Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeichervorrichtung zur Versorgung eines Geräts mit elektrischer Leistung sowie auf ein Gerät bzw. eine Vorrichtung, in der die Energiespeichereinrichtung einsetzbar ist.The present invention relates to an energy storage device for supplying a device with electric power as well as to a device in which the energy storage device can be used.
Mit der immer stärkeren Verbreitung elektronischer Schaltungen und Geräte in allen Bereichen des täglichen Lebens und insbesondere im Bereich der mobilen Informations- und Kommunikationssysteme finden wiederaufladbare elektrische Energiespeicher bzw. Akkumulatoren eine immer weitere Verbreitung. Für ein sehr breites Anwendungsspektrum steht heute eine Vielzahl von Akkumulatorsystemen zur Verfügung, beispielsweise Pb/PbSO4, NiCd, NiMH, AgZn, Li-Ion, Li-Polymer und Li-Festkörper, die verschiedene Eigenschaften und Betriebsparameter aufweisen. Jedes dieser Systeme weist abhängig vom Ladezustand eine Ausgangsspannung in einem für das System spezifischen Bereich auf, der sich zwischen einer minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung erstreckt.With the ever-increasing popularity of electronic circuits and devices in all areas of daily life and especially in the field of mobile information and communication systems rechargeable electrical energy storage or accumulators are becoming more widespread. For a very wide range of applications, a large number of accumulator systems are available today, for example Pb / PbSO 4 , NiCd, NiMH, AgZn, Li-ion, Li-polymer and Li solids, which have various properties and operating parameters. Each of these systems, depending on the state of charge, has an output voltage in a region specific to the system, which extends between a minimum discharge voltage and the charge end voltage.
Der spezifische Bereich der Ausgangsspannung eines Akkumulators ist in den seltensten Fällen mit den Spannungsanforderungen einer elektronischen Schaltung bzw. eines Geräts kompatibel, das durch den Akkumulator mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Beispielsweise weisen die wegen ihrer hohen Leistungsdichte und ihrer hohen Ladungsdichte weit verbreiteten Li-Ionen-Akkumulatoren eine Ausgangsspannung zwischen 4,2 V (Ladeendspannung) und 3,0 V (minimale Entladespannung) auf, wohingegen Schaltkreise der Informations- und Kommunikationselektronik, beispielsweise Prozessoren, PLAs (PLA = programmable logic array = programmierbare Logikanordnung), ASICs (ASIC = application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), Nenn-Versorgungsspannungen von z. B. 5,0 V, 3,3 V, 1,65 V oder 0,8 V aufweisen. Dabei gibt es eine Tendenz zu immer kleineren Nenn-Versorgungsspannungen mit gleichzeitig immer höheren Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die Spannungspegel eingehalten werden müssen. Eine direkte Versorgung von Schaltkreisen aus einem Akkumulator ist deshalb in den meisten Fallen nicht möglich.The specific range of the output voltage of a rechargeable battery is rarely compatible with the voltage requirements of an electronic circuit or device that is to be supplied with electrical power by the rechargeable battery. For example, Li-ion accumulators, which are widely used because of their high power density and high charge density, have an output voltage between 4.2 V (charge end voltage) and 3.0 V (minimum discharge voltage), whereas information and communication electronics circuits, for example, processors, PLAs (Programmable Logic Array), ASICs (Application Specific Integrated Circuits), nominal supply voltages of e.g. B. 5.0 V, 3.3 V, 1.65 V or 0.8 V. There is a trend towards ever smaller nominal supply voltages, with ever-increasing demands on the accuracy with which the voltage levels must be maintained. A direct supply of circuits from an accumulator is therefore not possible in most cases.
In der Regel wird ein Gerät bzw. eine elektronische Schaltung eines Geräts für den spezifischen Ausgangsspannungsbereich eines bestimmten Akkumulatortyps ausgelegt. Wenn ein Anwender später auf ein neues, verbessertes Akkumulatorsystem umrüsten will, ist dies in der Regel nicht möglich, da der Ausgangsspannungsbereich des neuen Akkumulatorsystems nicht mit dem Ausgangsspannungsbereich des Akkumulatorsystems, für das das Gerät ausgelegt ist, kompatibel ist.As a rule, a device or an electronic circuit of a device is designed for the specific output voltage range of a certain type of accumulator. If a user later wants to upgrade to a new, improved battery system, this is usually not possible because the output voltage range of the new battery system is not compatible with the output voltage range of the battery system for which the device is designed.
Zur Erzeugung der Nenn-Versorgungsspannung eines Geräts aus der (innerhalb des spezifischen Bereichs veränderlichen) Ausgangsspannung eines Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators oder einer Batterie, wird ein Spannungswandler, beispielsweise ein Linearregler oder ein getakteter Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, der zwischen den Energiespeicher und die durch den Energiespeicher mit elektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung geschaltet wird. Der Spannungswandler ist Bestandteil des Geräts und meist nahe der Last bzw. der zu versorgenden Schaltung angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß ohmsche und induktive Spannungsabfälle innerhalb der Zuleitung durch den Spannungswandler ahne weiteres ausgeregelt und die den Anforderungen der Schaltung entsprechende Spannung genau eingehalten werden kann.To generate the rated supply voltage of a device from the (within the specific range variable) output voltage of an energy storage, in particular a battery or a battery, a voltage converter, such as a linear regulator or a clocked DC-DC converter (DC / DC converter) is used, the between the energy storage and the electronic circuit to be supplied by the energy store with electrical power is switched. The voltage transformer is part of the device and usually arranged near the load or the circuit to be supplied. This has the advantage that ohmic and inductive voltage drops within the supply by the voltage converter ahne further regulated and the requirements of the circuit corresponding voltage can be met accurately.
Die DE 19928809 A1 beschreibt eine Energieversorgungseinheit bzw. Energiestation zur Versorgung von batteriegespeisten Kleingeräten mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und Anschlußeinrichtungen, die Solarzellen, Akkumulatoren und einen Spannungswandler umfaßt. Die Energiestation ist dafür vorgesehen, über ein gerätespezifisches Adapterkabel einem Gerät elektrische Leistung zuzuführen. Das geräteindividuelle Adapterkabel umfaßt eine elektronische Bauteilgruppe zur Erzeugung eines individuellen Programmiersignals, das bei einer Kopplung des Adapterkabels mit der Energiestation von einer Schaltsteuereinheit am Spannungswandler detektiert und entsprechend über den Spannungswandler in eine Einstellung der bereitzustellenden Ausgangsgrößen umgesetzt wird. Das Adapterkabel umfaßt ferner einen geräteindividuellen Ausgangsstecker für das Gerät. Die Bauteilgruppe umfaßt insbesondere zwei Widerstände, die in einen Spannungsteiler in der Energiestation 1 eingreifen bzw. diesen modifizieren. Die Energiestation umfaßt ferner vorzugsweise eine Ladersteuereinheit zum Vermeiden einer Beschädigung durch Überladen der Akkumulatoren.The DE 19928809 A1 describes a power supply unit or energy station for the supply of battery-powered small devices with different supply voltages and terminal devices, which includes solar cells, batteries and a voltage converter. The energy station is intended to supply electrical power to a device via a device-specific adapter cable. The device-specific adapter cable comprises an electronic component group for generating an individual programming signal, which is detected at a coupling of the adapter cable to the energy station of a switching control unit on the voltage converter and converted according to the voltage converter in an adjustment of the output variables to be provided. The adapter cable further includes a device-specific output connector for the device. In particular, the component group comprises two resistors which are connected in a voltage divider in the energy station 1 intervene or modify this. The power station further preferably includes a charger control unit for avoiding damage by overcharging the batteries.
Ein großer Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß dem Spannungswandler keine sicheren Informationen über Art und Ladezustand des Energiespeichers zur Verfügung stehen. Elektrogeräte dürfen daher in der Regel nur mit den vom Hersteller vorgeschriebenen Akkumulatoren ausgestattet werden, da nur dann die elektronische Schaltung und insbesondere der Spannungswandler die korrekten Betriebsparameter unterstellt.A major disadvantage of this circuit arrangement is that the voltage converter no reliable information about the nature and state of charge of the energy storage are available. As a rule, electrical appliances may therefore only be equipped with the batteries specified by the manufacturer, as only then will the electronic circuit and in particular the voltage converter assume the correct operating parameters.
Alternativ wird mittels einer oder mehreren Senseleitungen bzw. Tastleitungen eine Spannungsmessung an dem Akkumulator vorgenommen, um Rückschlüsse auf den Ladezustand des Akkumulators zu ziehen. Diese Spannung liefert jedoch nur ungenaue und unbefriedigende Ergebnisse, da verschiedene Entladecharakteristika von Akkumulatoren unter anderem auch eine Funktion des Innenwiderstands der Zellen und der augenblicklich anliegenden Last sind, und damit einer individuellen Streuung und Alterungseffekten unterworfen sind.Alternatively, a voltage measurement is performed on the accumulator by means of one or more sense lines or Tastleitungen to draw conclusions about the state of charge of the accumulator. However, this voltage provides only inaccurate and unsatisfactory results, since Among other things, different discharge characteristics of accumulators are also a function of the internal resistance of the cells and the instantaneously applied load, and are thus subject to individual scattering and aging effects.
