegerät 20 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I geladen werden kann. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 20 bzw. die Leistungselektronik 68 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen, wobei die Leistungselektronik 68 die Netzspannung des Netzanschlusses in die erforderliche Batte- riespannung Ußatt umwandelt. Dazu verfügt die Leistungselektronik 68 in bekannter Weise über ein Netzteil, insbesondere ein Schaltnetzteil, samt Siebung und Gleichrichtung. Die an den Leistungskontakten 46, 50 anliegende Batteriespannung Ußatt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 70 im Ladegerät 20 gemessen und von der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 70 kann auch vollständig oder zum Teil in der Steuer- oder Regeleinheit 66 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC.
Damit das Ladegerät 20 den Wechselakkupack 10 identifizieren und ggf. zum Laden freigeben kann, weist der Wechselakkupack 10 einen ersten als Kodierwiderstand 72 ausgebildeten unveränderlichen Widerstand 74 auf, der auf einer Seite mit dem am ersten Leistungskontakt 46 anliegenden Massepotential GND und auf der anderen Seite mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt 48 der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 verbunden ist. Entsprechend weist auch das Ladegerät 20 einen ersten unveränderlichen Widerstand 76 auf, der einerseits mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt 48 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Ladegeräts 20 und andererseits mit einem Spannungsregler 76 verbunden ist. Über den Spannungsregler 78 kann die weitere Steuer- und Regeleinheit 66 des Ladegeräts 20 den ersten Signal- oder Datenkontakt 48 mit einem ersten Messsignal Mi, beispielsweise in Form eines Messstroms, beaufschlagen. Die beiden ersten Widerstände 74, 76 des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 20 bilden über die ersten Signaloder Datenkontakte 48 der miteinander verbundenen, elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 einen ersten Spannungsteiler 80. Somit fungieren die ersten Signal- oder Datenkontakte 48 als ein Mittenabgriff des ersten Spannungsteilers 80. Das erste Messsignal Mi bewirkt einen ersten Spannungsabfall UMi über den Kodierwiderstand 72, der an den ersten Signal- oder Daten kontakten 48 von der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 des Ladegeräts 20 derart ausgewertet werden kann, dass die weitere Steuer- oder Regeleinheit 66 einen Widerstandswert des Kodierwiderstands 72 berechnet und mit einem in ihrem Speicher hinterlegten Widerstandswert vergleicht. Zur Auswertung des ersten Spanungsabfalls U MI kann beispielsweise ein in der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 in- tegrierter Analog-Digital-Wandler (ADC) dienen. Dieser kann alternativ auch separat von der Steuer- oder Regeleinheit 66 ausgebildet sein.
Stimmen der berechnete und der im Speicher hinterlegte Widerstandswert überein, so gibt das Ladegerät 20 den Ladevorgang frei und lädt den Wechselakkupack 10 entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Betriebsparameter, insb. dem Ladestrom I oder der Batteriespannung Ußatt, auf. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, dass der Wechselakkupack 10 über die erste Steueroder Regeleinheit 62 das erste Messsignal Mi an den ersten Signal- oder Datenkontakten 48 überwacht und auswertet, um ggf. den Ladevorgang zu beeinflussen. Auch können die erste und die weitere Steuer- oder Regeleinheit 62, 66 direkt über die ersten Signal- oder Datenkontakte 48 Informationen bzw. Daten, beispielsweise in Form der Betriebsparameter und/oder ggf. weiterer Messwerte, zur weiteren Verarbeitung austauschen.