Um einen Akkumulator vor Schädigung durch eine Tiefentladung zu schützen, besitzen viele DC/DC-Wandler eine feste bzw. vorbestimmte Spannungsschwelle, bei deren Unterschreiten der Akkumulator von der Last getrennt wird. Diese vorbestimmte Abschaltschwelle stellt jedoch zwangsläufig eine Unterstellung eines bestimmten Akkumulatortyps dar und bedingt somit eine Einschränkung auf denselben. Alternative Lösungen stehen eine Schutzschaltung gegen Tiefentladung im Akkumulator selbst oder aber eine Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Akkumulator und dem System bzw. dem DC/AC-Wandler vor. Eine solche Kommunikationsschnittstelle weisen beispielsweise Batterien nach dem Smart-Battery Standard (SBS) auf, gemäß dem eine Batterie über eine serielle Schnittstelle beispielsweise mit einem Ladegerät kommuniziert und diesem Informationen über den Akkumulatortyp, den Ladezustand usw. übermittelt.To protect an accumulator from being damaged by deep discharge, many DC / DC converters have a fixed or predetermined voltage threshold, below which the accumulator is disconnected from the load. However, this predetermined switch-off threshold inevitably represents an assumption of a particular type of accumulator and thus requires a restriction to the same. Alternative solutions include a protection circuit against deep discharge in the accumulator itself or a communication interface between the accumulator and the system or the DC / AC converter. Such a communication interface, for example, batteries according to the Smart-Battery Standard (SBS), according to which a battery communicates via a serial interface, for example with a charger and this information about the type of accumulator, the charge state, etc. transmitted.
Die herkömmliche Schaltungsanordnung aus Energiespeicher, DC/AC-Wandler und Last bedingt somit entweder eine erhebliche Einschränkung der Flexibilität des Gesamtsystems oder einen erheblichen Mehraufwand für die Kommunikation zwischen dem Energiespeicher und dem DC/AC-Wandler.The conventional circuit arrangement of energy storage, DC / AC converter and load thus requires either a significant limitation of the flexibility of the overall system or a significant overhead for the communication between the energy storage and the DC / AC converter.
Aus der US 5892351 A ist eine Schaltung bekannt, die eine Energiespeichereinrichtung über eine Ansteuerschaltung ansteuert, um deren Ausgangsspannung einzustellen.From the US 5892351 A a circuit is known which drives an energy storage device via a drive circuit to adjust its output voltage.
Aus der US 6014008 A ist bereits ein Batterieidentifikationssystem bekannt, bei dem eine Batterie mit einer Mehrzahl von Aktoren versehen ist, die dazu geeignet sind, Schalter innerhalb eines Gerätes zu betätigen, in das die Batterie eingesetzt wird. Die Aktoren definieren einen binären Batterieidentifikationscode, aufgrund dessen ein Spannungsteilernetzwerk innerhalb des Gerätes geschaltet wird.From the US 6014008 A A battery identification system is already known in which a battery is provided with a plurality of actuators which are adapted to actuate switches within a device into which the battery is inserted. The actuators define a binary battery identification code that triggers a voltage divider network within the device.
Aus der DE 19928809 A1 ist bereits eine universelle Energieversorgungseinrichtung bekannt, die aus einer Energiestation mit integriertem Spannungswandler in Verbindung mit verschiedenen geräteindividuellen Adapterkabeln besteht. Aufgrund der Adapterkabel wird ein Programmierungssignal erzeugt, das bei Ankopplung des Adapterkabels an die Energiestation eine entsprechende Einstellung der Ausgangsgröße bewirkt.From the DE 19928809 A1 Already a universal power supply device is known, which consists of an energy station with integrated voltage converter in conjunction with various device-specific adapter cables. Due to the adapter cable a programming signal is generated, which causes a corresponding adjustment of the output when coupling the adapter cable to the power station.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Energiespeichervorrichtung und ein Gerät, in dem die Energiespeichervorrichtung verwendbar ist, zu schaffen, die auf einfachere Weise eine große Flexibilität bei der Kombination der Energiespeichervorrichtung mit einem durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung zu versorgenden Gerät schafft.The object of the present invention is to provide an energy storage device and a device in which the energy storage device is usable, which more easily provides great flexibility in combining the energy storage device with a device to be powered by the energy storage device.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by an energy storage device according to claim 1.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung umfaßt eine Energiespeichervorrichtung eine Speicherzelle mit einem Leistungsausgang zum Speichern von Energie, einen Spannungswandler mit einem Leistungseingang, der mit dem Leistungsausgang der Speicherzelle verbunden ist, und mit einem Leistungsausgang, zum Wandeln einer Ausgangsspannung der Speicherzelle in eine vorbestimmte Spannung, und ein Gehäuse, innerhalb dessen die Speicherzelle und der Spannungswandler angeordnet sind. Ferner umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen Leistungsanschluß, der an dem Gehäuse angeordnet und mit dem Leistungsausgang des Spannungswandlers verbunden ist. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist ausgebildet, um in ein Fach eines Geräts eingesetzt zu werden, wobei der Leistungsanschluß für ein Verbinden mit einem Leistungseingang des Geräts ausgebildet ist, um elektrische Leistung an das Gerät zu übertragen. Das Gehäuse kann Bestandteil der Speicherzelle bzw. mit einem Speicherzellengehäuse identisch sein.According to the present application, an energy storage device includes a memory cell having a power output for storing power, a voltage converter having a power input connected to the power output of the memory cell, and a power output for converting an output voltage of the memory cell to a predetermined voltage Housing within which the memory cell and the voltage converter are arranged. Furthermore, the energy storage device according to the invention comprises a power terminal, which is arranged on the housing and connected to the power output of the voltage converter. The housing of the energy storage device according to the invention is designed to be inserted into a compartment of a device, wherein the power terminal is designed for connection to a power input of the device in order to transmit electrical power to the device. The housing may be part of the memory cell or identical to a memory cell housing.
Vorzugsweise ist der Leistungsanschluß der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung so an dem Gehäuse angeordnet und ausgebildet, daß er beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in das Fach des Geräts mit dem Leistungseingang des Geräts verbunden wird.Preferably, the power terminal of the energy storage device according to the invention is arranged on the housing and adapted to be connected to the power input of the device when inserting the energy storage device in the compartment of the device.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ferner eine Spule, die mit einem äußeren elektromagnetischen Wechselfeld koppelbar ist, um Leistung zum Laden der Speicherzelle zu empfangen. Die Spule ist vorzugsweise Bestandteil des Spannungswandlers. Der Spannungswandler ist ferner vorzugsweise so aufgebaut, daß die vorbestimmte Spannung, in die er die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, von der Ausgangsspannung der Speicherzelle unabhängig ist, wenn die Ausgangsspannung der Speicherzelle innerhalb eines vorbestimmten Intervalls, vorzugsweise zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung, liegt. Die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, ist ferner vorzugsweise einstellbar, wobei die Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle ein Signal empfängt, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt.According to a preferred embodiment, the energy storage device according to the invention further comprises a coil which is coupled to an external electromagnetic alternating field in order to receive power for charging the memory cell. The coil is preferably part of the voltage converter. The voltage converter is further preferably constructed so that the predetermined voltage to which it converts the output voltage of the memory cell is independent of the output voltage of the memory cell when the output voltage of the memory cell is within a predetermined interval, preferably between the minimum discharge voltage and the charge end voltage , The predetermined voltage into which the voltage converter converts the output voltage of the memory cell is further preferably adjustable, wherein the energy storage device receives via a interface a signal representing the predetermined voltage to be set.
Ein Gerät bzw. eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Fach, in das eine Energiespeichervorrichtung mit einem Spannungswandler zum Erzeugen einer einstellbaren vorbestimmten Spannung einsetzbar ist, einen Leistungseingang, der mit einem Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung verbindbar ist, um elektrische Leistung von der Energiespeichervorrichtung zu empfangen, und eine Schnittstelle zum Senden eines Signals, das die einzustellende vorbestimmte Spannung darstellt. An apparatus according to the present invention includes a compartment into which an energy storage device having a voltage converter for generating an adjustable predetermined voltage is insertable, a power input connectable to a power terminal of the energy storage device to receive electric power from the energy storage device , and an interface for transmitting a signal representing the predetermined voltage to be set.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Spannungswandler in einen Akkumulator oder eine Batterie bzw. in eine Energiespeichervorrichtung zu integrieren, um eine auf einen konstanten Wert geregelte, während der gesamten Entladung des Akkumulators bzw. der Batterie konstante und vorzugsweise von außen einstellbare bzw. auswählbare Ausgangsspannung zu erhalten. Eine über die gesamte Entladezeit konstante Ausgangsspannung bedeutet einen großen technischen Vorteil, da die durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgte elektronische Schaltung bzw. das durch die Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgte Gerät für eine einzige feste Versorgungsspannung ausgelegt werden kann und nicht mehr wie herkömmlich Versorgungsspannungen innerhalb eines Intervalls zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung akzeptieren muß. Durch die erfindungsgemäße Integration des Spannungswandlers in die Energiespeichervorrichtung können Spannungswandler und Speicherzellen optimal aufeinander abgestimmt werden.The present invention is based on the idea to integrate a voltage converter in an accumulator or a battery or in an energy storage device to a constant value regulated during the entire discharge of the battery or the battery constant and preferably adjustable from the outside or to obtain selectable output voltage. An output voltage constant over the entire discharge time represents a great technical advantage, since the electronic circuit powered by the energy storage device or the device powered by the energy storage device can be designed for a single fixed supply voltage and no longer supply voltages within an interval, as is conventional between the minimum discharge voltage and the Ladeendspannung must accept. The inventive integration of the voltage converter in the energy storage device voltage converter and memory cells can be optimally matched.
Für das mit Leistung zu versorgende Gerät bzw. die mit elektrischer Leistung zu versorgende elektronische Schaltung verhält sich die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine Spannungsquelle mit einer geregelten Ausgangsspannung.For the device to be supplied with power or to be supplied with electrical power electronic circuit, the energy storage device according to the invention behaves like a voltage source with a regulated output voltage.
Da der Spannungswandler direkt an der Speicherzelle angeordnet ist, kann er alle zellenspezifischen Parameter, beispielsweise den maximalen Entladestrom und die Entladeschlußspannung, ohne weiteres überwachen. Das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung mit elektrischer Leistung zu versorgende Gerät muß keine Rücksicht mehr auf die Technologie der Speicherzelle nehmen und muß keine Überwachungsfunktionen für die Parameter der Speicherzelle und Schutzfunktionen für die Speicherzelle aufweisen. Dadurch wird eine maximale Systemflexibilität erreicht.Since the voltage converter is located directly on the memory cell, it can easily monitor all cell-specific parameters, for example the maximum discharge current and the discharge voltage. The device to be supplied with electrical power by the energy storage device according to the invention no longer has to take account of the technology of the memory cell and need not have any monitoring functions for the parameters of the memory cell and protective functions for the memory cell. This achieves maximum system flexibility.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die durch die Energiespeichervorrichtung erzeugte Versorgungsspannung für das Gerät von der Speicherzelle unabhängig ist. Eine Energiespeichervorrichtung kann nun ohne weiteres durch eine andere erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ersetzt werden, deren Wandler dieselbe Versorgungsspannung erzeugt, unabhängig davon, welche Ausgangsspannung die Speicherzellen der Energiespeichervorrichtungen aufweisen.Another advantage of the present invention is that the supply voltage for the device generated by the energy storage device is independent of the memory cell. An energy storage device can now be easily replaced by another energy storage device according to the invention, whose converter generates the same supply voltage, regardless of which output voltage the memory cells of the energy storage devices have.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit ohne weiteres einen Umstieg von einem Zellentyp auf einen anderen Zellentyp, der beispielsweise eine Neuentwicklung mit verbesserten Eigenschaften sein kann. Ferner ist auch eine Verwendung ein und derselben Energiespeichervorrichtung in verschiedenen Geräten, die verschiedene Versorgungsspannungen benötigen, möglich. Die Energiespeichervorrichtung erhält von dem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgen soll, über eine analoge oder digitale elektrische oder auch mechanische Schnittstelle ein Signal, das die von dem Gerät benötigte Versorgungsspannung darstellt. Diese Versorgungsspannung wird durch die Energiespeichervorrichtung eingestellt.The present invention thus readily enables a switch from one type of cell to another type of cell, which may for example be a new development with improved properties. Furthermore, it is also possible to use one and the same energy storage device in different devices which require different supply voltages. The energy storage device receives from the device that it is to supply electrical power via an analog or digital electrical or mechanical interface, a signal representing the supply voltage required by the device. This supply voltage is adjusted by the energy storage device.
Die große Vielfalt von Akkumulatoren und Batterien, die sich in der Ausgangsspannung, in der Kapazität, im Innenwiderstand, im maximalen Ausgangsstrom, in der Lagerfähigkeit, im Preis, in den geometrischen Abmessungen, in der Masse und in anderen Parametern unterscheidenden, kann durch die vorliegende Erfindung ganz erheblich verringert werden. Insbesondere kann eine Energiespeichervorrichtung mit einem bestimmten Energieinhalt und bestimmten geometrischen Abmessungen für eine Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen eingesetzt werden. Die verringerte Vielfalt ermöglicht höhere Stückzahlen und eine vereinfachte Logistik und reduziert damit die Kosten für Entwicklung, Herstellung, Lagerhaltung und Handel.The wide variety of accumulators and batteries differing in output voltage, capacitance, internal resistance, maximum output current, storage life, price, geometric dimensions, mass and other parameters can be determined by the present invention Invention can be significantly reduced. In particular, an energy storage device with a certain energy content and specific geometric dimensions can be used for a multiplicity of applications with different supply voltages. The reduced diversity enables higher volumes and simplified logistics, reducing development, manufacturing, warehousing and trade costs.
Während herkömmliche Energiespeichervorrichtungen, beispielsweise Li-Ionen-Akkumulatoren oder andere Hochleistungsspeicher, innerhalb ihres Gehäuses bereits eine Schutz- und Ladekontrollelektronik aufweisen, die Fehlerfälle, wie Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, verhindern soll, weist die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einen integrierten Spannungswandler auf, der vorzugsweise auch die Schutz- und Ladekontrollfunktionen bzw. entsprechende Schaltungen umfaßt.While conventional energy storage devices, such as Li-ion batteries or other high-performance storage, already have protection and charge control electronics within their housing to prevent faults, such as short circuit, reverse polarity, over-charging, over-discharge, the energy storage device according to the invention has an integrated voltage converter, the preferably also includes the protection and charge control functions or corresponding circuits.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechen Form und Abmessungen des Gehäuses, Form, Abmessungen und Anordnung der Kontakte sowie die vorbestimmte Spannung, in die der Spannungswandler die Ausgangsspannung der Speicherzelle wandelt, einer oder einem der durch IEC oder ISO standardisierten Batterien oder Akkumulatoren. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ist damit abwärtskompatibel, kann also wie eine herkömmliche Batterie oder ein herkömmlicher Akkumulator in einem herkömmlichen Gerät, das für eine Versorgungsspannung innerhalb eines Intervalls ausgebildet ist, eingesetzt werden. Darüberhinaus ist sie aber auch in einem Gerät verwendbar, das nur für eine feste vorbestimmte Versorgungsspannung ausgelegt bzw. ausgebildet ist, oder dessen Versorgungsspannung von der Spannung abweicht, die von einer Batterie bzw. einem Akkumulator abgegeben wird, der der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung in Form und Größe entspricht, wobei das Gerät der Energiespeichervorrichtung über eine Schnittstelle die benötigte Versorgungsspannung mitteilt.According to a preferred embodiment, the shape and dimensions of the housing, the shape, dimensions and arrangement of the contacts and the predetermined voltage to which the voltage converter converts the output voltage of the memory cell correspond to one or one of the IEC or ISO standardized batteries or accumulators. The energy storage device according to the invention is thus backwards compatible, so it can As a conventional battery or a conventional accumulator in a conventional device, which is designed for a supply voltage within an interval can be used. Moreover, however, it can also be used in a device which is designed or designed only for a fixed predetermined supply voltage, or whose supply voltage deviates from the voltage which is output by a battery or an accumulator, that of the energy storage device according to the invention in shape and size corresponds, wherein the device of the energy storage device via an interface communicates the required supply voltage.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Preferred developments of the present invention are defined in the subclaims.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
1A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1A a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a first embodiment of the present invention;
1B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 1A; 1B a schematic diagram of electrical voltages in the energy storage device from 1A ;
2A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2A a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a second embodiment of the present invention;
2B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 2A; 2 B a schematic diagram of electrical voltages in the energy storage device from 2A ;
3A ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3A a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a third embodiment of the present invention;
3B eine schematische graphische Darstellung elektrischer Spannungen in der Energiespeichervorrichtung aus 3A; 3B a schematic diagram of electrical voltages in the energy storage device from 3A ;
4 ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine Energiespeichervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden mit einem Gerät zeigt; 4 12 is a schematic circuit diagram showing an energy storage device according to a fourth embodiment of the present invention connected to a device;
5 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispiels; 5 a schematic circuit diagram of a second variant of the fourth embodiment;
6 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer dritten Variante des vierten Ausführungsbeispiels; 6 a schematic circuit diagram of a third variant of the fourth embodiment;
7 eine schematische Darstellung einer ersten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; 7 a schematic representation of a first housing variant of the fourth embodiment;
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; 8th a schematic representation of a second housing variant of the fourth embodiment;
9 eine schematische Darstellung einer dritten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; 9 a schematic representation of a third housing variant of the fourth embodiment;
10 eine schematische Darstellung einer vierten Gehäusevariante des vierten Ausführungsbeispiels; und 10 a schematic representation of a fourth housing variant of the fourth embodiment; and
11 eine schematische Darstellung eines Geräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in das eine Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist. 11 a schematic representation of an apparatus according to another embodiment of the present invention, in which an energy storage device according to the present invention is used.