Analog kann ein als elektrischer Verbraucher 22 ausgebildetes Elektrogerät 18 den Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 über einen entsprechenden Kodierwiderstand 72 oder einen weiteren mit dem Massepotential GND verbundenen unveränderlichen Widerstand (nicht gezeigt) freigeben. Dazu fragt die Steuer- oder Regeleinheit 66 des elektrischen Verbrauchers 22 über den Signal- bzw. Datenkontakt 48 oder einen weiteren Signal- bzw. Datenkontakt (nicht gezeigt) der weiteren Schnittstelle 24 den Widerstandswert des Kodierwiderstands 72 cider des Weiteren unveränderlichen Widerstands ab und vergleicht diesen mit einem in ihrem Speicher hinterlegten Wert. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 abgebrochen bzw. nicht erlaubt, so dass der elektrische Verbraucher 22 nicht in Betrieb genommen werden kann. Bei Übereinstimmung kann ein Bediener den elektrischen Verbraucher 22 in Betrieb nehmen. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies einen Betrieb von Wechselakkupacks 10 unterschiedlicher Leistungsklassen mit gleichen elektromechanischen Schnittstellen 16 bzw. 24. Es versteht sich von selbst, dass die im Ladegerät 20 enthaltende Leistungselektronik 68 im Falle eines elektrischen Verbrauchers 22 als Antriebseinheit, beispielsweise als ein Elektromotor (ggf. mit entsprechend vorgeschalteter Leistungselektronik) oder eine andere Energie verbrauchende Einheit ausgebildet ist, die beispielsweise über eine in der Leis- tungselektronik 68 integrierte Leistungsendstufe mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) angesteuert wird. Auf die Ausgestaltung einer derartigen Leistungselektronik 68 soll hier nicht weiter eingegangen werden, da sie dem Fachmann für unterschiedlichste Arten von elektrischen Verbrauchern 22 hinlänglich bekannt ist und zudem für die Erfindung als solche keine entscheidende Bedeutung hat.
Mittels eines im Wechselakkupack 10 angeordneten zweiten, als Temperaturwiderstand 82 ausgebildeten variablen Widerstands 84 kann eine Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 52 gemessen und von der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 des Ladegeräts 20 ausgewertet werden. Der Temperaturwiderstand 82 ist vorzugsweise als NTC ausgebildet und steht im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 52. Weiterhin ist der Temperaturwiderstand 82 einerseits über ein im Wechselakkupack 10 integriertes Schaltelement 86, beispielsweise einen Bipolartransistor oder MOSFET, mit dem am ersten Leistungskontakt 46 anliegenden Massepotential GND und andererseits mit einem als zweiten Signal- bzw. Datenkontakt 88 ausgebildeten Kontakt 14 der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 verbunden. Entsprechend ist ein zweiter Signal- bzw. Datenkontakt 88 in der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Ladegeräts 20 vorgesehen, der mit der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 verbunden ist. Über einen zweiten unveränderlichen Widerstand 90, der einerseits mit dem zweiten Signal- bzw. Datenkontakt 88 und andererseits mit dem Spannungsregler 78 verbunden ist, kann die weitere Steuer- oder Regeleinheit 66 den zweiten Signal- bzw. Datenkontakt 88 mit einem zweiten Messsignal M2, beaufschlagen. Analog dem ersten Messsignal Mi kann das zweite Messsignal M2 ein Messstrom sein, der einen zweiten Spannungsabfall U M2 über den Temperaturwiderstand 82 bewirkt und an einem durch den zweiten Signal- bzw. Datenkontakt 88 gebildeten Mittenabgriff eines aus den beiden zweiten Widerständen 82 und 90 gebildeten, zweiten Spannungsteiler 92 abfällt. Mittels des zweiten Spannungsabfalls UM2 und des Messstroms kann ein Widerstandswert des Temperaturwiderstands 82 berechnet und mit einem in einer Look-Up-Tabelle der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 66 hinterlegten Widerstandswert verglichen werden, um daraus die aktuelle Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 52 abzuleiten bzw. zu erfassen.