1A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Gehäuse 20 sind n in Serie geschaltete Speicherzellen 22, 22' angeordnet, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Speicherzellen 22, 22' sind Primärzellen (nichtwiederaufladbare Batteriezellen) oder vorzugsweise Sekundärzellen (wiederaufladbare Akkumulatorzellen), in denen auf elektrochemische Weise Energie gespeichert ist. Der Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und der Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' bilden einen Leistungsausgang der Speicherzellen, über den diese elektrische Leistung abgeben können. Falls es sich bei den Speicherzellen 22, 22' um Sekundärzellen handelt, bilden der Pluspol 24 und der Minuspol 26 gleichzeitig einen Leistungseingang, über den den Speicherzellen 22, 22' beim Ladevorgang elektrische Leistung zugeführt wird. Zwischen dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 und dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' liegt eine Ausgangsspannung Vcn, die vom Ladezustand bzw. dem Energieinhalt der Speicherzellen 22, 22' abhängt und das n-fache der Spannung Vc an einer einzelnen Speicherzelle 22, 22' beträgt, Vcn = nVc. 1A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a first preferred embodiment of the present invention. In a housing 20 are n series-connected memory cells 22 . 22 ' arranged, where n is a natural number. The memory cells 22 . 22 ' are primary cells (non-rechargeable battery cells) or preferably secondary cells (rechargeable battery cells) in which energy is stored in an electrochemical manner. The positive pole 24 the first memory cell 22 and the negative pole 26 the last memory cell 22 ' form a power output of the memory cells over which they can deliver electrical power. If it is the memory cells 22 . 22 ' are secondary cells, form the positive pole 24 and the negative pole 26 at the same time a power input, over the memory cells 22 . 22 ' electric power is supplied during the charging process. Between the positive pole 24 the first memory cell 22 and the negative pole 26 the last memory cell 22 ' is an output voltage V cn , the charge state or the energy content of the memory cells 22 . 22 ' depends and n times the voltage V c on a single memory cell 22 . 22 ' is, V cn = nV c .
An dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 sind Kontakte 30, 32 angeordnet, die einen Leistungsanschluß bilden, über den die Energiespeichervorrichtung 10 elektrische Leistung an ein elektrisches Gerät bzw. eine elektronische Schaltung abgeben kann.On the case 20 the energy storage device 10 are contacts 30 . 32 arranged, which form a power terminal through which the energy storage device 10 can deliver electrical power to an electrical device or an electronic circuit.
Darüber hinaus ist in dem Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 ein Spannungswandler 40 mit einem ersten Eingangsanschluß 42, einem zweiten Eingangsanschluß 44, einem ersten Ausgangsanschluß 46 und einem zweiten Ausgangsanschluß 48 angeordnet. Der erste Eingangsanschluß 42 und der zweite Eingangsanschluß 44 sind mit dem Pluspol 24 der ersten Speicherzelle 22 bzw. dem Minuspol 26 der letzten Speicherzelle 22' verbunden und bilden einen Leistungseingang des Spannungswandlers 40. Der erste Ausgangsanschluß 46 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind mit den Kontakten 30, 32 am Gehäuse 20 verbunden und bilden einen Leistungsausgang des Spannungswandlers 40. In addition, in the case 20 the energy storage device 10 a voltage transformer 40 with a first input terminal 42 , a second input terminal 44 , a first output terminal 46 and a second output terminal 48 arranged. The first input terminal 42 and the second input terminal 44 are with the positive pole 24 the first memory cell 22 or the negative pole 26 the last memory cell 22 ' connected and form a power input of the voltage converter 40 , The first output terminal 46 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 are with the contacts 30 . 32 on the housing 20 connected and form a power output of the voltage converter 40 ,
Der Spannungswandler 40 ist ausgebildet, um die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' in eine vorbestimmte Spannung V0 am Leistungsanschluß 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 zu wandeln.The voltage converter 40 is adapted to the output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' in a predetermined voltage V 0 at the power terminal 30 . 32 the energy storage device 10 to change.
Der Spannungswandler 40 umfaßt eine Spule 52 und eine Diode 54, die in Serie zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 geschaltet sind, wobei eine Anode 56 der Diode 54 mit der Spule 52 und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 verbunden sind. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind miteinander kurzgeschlossen. Der Spannungswandler 40 umfaßt ferner einen Feldeffekttransistor (FET) 60, der als Schalter dient und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET bzw. ein selbstsperrender p-Kanal-MOSFET ist. Ein erster Anschluß 62 des FET 60 ist mit der Anode 56 der Diode 54 bzw. der Spule 52 verbunden, ein zweiter Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Source-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 ist der Source-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, die mit zwei Eingangsanschlüssen 74, 76 parallel zu einem Kondensator 80 zwischen die Kathode 58 der Diode 54 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits geschaltet ist.The voltage converter 40 includes a coil 52 and a diode 54 connected in series between the first input terminal 42 and the first output terminal 46 are connected, wherein an anode 56 the diode 54 with the coil 52 and a cathode 58 the diode 54 with the first output terminal 46 of the voltage converter 40 are connected. The second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 are shorted together. The voltage converter 40 further comprises a field effect transistor (FET) 60 which serves as a switch and in the present embodiment is a self-blocking n-channel MOSFET and a self-blocking p-channel MOSFET, respectively. A first connection 62 of the FET 60 is with the anode 56 the diode 54 or the coil 52 connected, a second connection 64 of the FET 60 is with the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 connected. The first connection 62 of the MOSFET 60 is the drain terminal of an n-channel MOSFET and the source terminal of a p-channel MOSFET. The second connection 64 is the source terminal of an n-channel MOSFET and the drain terminal of a p-channel MOSFET. A gate connection 66 of the FET 60 is with a control output 70 a controller 72 connected, with two input connections 74 . 76 parallel to a capacitor 80 between the cathode 58 the diode 54 and the first output terminal 46 of the voltage converter 40 on the one hand and the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 on the other hand switched.
Die Steuerung 72 erzeugt an ihrem Steuerausgang 70 eine zyklische Steuerspannung, welche über den Gate-Anschluß 66 den FET 60 bzw. dessen Kanal zwischen dem ersten Anschluß 62 und dem zweiten Anschluß 64 abwechselnd sperrt und leitfähig schaltet. Dabei steuert die Steuerung 72 das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der An- und Auszeiten des FET 60, und die Wiederholungsfrequenz des An-/Aus-Zyklus des FET 60 so, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 des Spannungswandlers 40 eine vorbestimmte Spannung anliegt, und zwar weitgehend oder vollständig unabhängig von der Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' und dem Strom und der Leistung, die die Energiespeichervorrichtung 10 an ihren Kontakten 30, 32 abgibt.The control 72 generated at its control output 70 a cyclic control voltage, which via the gate terminal 66 the FET 60 or its channel between the first port 62 and the second port 64 alternately blocks and switches conductive. The controller controls 72 the duty cycle, ie the ratio of the on and off times of the FET 60 , and the repetition frequency of the on / off cycle of the FET 60 so that between the output terminals 46 . 48 of the voltage converter 40 a predetermined voltage is applied, largely or completely independent of the output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' and the power and power that the energy storage device 10 at their contacts 30 . 32 emits.