Weiterhin ist innerhalb des Wechselakkupacks 10 der zweite Signal- bzw. Datenkontakt 88 der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 mit der ersten Steuer- oder Regeleinheit 62 verbunden. Darüber kann die erste Steuer- oder Regeleinheit 62 einerseits direkt die Temperatur T erfassen und andererseits feststellen, ob die vom Temperaturwiderstand 82 gemessene Temperatur T von der weiteren Steuer- oder Regeleinheit 60 des Ladegeräts 20 abgefragt wurde. Ist dies der Fall, wird die erste Steuer- oder Regeleinheit 62 automatisch von einem Ruhemodus in einen Betriebsmodus versetzt. Erfolgt keine derartige Abfrage, erlaubt der Ruhemodus der ersten Steuer- oder Regeleinheit 62 aufgrund des reduzierten Ruhestroms deutlich längere Ruhe- und Lagerzeiten des Wechselakkupacks 10.
Die Temperaturerfassung erfolgt in einem als elektrischen Verbraucher 22 ausgebildeten Elektrogerät 18 analog der oben für das Ladegerät 20 beschriebenen Art und Weise mit dem Unterschied, dass im elektrischen Verbraucher 22 nicht der Ladevorgang, sondern der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 beinflussbar ist.
Wie eingangs geschildert, kann es beim Laden oder Entladen des Wechselakkupacks 10 an den Kontakten 14, insbesondere an den Leistungskontakten 46, 50, der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 des wechselbaren Wechselakkupacks 10 und/oder des Elektrogeräts 18 aufgrund etwaiger Übergangswiderstände zu einem unerwünschten Spannungsabfall Uoist kommen, der vom jeweiligen Lade- oder Entladestrom I abhängt. Der Spannungsabfall Uoist kann im elektrischen Verbraucher 22 oder im Ladegerät 20 zu einer Verfälschung von den über die Signal- oder Datenkontakte 48, 88 bereitgestellten Messsignalen Mi, M2 führen, wenn sich die Messsignale Mi, M2 zum Beispiel auf das Massepotential GND des damit wirkverbundenen, ersten Leistungskontakts 46 beziehen. Zudem steigt infolge zunehmender Abnutzung oder Verschmutzung der elektrischen Kontakte 14 deren Übergangswiderstand und somit auch der resultierende Spannungsabfall Uüist, was letztlich zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Elektrogeräts 18 bzw. des Wechselakkupacks 10 führen kann. Unter „wirkver- bunden“ soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass eine elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Kontakten 14 derart besteht, dass zum Beispiel ein Messsignal in Form eines in einen Kontakt 14 eingeleiteten Messstroms auch über den damit wirkverbundenen Kontakt 14 fließt.
Zur Ermittlung des Übergangswiderstandswerts Roist sind daher die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen: a. Verbinden der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des wechselbaren Energiespeichers 12 mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18, b. Beaufschlagen des ersten Signal- oder Datenkontakts 48 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18 mit dem ersten Messsignal Mi, ohne dass ein Lade- oder Entladestrom I fließt, c. Erfassen des ersten Spannungsabfalls UMI zwischen dem ersten Signal- cider Datenkontakt 48 und dem mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt 48 wirkverbundenen ersten Leistungskontakt 46 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18, d. zusätzliches Beaufschlagen des Leistungskontakts 46 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18 mit einem Lade- oder Entladestrom I, e. erneutes Erfassen des ersten Spannungsabfalls U MI zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt 48 und dem ersten Leistungskontakt 46 der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 18 und f. Berechnen einer Spannungsdifferenz Uoist zwischen den in Schritt c und Schritt e erfassten ersten Spannungsabfällen UMI.
Auf Grundlage der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz Uüist, die dem zuvor erwähnten unerwünschtem Spannungsabfall Uoist entspricht, kann dann in Abhängigkeit vom fließenden Lade- oder Entladestrom I ein erster Übergangswiderstandswert Roisti zwischen den ersten Leistungskontakten 46 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 berechnet werden. Der erste Übergangswiderstandswert Roistigibt einen Aufschluss darüber, ob zumindest einer der beiden ersten Leistungskontakte 46 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 ver- schmutzt oder verschlissen ist.
Wird an dem zweiten Leistungskontakt 50 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 14 ein Stromimpuls lpuise angelegt, kann eine Batteriespannungsänderung Ußatt, Pulse über den ersten und den zweiten Leistungskontakten 46, 50 gemessen werden, auf deren Grundlage ein virtueller Innenwiderstandswert Ri.virt des Wechselakkupacks 10 berechenbar ist. Dabei basiert die Berechnung des virtueller Innenwiderstandswerts Ri.virt zunächst auf der Annahme, dass die ersten und zweiten Leistungskontakte 46, 50 jeweils gleiche Übergangswiderstandswerte RDISH, RDISI2 aufweisen und somit symmetrisch verteilt sind. Der virtuelle Innenwiderstandswert Ri.virt kann anschließend als Grundlage für die Berechnung des zweiten Übergangswiderstandswerts RDist2 zwischen den zweiten Leistungskontakten 50 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 derart herangezogen werden, dass vom virtuellen Innenwiderstandswert Ri.virt ein im Elektrogerät 18 bekannter nomineller Innenwiderstandswert Ri des Wechselakkupacks 10 und der erste Übergangswiderstandswert Roisti subtrahiert werden:
Rüist2 = R l,virt (Ri + Roisti)
Auf diese Weise lässt sich auch ein Verschleiß oder eine Verschmutzung der zweiten Leistungskontakte 50 der elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 de- tektieren.
Das Elektrogerät 18 kann den Lade- oder Entladestrom I reduzieren oder unterbrechen, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert Roisti, Roist2 einen ersten Schwellwert Si überschreiten. Im Falle einer Reduzierung des Lade- oder Entladestrom I ist es somit möglich, einen laufenden Lade- oder Entladevorgang unter Einhaltung bestimmter Sicherheitsmaßnahmen weiterzuführen. So kann ein als elektrischer Verbraucher 22 ausgebildetes Elektrogerät 18 beispielsweise mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden, während ein Ladegerät 20 den Wechselakkupack 10 langsamer oder bis zu einem reduzierten Grenzwert auflädt. Eine Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms I bewirkt dagegen ein sofortiges Beenden des Lade- oder Entladevorgangs. Ein ordnungsgemäßer Betrieb ist erst wieder möglich, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert Roisti, RDist2 den ersten Schwellwert Si bei- spielsweise nach einer Reinigung oder einem Austausch der betreffenden Kontakte 14 unterschreiten.
Zur Erhöhung der Flexibilität und Sicherheit des Systems kann ergänzend vorgehen sein, dass das Elektrogerät 18 den Lade- oder Entladestrom I unterbricht, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert Roisti, Roist2 einen zweiten Schwellwert S2 überschreiten. In dem Fall bewirkt ein Überschreiten des ersten Schwellwerts Si lediglich einer Reduzierung des Lade- oder Entladestroms I.
Aufgrund der Wirkverbindung zwischen den Signal- und Daten kontakten 48, 88 und dem ersten Leistungskontakt 46 kommt es durch den ersten Übergangswiderstand RDISH zwischen den ersten Leistungskontakten 46 der miteinander verbundenen elektromechanischen Schnittstellen 16, 24 zu einer Verfälschung der im Elektrogerät 18 gemessenen Spannungsabfälle UMI, UM2, was zu einer Fehldetektion des Kodierwiderstands 72 und der Temperatur T führen kann. Mittels der im obigen Schritt f berechneten Spannungsdifferenz Uoist ist es daher möglich, die durch die Messsignale Mi, M2 hervorgerufenen Spannungsabfälle UMI, UM2 derart zu kompensieren, dass die berechnete Spannungsdifferenz Uoist von ihnen abgezogen wird:
UM.compi = UMI — Uoist UM,com 2 = UM2 — Uoist
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn im Falle mehrerer Messsignale Mn zur Berechnung der Spannungsdifferenz Uoist im Schritt f stets ein Messsignal Mx herangezogen wird, dessen Spannungsabfall UMX anhand eines unveränderlichen Widerstands 74 des Wechselakkupacks 10, insbesondere eines Kodierwiderstands 74 oder eines vergleichbaren Widerstands mit einem festen Widerstandswert, erfasst wird. Dies hat den Vorteil, dass die berechnete Spannungsdifferenz Uoist unabhängig von den Widerstandswert beeinflussenden Größen ist, wie dies z.B. bei dem als Temperaturwiderstand 82 ausgebildeten variablen Widerstand 84 infolge von Temperaturschwankungen durch eine Erwärmung oder Abkühlung der Fall wäre. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist es also zweckmäßig, die Spannungsdifferenz Uoist in Schritt f auf Grundlage des ersten Messsignals Mi zu berechnen, da dieses auf dem unveränderlichen Widerstand 72 basiert, um dann mittels der berechneten Spannungsdifferenz Uoist sowohl den ersten Spannungsabfall UMI als auch den vom variablen Widerstand 82 abhängigen zweiten Spannungsabfall UM2 ZU kompensieren.