Die Spannung V0 wird dabei durch den Spannungswandler 40 unabhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' konstant gehalten. Bei Erreichen der Entladeschlußspannung bzw. der minimalen Entladespannung Vcn,min schaltet sich der Spannungswandler 40 ab, um eine Tiefentladung der Speicherzellen 22, 22' zu vermeiden. Vorzugsweise wird gleichzeitig, gesteuert durch die Steuerung 72 bzw. durch ein von ihr an einem weiteren Steuerausgang 144 erzeugtes Steuersignal, ein Schalter 146 geöffnet, wodurch die Speicherzellen 22, 22' von dem Gerät 120 getrennt werden. Eine Schädigung der Speicherzellen 22, 22' durch eine Tiefentladung wird damit nach wirkungsvoller verhindert. In Kombination mit einer Ladeschutzschaltung ermöglicht dies eine optimale Nutzung der Kapazität der Speicherzellen 22, 22'.The voltage V 0 is thereby by the voltage converter 40 regardless of the state of charge of the memory cells 22 . 22 ' kept constant. Upon reaching the discharge voltage or the minimum discharge voltage V cn, min , the voltage converter turns 40 starting to over-discharge the memory cells 22 . 22 ' to avoid. Preferably, it is simultaneously controlled by the controller 72 or by one of her at another control output 144 generated control signal, a switch 146 opened, causing the memory cells 22 . 22 ' from the device 120 be separated. Damage to the storage cells 22 . 22 ' Deep discharge makes it more effective. In combination with a charge protection circuit, this allows optimal utilization of the capacity of the memory cells 22 . 22 ' ,
1B ist eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' und der vorbestimmten Spannung V0, die der Spannungswandler 40 erzeugt und an seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 bzw. an den Kontakten 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 bereitstellt. Der Ordinatenachse sind die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' und die vorbestimmte Spannung V0 zugeordnet. Die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' liegt abhängig vom Ladezustand der Speicherzellen 22, 22' innerhalb eines Bereichs bzw. Intervalls 90 zwischen einer minimalen Entladespannung Vcn,min einer Ladeschlußspannung bzw. Ladeendspannung Vcn,max. Diese Ausgangsspannung Vcn wird durch den Spannungswandler 40 in die vorbestimmte Spannung V0 (Linie 92) gewandelt (Pfeil 94). Da bei dem in 1A dargestellten Spannungswandler 40 die zwischen den Ausgangsanschlüssen 46, 48 anliegende Spannung V0 mindestens so hoch ist wie die an den Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Spannung Vcn, handelt es sich um einen Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler bzw. Boost-Converter. 1B is a schematic representation of the output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' and the predetermined voltage V 0 , that of the voltage converter 40 generated and at its output terminals 46 . 48 or at the contacts 30 . 32 the energy storage device 10 provides. The ordinate axis is the output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' and assigned the predetermined voltage V 0 . The output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' depends on the state of charge of the memory cells 22 . 22 ' within a range or interval 90 between a minimum discharge voltage V cn, min of a charge end voltage or charge end voltage V cn, max . This output voltage V cn is through the voltage converter 40 in the predetermined voltage V 0 (line 92 ) (arrow 94 ). Since at the in 1A shown voltage converter 40 between the output terminals 46 . 48 voltage V 0 is at least as high as that at the input terminals 42 . 44 applied voltage V cn , it is a boost converter or boost converter or boost converter.
2A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem anhand der 1A dargestellten nur dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein Tiefsetzsteller bzw. ein Abwärtswandler bzw. ein Buck-Converter ist. Bei diesem ist bevorzugt ein p-Kanal zwischen einem Source-Anschluß 62 und einem Drain-Anschluß 64 eines p-Kanal-MOSFET 60 in Serie mit einer Spule 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 und den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 geschaltet, wobei der Source-Anschluß 62 mit dem ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 und der Drain-Anschluß 64 mit der Spule 52 verbunden sind. Ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist wiederum mit einem Steueranschluß 70 einer Steuerung 72 verbunden. Der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 sind wiederum miteinander kurzgeschlossen sowie ferner mit einem Eingangsanschluß 74 der Steuerung 72 verbunden. Eine Anode 56 einer Diode 54 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 verbunden, eine Kathode 58 der Diode 54 ist mit dem Drain-Anschluß 64 des FET 60 und der Spule 52 verbunden. Zwischen den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 und die Spule 52 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 und den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein Kondensator 80 geschaltet. 2A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a second preferred embodiment of the present invention. The second embodiment differs from the one based on of the 1A shown only in that the voltage converter 40 a buck converter or a buck converter. In this case, a p-channel between a source terminal is preferred 62 and a drain 64 a p-channel MOSFET 60 in series with a coil 52 between the first input terminal 42 and the first output terminal 46 of the voltage converter 40 switched, with the source terminal 62 with the first input terminal 42 of the voltage converter 40 and the drain connection 64 with the coil 52 are connected. A gate connection 66 of the FET 60 is again with a control terminal 70 a controller 72 connected. The second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 are in turn shorted together and further with an input terminal 74 the controller 72 connected. An anode 56 a diode 54 is with the second input terminal 44 and the second output terminal 48 connected, a cathode 58 the diode 54 is with the drain connection 64 of the FET 60 and the coil 52 connected. Between the first output terminal 46 of the voltage converter 40 and the coil 52 on the one hand and the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 on the other hand is a capacitor 80 connected.
Ähnlich wie bei dem anhand der 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist als FET 60 anstelle eines p-Kanal-MOSFET auch ein n-Kanal-MOSFET einsetzbar. Die Verwendung eines p-Kanal-MOSFET ist jedoch vorteilhaft.Similar to the case of the 1A shown first embodiment is as FET 60 Instead of a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET can be used. However, the use of a p-channel MOSFET is advantageous.
2B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannungen Vcn und V0 in der in 2A dargestellten Energiespeichervorrichtung. Die Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' liegt wiederum innerhalb eines Intervalls 90 zwischen der minimalen Entladespannung Vcn,min und der Ladeendspannung V. Der Spannungswandler 40 erzeugt (Pfeil 94') aus der Ausgangsspannung Vcn der Speicherzellen 22, 22' innerhalb des Intervalls 90 die vorbestimmte Spannung V0, die kleiner als die minimale Entladespannung Vcn,min ist. 2 B is a schematic diagram of the voltages V cn and V 0 in the in 2A illustrated energy storage device. The output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' again lies within an interval 90 between the minimum discharge voltage V cn, min and the charge end voltage V. The voltage converter 40 generated (arrow 94 ' ) from the output voltage V cn of the memory cells 22 . 22 ' within the interval 90 the predetermined voltage V 0 , which is smaller than the minimum discharge voltage V cn, min .
Die Spannungswandler 40 aus dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel und aus dem in 2A dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel können Spannungen nur aufwärts bzw. nur abwärts wandeln. Entsprechend ist die vorbestimmte Spannung V0, wie in 1B dargestellt, größer oder gleich der Ladeendspannung Vcn,max bzw., wie in 2B dargestellt, kleiner oder gleich der minimalen Entladespannung Vcn,min. Falls die vorbestimmte Spannung V0 innerhalb des für die Speicherzellen 22, 22' charakteristischen Intervalls 90 zwischen der minimalen Entladespannung Vcn,min und der Ladeendspannung Vcn,max liegt, wird vorzugsweise anstelle des Hochsetzstellers des ersten Ausführungsbeispiels und des Tiefsetzstellers des zweiten Ausführungsbeispiels ein SEPIC-Wandler oder ein Hoch-/Tiefsetzsteller verwendet, wie es im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben wird.The voltage transformers 40 from the in 1A illustrated first embodiment and of the in 2A illustrated second embodiment, voltages can only up or down only. Accordingly, the predetermined voltage V 0 , as in 1B represented, greater than or equal to the Ladeendspannung V cn, max or, as in 2 B represented, less than or equal to the minimum discharge voltage V cn, min . If the predetermined voltage V 0 within the for the memory cells 22 . 22 ' characteristic interval 90 between the minimum discharge voltage V cn, min and the charge end voltage V cn, max , a SEPIC converter or a step-up converter is preferably used instead of the step-up converter of the first embodiment and the step-down converter of the second embodiment, as described in the following embodiment ,
3A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung 10 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten beiden dadurch, daß der Spannungswandler 40 ein SEPIC-Wandler ist. 3A shows a schematic circuit diagram of an energy storage device 10 according to a third preferred embodiment of the present invention. The third embodiment differs from the first two in that the voltage converter 40 a SEPIC converter is.
Während wiederum der zweite Eingangsanschluß 44 und der zweite Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 miteinander kurzgeschlossen sind, sind zwischen dem ersten Eingangsanschluß 42 und dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 eine erste Spule 52, ein erster Kondensator 80 und eine Diode 54 in Serie geschaltet, wobei die erste Spule 52 zwischen den ersten Eingangsanschluß 42 des Spannungswandlers 40 einerseits und einen ersten Anschluß 80a des ersten Kondensators 80 sowie einen ersten Anschluß 62 eines FET 60 andererseits geschaltet ist, und ein zweiter Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 mit der Anode 56 der Diode 54 verbunden ist, und eine Kathode 58 der Diode 54 mit dem ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers verbunden ist. Ein zweiten Anschluß 64 des FET 60 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden, und ein Gate-Anschluß 66 des FET 60 ist mit einem Steuerausgang 70 einer Steuerung 72 verbunden, deren Eingangsanschluß 74 ebenfalls mit dem zweiten Eingangsanschluß 44 und dem zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 verbunden ist. Der erste Anschluß 62 des MOSFET 60 ist der Drain-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Source-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Der zweite Anschluß 64 des MOSFET 60 ist der Source-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET bzw. der Drain-Anschluß eines p-Kanal-MOSFET. Zwischen den zweiten Anschluß 80b des ersten Kondensators 80 sowie die Anode 56 der Diode 54 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist eine zweite Spule 102 geschaltet, und zwischen die Kathode 58 der Diode 54 sowie den ersten Ausgangsanschluß 46 des Spannungswandlers 40 einerseits und den zweiten Eingangsanschluß 44 sowie den zweiten Ausgangsanschluß 48 des Spannungswandlers 40 andererseits ist ein zweiter Kondensator 104 geschaltet.While again the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 are shorted together, are between the first input terminal 42 and the first output terminal 46 of the voltage converter 40 a first coil 52 , a first capacitor 80 and a diode 54 connected in series, with the first coil 52 between the first input terminal 42 of the voltage converter 40 on the one hand and a first connection 80a of the first capacitor 80 and a first connection 62 a FET 60 on the other hand, and a second terminal 80b of the first capacitor 80 with the anode 56 the diode 54 connected, and a cathode 58 the diode 54 with the first output terminal 46 the voltage converter is connected. A second connection 64 of the FET 60 is with the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 connected, and a gate terminal 66 of the FET 60 is with a control output 70 a controller 72 connected, their input terminal 74 also with the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 connected is. The first connection 62 of the MOSFET 60 is the drain terminal of an n-channel MOSFET and the source terminal of a p-channel MOSFET. The second connection 64 of the MOSFET 60 is the source terminal of an n-channel MOSFET and the drain terminal of a p-channel MOSFET. Between the second connection 80b of the first capacitor 80 as well as the anode 56 the diode 54 on the one hand and the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 On the other hand, a second coil 102 switched, and between the cathode 58 the diode 54 and the first output terminal 46 of the voltage converter 40 on the one hand and the second input terminal 44 and the second output terminal 48 of the voltage converter 40 on the other hand is a second capacitor 104 connected.