Durch eine zeitkontinuierliche oder zeitdiskrete Wiederholung der Schritte e und f und eine anschließende Filterung, insbesondere eine Tiefpass- Filterung, kann ein Gleichanteil und ein Wechselanteil der Spannungsdifferenz Uoist ermittelt werden. Auf Grundlage des ermittelten Wechselanteils der Spannungsdifferenz Uoist lassen sich mechanische Vibrationen des Elektrogeräts 18 ableiten, aus denen wiederum Rückschlüsse auf eine Drehzahl eines Elektromotors oder eine Schlagzahl eines Schlagwerks eines als elektrischer Verbraucher 22 ausgebildeten Elektrogeräts 18 geschlossen werden können. Somit ist zum Beispiel eine Plausibilisierung etwaig vorhandener Sensormesswerte möglich. Umgekehrt können aus dem ermittelten Wechselanteil aber auch Schätzwerte für Elektrogeräte 18 berechnet werden, die über keine entsprechende Sensorik verfügen.
Eine Kompensation der Spannungsabfälle UMI, UM2 an den Signal- oder Datenkontakten 48, 88 des Elektrogeräts 18, eine Reduzierung oder Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms I und/oder eine detektierte Vibration des Elektrogeräts 18 können dem Bediener angezeigt und/oder an das externe Gerät 44, über die jeweiligen Kommunikationsschnittstellen 42 übertragen werden. Neben der drahtlosen Übertragung kann alternativ oder ergänzend auch eine kontaktbehaftete Übertragung, beispielsweise über die Leistungskontakte 46, 50 per Powerline Communication oder über zumindest einen der Signal- oder Datenkontakte 48, 88, erfolgen.
Die Anzeige kann dabei als ein nicht näher gezeigtes HMI (Human Machine Interface) des Elektrogeräts 18 in Gestalt eines LC- oder OLED-Displays, einer einfachen LED-Anzeige oder entsprechender optischer Mittel ausgebildet sein. Auch eine akustische Anzeige über einen Lautsprecher, einen PIEZO oder dergleichen und/oder eine haptische Anzeige in Form eines Vibrationsmotors oder dergleichen ist denkbar.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die Figuren 1 und 2 noch auf die darin gezeigte Anzahl und Art der Wechselakkupacks 10 und Elektrogeräte 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 52 und der damit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 56. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 16, 24 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 14 nur exemplarisch zu verstehen. Weiterhin sei angemerkt, dass die Begriffe „erste“ und „erster“ nicht derart zu interpretieren sind, dass es auch zwangsläufig weitere entsprechende Merkmale geben muss. Vielmehr sollen sie zur Unterscheidung dieser Merkmale dienen, falls sie optional in einer Mehrzahl ausgestaltet sind.

Claims

- 25 - Ansprüche
1. Verfahren zum Laden oder Entladen eines wechselbaren Energiespeichers (12), insbesondere eines Wechselakkupacks (10), mittels eines Elektrogeräts (18), insbesondere eines Ladegeräts (20) oder eines elektrischen Verbrauchers (22), mit zumindest den folgenden Schritten: a. Verbinden einer ersten elektromechanischen Schnittstelle (16) des wechselbaren Energiespeichers (12) mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18), b. Beaufschlagen eines ersten Signal- oder Datenkontakts (48) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) mit einem ersten Messsignal (Mi), ohne dass ein Lade- oder Entladestrom (I) fließt, c. Erfassen eines ersten Spannungsabfalls (UMI) zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) und einem mit dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) wirkverbundenen ersten Leistungskontakt (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18), d. zusätzliches Beaufschlagen des Leistungskontakts (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) mit einem Lade- oder Entladestrom (I), e. erneutes Erfassen des ersten Spannungsabfalls (UMI) zwischen dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) und dem ersten Leistungskontakt (46) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) und f. Berechnen einer Spannungsdifferenz (Uoist) zwischen den in Schritt c und Schritt e erfassten ersten Spannungsabfällen (UMI).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungsabfall (UMI) an dem ersten Signal- oder Datenkontakt (48) anhand der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz (Uoist) kompensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Signal- oder Datenkontakt (88) der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) mit zumindest einem zweiten Messsignal (M2) beaufschlagt wird, dass mittels des zumindest einen zweiten Messsignals (M2) ein zweiter Spannungsabfall (UM2) an dem zumindest einen zweiten Signal- oder Datenkontakt (88) des Elektrogeräts (18) gemessen wird und dass der zweite Spannungsabfall (UM2) anhand der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz (U Dist) kompensiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zeitkontinuierliche oder zeitdiskrete Wiederholung der Schritte e und f und eine anschließende Filterung, insbesondere eine Tiefpass- Filterung, ein Gleichanteil und ein Wechselanteil der Spannungsdifferenz (Uoist) ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des ermittelten Wechselanteils der Spannungsdifferenz (I ist) eine mechanische Vibration des Elektrogeräts (18) detektierbar ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der in Schritt f berechneten Spannungsdifferenz (Uoist) in Abhängigkeit vom fließenden Lade- oder Entladestrom (I) ein erster Übergangswiderstandswert (RDISH) zwischen den ersten Leistungskontakten (46) der ersten elektromechanischen Schnittstelle (16) des wechselbaren Energiespeichers (12) und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle (24) des Elektrogeräts (18) berechnet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines an einem zweiten Leistungskontakt (50) der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) angelegten Stromimpulses (lpuise) eine Batteriespannungsänderung (U Batt, Pulse) über den ersten und den zweiten Leistungskontakten (46, 50) gemessen wird und auf Grundlage der gemessenen Batteriespannungsänderung (U Batt, Pulse) ein virtueller Innenwiderstandswert ( Ri.virt) des wechselbaren Energiespeichers (12) berechnet wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Übergangswiderstandswert (RDISI2) zwischen den zweiten Leistungskontakten (50) der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) derart berechnet wird, dass vom virtuellen Innenwiderstandswert (Ri,virt) des wechselbaren Energiespeichers (12) ein im Elektrogerät (18) bekannter nomineller Innenwiderstandswert (Ri) des wechselbaren Energiespeichers (12) und der erste Übergangswiderstandswert (Roisti) subtrahiert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät (18) den Lade- oder Entladestrom (I) reduziert oder unterbricht, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert (Roisti, Roist2) einen ersten Schwellwert (Si) überschreiten. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät (18) den Lade- oder Entladestrom (I) unterbricht, wenn der erste und/oder der zweite Übergangswiderstandswert (Roisti, Roist2) einen zweiten Schwellwert (S2) überschreiten. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2, 3, 7, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensation der Spannungsabfälle (UMI, UM2) an den Signal- oder Datenkontakten (48, 88) des Elektrogeräts (18), eine Reduzierung oder Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms (I) und/oder eine detektierte Vibration des Elektrogeräts (18) einem Bediener angezeigt und/oder an ein externes Gerät (44), insbesondere drahtlos, übertragen werden. System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend einen elektrischen Energiespeicher (12), insbesondere einen Wechselakkupack (10), mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (14) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (16) und ein Elektrogerät (18), insbesondere ein Ladegerät (20) oder ein elektrischer Verbraucher (22), mit einer Steuer- oder Regeleinheit (66) und einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (14) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (24), wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte (14) der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) als ein erster Signaloder Datenkontakt (48) und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (14) der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) als ein erster mit einem ersten Bezugspotential (Vi), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Leistungskontakt (46) ausgebildet ist, dadurch gekenn- - 28 - zeichnet, dass das Elektrogerät (18) und der wechselbare Energiespeicher (12) jeweils zumindest einen ersten Widerstand (74, 76) aufweisen, die dazu vorgesehen sind, im verbundenen Zustand der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) über die ersten Signal- oder Datenkontakte (48) einen mit den ersten Leistungskontakten (46) verbundenen ersten Spannungsteiler (80) zu bilden. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Widerstand (74) des wechselbaren Energiespeichers (12) als ein unveränderlicher Widerstand, insbesondere als ein Kodierwiderstand (72), oder als ein variabler Widerstand, insbesondere als ein Temperaturwiderstand (82), ausgebildet ist und dass der zumindest eine erste Widerstand (76) des Elektrogeräts (18) als ein unveränderlicher Widerstand ausgebildet ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein dritter der elektrischen Kontakte (14) der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) als ein zweiter Signal- oder Datenkontakt (88) ausgebildet ist, und dass das Elektrogerät (18) und der wechselbare Energiespeicher (12) jeweils zumindest einen zweiten Widerstand (84, 90) aufweisen die dazu vorgesehen sind, im verbundenen Zustand der elektromechanischen Schnittstellen (16, 24) über die zweiten Signal- oder Datenkontakte (88) einen mit den ersten Leistungskontakten (46) verbundenen zweiten Spannungsteiler (92) zu bilden. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Widerstand (74) des wechselbaren Energiespeichers (12) als ein unveränderlicher Widerstand, insbesondere als ein Kodierwiderstand (72), und der zumindest eine zweite Widerstand (84) des wechselbaren Energiespeichers (12) als ein variabler Widerstand, insbesondere als ein Temperaturwiderstand (82), ausgebildet ist und dass der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Widerstand (76, 90) des Elektrogeräts (18) jeweils als ein unveränderlicher Widerstand ausgebildet sind.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022206696A1 (de) 2022-06-30 2024-01-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Steuerung eines Wechselakkupacks

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06333604A (ja) * 1993-05-26 1994-12-02 Sanyo Electric Co Ltd パック電池のタイプを判別する電気機器
DE69824887T2 (de) * 1997-09-30 2005-07-07 Chartec Laboratories A/S Verfahren und vorrichtung zum laden einer wiederaufladbaren batterie
EP2051088A1 (de) 2007-10-17 2009-04-22 Siemens Schweiz AG Bestimmung des Innen- und Anschlusswiderstandes einer Batterie

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103308860A (zh) 2012-03-15 2013-09-18 凹凸电子（武汉）有限公司 电池故障检测方法、电池故障检测装置及电池管理系统
CN103199603B (zh) 2013-03-20 2015-01-21 瑞声科技（南京）有限公司 压电发电充电系统以及应用该系统的电子设备
US10826138B2 (en) 2014-12-10 2020-11-03 Datang Nxp Semiconductors Co., Ltd. Method and apparatus for contact detection in battery packs
ES2829256T3 (es) 2016-02-05 2021-05-31 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp Ltd Método de carga y adaptador

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06333604A (ja) * 1993-05-26 1994-12-02 Sanyo Electric Co Ltd パック電池のタイプを判別する電気機器
DE69824887T2 (de) * 1997-09-30 2005-07-07 Chartec Laboratories A/S Verfahren und vorrichtung zum laden einer wiederaufladbaren batterie
EP2051088A1 (de) 2007-10-17 2009-04-22 Siemens Schweiz AG Bestimmung des Innen- und Anschlusswiderstandes einer Batterie

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