Der Spannungswandler 40 des in 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erzeugt abhängig von Tastverhältnis und Frequenz der durch die Steuerung 72 gesteuerten Ein-/Ausschaltzyklen des FET 60 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine vorbestimmte Spannung V0, die sowohl größer als auch kleiner als die zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 anliegende Spannung Vcn sein kann. Entsprechend eignet sich dieser Spannungswandler 40 insbesondere für Anwendungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, bei denen die vorbestimmte Spannung V0, die die Energiespeichervorrichtung 10 einem mit elektrischer Leistung zu versorgenden Gerät 10 bereitstellen soll, zwischen der minimalen Entladespannung Vcn,min und der Ladeendspannung Vcn,max liegt.The voltage converter 40 of in 3A illustrated third embodiment of the present invention generates depending on duty ratio and frequency of the control 72 controlled on / off cycles of the FET 60 between its output terminals 46 . 48 a predetermined voltage V 0 , both larger and smaller than that between its input terminals 42 . 44 can be applied voltage V cn . Accordingly, this voltage converter is suitable 40 in particular for applications of the energy storage device according to the invention 10 , in which the predetermined voltage V 0 , the energy storage device 10 a device to be supplied with electric power 10 is to provide between the minimum discharge voltage V cn, min and the Ladeendspannung V cn, max is.
3B ist eine schematische graphische Darstellung der Spannung Vcn und V0 in dem Spannungswandler 40 des in 3A dargestellten dritten Ausführungsbeispiels. Dabei symbolisiert ein Pfeil 94 ein Aufwärtswandeln, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine höhere Spannung V0 erzeugt, als er zwischen seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt. Ein Pfeil 94' stellt ein Abwärtswandeln dar, bei dem der Spannungswandler 40 zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 46, 48 eine Spannung V0 erzeugt, die kleiner ist als die Spannung Vcn, die er an seinen Eingangsanschlüssen 42, 44 empfängt. 3B FIG. 12 is a schematic diagram of the voltages V cn and V 0 in the voltage converter 40 of in 3A illustrated third embodiment. An arrow symbolizes 94 an up-converting, in which the voltage converter 40 between its output terminals 46 . 48 generates a higher voltage V 0 than it does between its input terminals 42 . 44 receives. An arrow 94 ' represents a down conversion in which the voltage converter 40 between its output terminals 46 . 48 generates a voltage V 0 which is less than the voltage V cn which it has at its input terminals 42 . 44 receives.
Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine Möglichkeit zur Einstellung bzw. Programmierung einer erwünschten vorbestimmten Ausgangsspannung V0 auf. Nachfolgend werden anhand der 4, 5 und 6 Modifikationen des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, die eine solche Möglichkeit zur externen Einstellung der vorbestimmten Spannung V0 aufweisen. Vorzugsweise werden auch das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel entsprechend modifiziert.Preferably, an energy storage device according to the invention has a possibility for setting or programming a desired predetermined output voltage V 0 . The following are based on the 4 . 5 and 6 Modifications of the first embodiment described, having such a possibility for external adjustment of the predetermined voltage V 0 . Preferably, the second and third embodiments are modified accordingly.
4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist an dem Gehäuse 20 ein dritter Kontakt 110 angeordnet, der mit einem Steuereingang 112 der Steuerung 72 und einem Mittenabgriff eines Spannungsteilers verbunden ist. Der Spannungsteiler wird durch einen ersten Widerstand 114 und einen zweiten Widerstand 116 gebildetet und ist parallel zu dem Kondensator 80 zwischen die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers 40 geschaltet. Er erzeugt ein elektrisches Potential, das zwischen den Potentialen der Ausganganschlüsse 46, 48 liegt und am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegt. Die Steuerung 72 ist so ausgebildet, daß dieses Potential die durch den Spannungswandler 40 erzeugte vorbestimmte Spannung V0 beeinflußt bzw über eine Veränderung des am Steuereingang 112 anliegenden Potentials die vorbestimmte Spannung V0 einstellbar ist. Der dritte Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung stellt somit eine analoge Schnittstelle dar, über die der Spannungswandler 40 von außen ein Signal empfängt, das die durch ihn einzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt. Dieses von außen empfangene Signal ist beispielsweise ein zu der einzustellenden vorbestimmten Spannung V0 proportionales Spannungssignal. 4 FIG. 12 is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to a modification of the first embodiment of the present invention. FIG. Unlike the in 1A shown first embodiment is on the housing 20 a third contact 110 arranged with a control input 112 the controller 72 and a center tap of a voltage divider. The voltage divider is replaced by a first resistor 114 and a second resistor 116 formed and is parallel to the capacitor 80 between the output terminals 46 . 48 of the voltage converter 40 connected. It generates an electrical potential between the potentials of the output terminals 46 . 48 is located and at the control entrance 112 the controller 72 is applied. The control 72 is designed so that this potential through the voltage converter 40 generated predetermined voltage V 0 influenced or via a change in the control input 112 applied potential, the predetermined voltage V 0 is adjustable. The third contact 110 the energy storage device thus represents an analog interface over which the voltage converter 40 from the outside receives a signal representing the predetermined voltage V 0 to be set by it. This signal received from the outside is, for example, a voltage signal proportional to the predetermined voltage V 0 to be set .
In 4 ist neben der Energiespeichervorrichtung 10 schematisch ein Gerät 120 dargestellt, das Kontakte 130, 132, 134 aufweist, die elektrisch leitfähig mit den Kontakten 30, 32, 110 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 ist ein elektrisches oder elektronisches Gerät für eine beliebige Anwendung, das durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Diese elektrische Leistung empfängt das Gerät 120 über die Kontakte 130, 132, die mit den Kontakten 30 und 32 der Energiespeichervorrichtung 10 verbunden sind. Das Gerät 120 umfaßt eine Schaltung zum Erzeugen bzw. Beeinflussen des am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anliegenden Analogsignals über den dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10. Im einfachsten Fall besteht diese Einrichtung, wie in 4 dargestellt, aus ein oder zwei Widerständen 140, 142, die in dem Gerät 120 angeordnet und über die Kontakte 130, 132 und 134 zu dem ersten Widerstand 114 bzw. dem zweiten Widerstand 116 parallel geschaltet sind. Die Widerstände 140, 142 bilden zusammen mit den Widerständen 114, 116 des Spannungswandlers 40 einen modifizierten Spannungsteiler, der ein beliebiges Widerstandsverhältnis aufweist, das in der Regel von dem des Spannungsteilers aus den Widerständen 114, 116 abweicht. Durch die Widerstände 140, 142 liegt somit ein anderes Potential an dem Steuereingang 112 der Steuerung 72 an als es der allein aus dem ersten Widerstand 114 und dem zweiten Widerstand 116 gebildete Spannungsteiler erzeugt.In 4 is next to the energy storage device 10 schematically a device 120 represented, the contacts 130 . 132 . 134 which is electrically conductive with the contacts 30 . 32 . 110 the energy storage device 10 are connected. The device 120 is an electrical or electronic device for any application, by the energy storage device according to the invention 10 to be supplied with electric power. This electrical power is received by the device 120 about the contacts 130 . 132 that with the contacts 30 and 32 the energy storage device 10 are connected. The device 120 includes a circuit for generating or influencing the at the control input 112 the controller 72 applied analog signal via the third contact 110 the energy storage device 10 , In the simplest case, this facility exists as in 4 represented by one or two resistors 140 . 142 in the device 120 arranged and over the contacts 130 . 132 and 134 to the first resistance 114 or the second resistor 116 are connected in parallel. The resistors 140 . 142 make up together with the resistors 114 . 116 of the voltage converter 40 a modified voltage divider having an arbitrary resistance ratio, typically of that of the voltage divider, of the resistors 114 . 116 differs. By the resistances 140 . 142 is thus another potential at the control input 112 the controller 72 as it alone from the first resistance 114 and the second resistor 116 generated voltage divider generated.
Alternativ weist das Gerät 120 eine beliebige andere Einrichtung bzw. eine beliebige Spannungsquelle zum Erzeugen eines Spannungssignals auf, das die Information enthält, welche vorbestimmte Spannung V0 das Gerät 120 benötigt bzw. der Spannungswandler 40 erzeugen soll.Alternatively, the device points 120 any other device or voltage source for generating a voltage signal containing the information which predetermined voltage V 0 the device 120 needed or the voltage converter 40 should generate.
Der Spannungswandler 40 muß keinen Spannungsteiler 114, 116 aufweisen. Die in 4 dargestellten Widerstände 114, 116 stellen jedoch sicher, daß auch dann, wenn das Gerät 120 beispielsweise keine Beschaltung des dritten Kontaktes 110 der Energiespeichervorrichtung 10 vorsieht, ein definiertes Signal am Steuereingang 112 der Steuerung 72 anlegt. Dieses Signal bzw. die dieses erzeugenden Widerstände 114, 116 sind vorzugsweise so dimensioniert, daß die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 eine Standardbatteriespannung, beispielsweise 1,5 V zwischen dem ersten Kontakt 30 und dem zweiten Kontakt 32 erzeugt, wenn am dritten Kontakt 110 kein definiertes Signal von außen angelegt wird. Dadurch kann eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wie eine herkömmliche Batterie in ein Gerät eingesetzt werden, das nicht für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung, sondern für eine herkömmliche Batterie ausgelegt ist.The voltage converter 40 does not have a voltage divider 114 . 116 exhibit. In the 4 illustrated resistors 114 . 116 However, make sure that even if the device 120 For example, no wiring of the third contact 110 the energy storage device 10 provides a defined signal at the control input 112 the controller 72 invests. This signal or the resistors generating this 114 . 116 are preferably dimensioned so that the energy storage device according to the invention 10 a standard battery voltage, for example, 1.5V between the first contact 30 and the second contact 32 generated when on the third contact 110 no defined signal is applied from the outside. As a result, an energy storage device according to the invention, like a conventional battery, can be inserted into a device which is not designed for the energy storage device according to the invention but for a conventional battery.
Auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 in einem herkömmlichen Gerät, das für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren ausgelegt ist, bietet den Vorteil, daß dem Gerät eine konstante Versorgungsspannung und eine in vielen Fällen erhöhte Kapazität bereitgestellt werden. Geräte der nächsten Generation, die für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen bzw. ausgebildet sind, nutzen alle Vorteile der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, indem sie mittels eines oder beider der in 4 dargestellten Widerstände 140, 142 eine Spannung bzw. ein Signal am dritten Kontakt 110 der Energiespeichervorrichtung 10 und damit am Steuereingang 112 der Steuerung 72 erzeugen, das die für das Geräte 120 optimale Versorgungsspannung V0 an der Energiespeichervorrichtung 10 einstellt bzw. programmiert.Also the use of the energy storage device according to the invention 10 in a conventional device designed for conventional batteries or accumulators offers the advantage of providing the device with a constant supply voltage and, in many cases, increased capacity. Next generation devices, which are for the use of an energy storage device according to the invention 10 are provided and use all the advantages of the energy storage device according to the invention, by means of one or both of in 4 illustrated resistors 140 . 142 a voltage or a signal at the third contact 110 the energy storage device 10 and thus at the control input 112 the controller 72 generate that for the device 120 optimal supply voltage V 0 at the energy storage device 10 adjusts or programs.
5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine alternative Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels darstellt, bei der die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 anstatt einer analogen eine digitale serielle Schnittstelle aufweist, über die es ein digitales serielles Signal von einem Gerät, das sie mit elektrischer Leistung versorgt, empfängt. Das digitale serielle Signal stellt die von dem Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung dar. Der Spannungswandler 40 empfängt dieses digitale serielle Signal und stellt die benötigte Versorgungsspannung für das Gerät 120 bereit. 5 is a schematic circuit diagram illustrating an alternative modification of the first embodiment, in which the energy storage device according to the invention 10 instead of an analog has a digital serial interface over which it receives a digital serial signal from a device that provides it with electrical power. The digital serial signal represents that of the device 120 required supply voltage. The voltage transformer 40 receives this digital serial signal and provides the required supply voltage for the device 120 ready.
Die digitale Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt mindestens einen dritten Kontakt 110, der mit einem Kontakt 134 des Geräts 120 verbindbar ist und ferner mit einem Digitaleingang 152 eines Analog-/Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) 154 verbunden ist. Über die Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120, die beispielsweise durch den zweiten Kontakt 32 der Energiespeichervorrichtung 10 und den Kontakt 132 des Geräts 120 gebildet wird, fließt Leistung. Vorzugsweise weist die digitale Schnittstelle deshalb ferner einen vierten Kontakt 156 auf, der mit einem weiteren Kontakt 158 des Geräts 120 verbunden ist und eine ausschließlich der digitalen Schnittstelle zugeordnete Masseverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 10 und dem Gerät 120 bildet. Diese getrennte Masseverbindung ermöglicht einen störungsärmeren Betrieb der digitalen Schnittstelle. Alternativ handelt es sich bei dem Pfad über den vierten Kontakt 156 und den weiteren Kontakt 158 um eine zweite Signalleitung der digitalen seriellen Schnittstelle.The digital interface of the energy storage device 10 includes at least a third contact 110 who with a contact 134 of the device 120 is connectable and further with a digital input 152 an analog / digital converter (A / D converter) 154 connected is. About the ground connection between the energy storage device 10 and the device 120 , for example, through the second contact 32 the energy storage device 10 and the contact 132 of the device 120 is formed, power flows. Preferably, therefore, the digital interface also has a fourth contact 156 on that with another contact 158 of the device 120 is connected and a dedicated only the digital interface ground connection between the energy storage device 10 and the device 120 forms. This separate ground connection enables a lower-noise operation of the digital interface. Alternatively, the path is over the fourth contact 156 and further contact 158 by a second signal line of the digital serial interface.
Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen der Darstellung aus 4 und sind deshalb in 5 nicht wiedergegeben. Auch beim Gerät 120 sind weitere Merkmale, beispielsweise zur Erzeugung des Digitalsignals 160, in 5 nicht dargestellt.Further features of the energy storage device 10 correspond to the illustration 4 and are therefore in 5 not played. Also with the device 120 are further features, for example for generating the digital signal 160 , in 5 not shown.
6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die eine digitale parallele Schnittstelle aufweist. Über m Kontakte 170, 172, 174, die zusammen einen Parallelbus 176 bilden, werden Parallelbits bzw. Bitsignale übertragen, die gemeinsam ein Signal bilden, das die durch den Spannungswandler 40 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt bzw. über das das Gerät 120 der Energiespeichervorrichtung 10 mitteilt, welche Versorgungsspannung V0 es benötigt. Weitere Merkmale der Energiespeichervorrichtung 10 entsprechen denen aus 4 und sind deshalb ebenso wie das Gerät 120 in 6 nicht dargestellt. 6 Fig. 12 is a schematic representation of another modification of the first embodiment of the present invention having a digital parallel interface. About m contacts 170 . 172 . 174 , which together form a parallel bus 176 form parallel bits or bit signals are transmitted, which together form a signal which, by the voltage converter 40 to be provided predetermined voltage V 0 or over which the device 120 the energy storage device 10 tells which supply voltage V 0 it needs. Further features of the energy storage device 10 match those out 4 and therefore are the same as the device 120 in 6 not shown.
Die digitale Parallelschnittstelle bietet den Vorteil, daß geräteseitig die Einstellung der Versorgungsspannung V0 besonders einfach per Festverdrahtung erfolgen kann, d. h. ahne ein einziges zusätzliches Bauteil.The digital parallel interface has the advantage that on the device side, the setting of the supply voltage V 0 can be done very easily by hardwiring, ie, without a single additional component.
Eine weitere mögliche Schnittstelle zur Übertragung eines Signals von dem Gerät 120 an die Energiespeichervorrichtung 10 umfaßt reversible oder nichtreversible Schalter bzw. Schaltkontakte. Diese bilden eine mechanisch-elektrische parallele digitale Schnittstelle und werden durch Nasen, Noppen, Stege oder ähnliche mechanische Einrichtungen an dem Gerät 120 beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Fach des Geräts 120 selektiv betätigt bzw. geöffnet oder geschlossen. Irreversible Schaltkontakte werden nur einmal beim ersten Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Gerät 120 geschlossen oder geöffnet und ändern ihren Schaltzustand beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 nicht mehr. Reversible Schaltkontakte gehen beim Herausnehmen der Energiespeichervorrichtung 10 aus dem Gerät 120 wieder in ihren Ursprungszustand über und ermöglichen so eine Verwendung ein und derselben Energiespeichervorrichtung 10 nacheinander in verschiedenen Geräten mit verschiedenen Versorgungsspannungen. Das Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt, ist in diesem Fall auf Seite des Geräts 120 ein mechanisches Signal. Dieses mechanische Signal wird in der Schnittstelle der Energiespeichervorrichtung 10 in ein elektrisches Signal gewandelt, das wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen die Versorgungsspannung steuert.Another possible interface for transmitting a signal from the device 120 to the energy storage device 10 includes reversible or non-reversible switches or switching contacts. These form a mechanical-electrical parallel digital interface and are provided by lugs, nubs, lands or similar mechanical devices on the device 120 at the onset of the energy storage device 10 in a compartment of the device 120 selectively actuated or opened or closed. Irreversible switch contacts are only once at the first insertion of the energy storage device 10 in the device 120 closed or opened and change their switching state when removing the energy storage device 10 from the device 120 no more. Reversible switching contacts go when removing the energy storage device 10 from the device 120 return to their original state and thus allow use of the same energy storage device 10 successively in different devices with different supply voltages. The signal that passes through the device 120 required supply voltage or by the energy storage device 10 is to be provided predetermined voltage V 0 is in this case on the side of the device 120 a mechanical signal. This mechanical signal is in the interface of the energy storage device 10 in one converted electrical signal, which controls the supply voltage as in the previous embodiments.
Die Energiespeichervorrichtung 10 und das Gerät 120 können so ausgebildet sein, daß ein Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 darstellt, nur einmal nach dem Verbinden der Energiespeichervorrichtung 10 mit dem Gerät 120 oder in regelmäßigen Abständen oder bei bestimmten Ereignissen wiederholt oder aber ständig von dem Gerät 120 gesendet bzw. bereitgestellt und von der Energiespeichervorrichtung 10 empfangen wird. Das Signal und damit die vorbestimmte Spannung V0 können sich ändern, wenn die Energiespeichervorrichtung 10 mit einem anderen Gerät 120 verbunden wird, und vorzugsweise auch, wenn sich die von dem Gerät 120 benötige Versorgungsspannung beispielsweise beim Wechsel eines Betriebsmodus ändert. Beispielsweise fordert das Gerät 120 von der Energiespeichervorrichtung 10 eine niedrige vorbestimmte Spannung V0 an, wenn es sich in einem Sleep- oder Idle-Modus befindet, in dem lediglich der Dateninhalt eines Speichermoduls erhalten oder eine Schnittstelle überwacht werden muß. Wenn das Gerät 120 eine höhere elektrische Leistung benötigt, beispielsweise weil ein HF-Sender betrieben, eine Beleuchtung eingeschaltet oder in einem Prozessor ein Programm ausgeführt wird, fordert das Gerät 120 durch ein entsprechendes Signal von der Energiespeichervorrichtung 10 eine vorbestimmte Spannung V0, die für den jeweiligen Betriebsmodus und Betriebszustand optimal ist.The energy storage device 10 and the device 120 can be designed so that a signal passing through the device 120 required supply voltage or by the energy storage device 10 at the contacts 30 . 32 to be provided predetermined voltage V 0 , only once after connecting the energy storage device 10 with the device 120 or at regular intervals or for certain events repeated or constantly from the device 120 sent and provided by the energy storage device 10 Will be received. The signal and thus the predetermined voltage V 0 may change when the energy storage device 10 with another device 120 is connected, and preferably also when the device 120 Required supply voltage changes, for example, when changing an operating mode. For example, the device prompts 120 from the energy storage device 10 a low predetermined voltage V 0 when it is in a sleep or idle mode in which only the data content of a memory module must be maintained or an interface must be monitored. When the device 120 requires a higher electrical power, for example, because an RF transmitter is operated, a lighting switched on or a program is executed in a processor, the device asks 120 by a corresponding signal from the energy storage device 10 a predetermined voltage V 0 , which is optimal for the respective operating mode and operating state.
In den 1–4 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellungen keine Ladesteuer- und Schutzelektronik dargestellt. Eine Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik kann parallel zu den in den 1–4 dargestellten Elementen des Spannungswandlers 40 zwischen die Eingangsanschlüsse 42, 44 und die Ausgangsanschlüsse 46, 48 des Spannungswandlers geschaltet sein. Alternativ ist die Ladesteuer- und/oder Schutzelektronik parallel zu dem Spannungswandler 40 zwischen Plus- und Minuspol 24, 26 der Speicherzellen 22, 22' einerseits und den Leistungsausgang 30, 32 der Energiespeichervorrichtung 10 andererseits geschaltet. Steuer- und Überwachungsfunktionen sind jedoch vorzugsweise, wie bereits erwähnt, in die Steuerung 72 implementiert. Dabei übernehmen zumindest einzelne der aktiven Elemente des Spannungswandlers 40 gleichzeitig Ladesteuer- und Schutzfunktionen. Für einen steuerbaren Ladestrompfad ist im ersten Ausführungsbeispiel die Diode 54 beispielsweise als geschalteter MOSFET ausgeführt, während im zweiten Ausführungsbeispiel der FET 60 vorzugsweise als bidirektionaler Schalter ausgeführt ist, beispielsweise in Form zweier antiserieller MOS-FETs. Im dritten Ausführungsbeispiel wird dazu vorteilhaft ein MOSFET eingesetzt, der die Elemente 80 und 54 überbrückt. Darüber hinaus sind vorzugsweise zusätzliche aktive Bauelemente für Lade- und/oder Schutzfunktionen in den Spannungswandler und dessen Hauptstrompfad integriert.In the 1 - 4 For reasons of clarity of presentation, no charge control and protection electronics are shown. A charge control and / or protection electronics can parallel to those in the 1 - 4 represented elements of the voltage converter 40 between the input terminals 42 . 44 and the output terminals 46 . 48 be switched of the voltage converter. Alternatively, the charge control and / or protection electronics is parallel to the voltage converter 40 between positive and negative pole 24 . 26 the memory cells 22 . 22 ' on the one hand and the power output 30 . 32 the energy storage device 10 on the other hand switched. However, control and monitoring functions are preferably, as already mentioned, in the controller 72 implemented. At least some of the active elements of the voltage converter take over 40 simultaneously charge control and protection functions. For a controllable charging current path in the first embodiment is the diode 54 For example, executed as a switched MOSFET, while in the second embodiment, the FET 60 is preferably designed as a bidirectional switch, for example in the form of two antiserial MOS FETs. In the third embodiment, a MOSFET is advantageously used for this, the elements 80 and 54 bridged. In addition, additional active components for charging and / or protective functions are preferably integrated into the voltage converter and its main current path.
Die Spannungswandler 40 der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung können konventionell bzw. aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Vorzugsweise und hinsichtlich der Herstellungskosten und der geometrischen Abmessungen bzw. des Bauvolumens der Spannungswandler vorteilhaft sind diese jedoch vollständig monolithisch auf einem Chip integriert. Die Schaltfrequenzen des Gleichspannungswandlers liegen dazu vorzugsweise im Bereich einiger MHz, da bei diesen Frequenzen die elektrischen und magnetischen Energiespeicher, d. h. die Spulen 52, 102 und die Kondensatoren 80, 104, auf einem Chip realisiert bzw. in diesen integriert werden können.The voltage transformers 40 The energy storage device according to the invention can be constructed conventionally or from discrete components. Preferably, however, with regard to the production costs and the geometric dimensions or the construction volume of the voltage transformers, these are advantageously integrated completely monolithically on a chip. The switching frequencies of the DC-DC converter are for this purpose preferably in the range of a few MHz, since at these frequencies the electrical and magnetic energy storage, ie the coils 52 . 102 and the capacitors 80 . 104 , realized on a chip or can be integrated into it.
Vorteilhaft ist ferner eine monolithische Integration des Spannungswandlers 40 mit einer Lade- und Schutzschaltung gegen Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, Übertemperatur etc. Ferner weist ein Spannungswandler 40 gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise spezielle Betriebsmodi auf, beispielsweise einen Burst-Modus, in dem insbesondere bei Nennlast ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, und eine No-Load-Abschaltung bzw. einen Modus, in dem der Spannungswandler abgeschaltet wird, wenn keine Last an die Energiespeichervorrichtung 10 angeschlossen ist, um eine geringe Selbstentladung auch im Schwachlastbetrieb oder bei einer längeren Lagerung der Energiespeichervorrichtung 10 sicherzustellen.Also advantageous is a monolithic integration of the voltage converter 40 with a charging and protection circuit against short circuit, reverse polarity, overcharge, over-discharge, over-temperature, etc. Furthermore, a voltage converter has 40 According to the present invention, it is preferable that there are special operation modes such as a burst mode in which a high efficiency is particularly achieved at rated load, and a no-load cutoff mode in which the voltage converter is turned off when no load is applied to the power converter energy storage device 10 is connected to a low self-discharge even in low load operation or a longer storage of the energy storage device 10 sure.
Die 7–10 sind schematische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10, in denen vor allem die Form des Gehäuses 20 und die Anordnung der Kontakte 30, 32, 110, 156, 170, 172, 174 an dem Gehäuse 20 dargestellt sind. Form, Größe und Anordnung der Kontakte sind dabei normalerweise so gewählt, daß sie beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung in ein Fach eines Geräts mit entsprechenden Kontakten des Geräts zwangsläufig bzw. automatisch verbunden werden.The 7 - 10 are schematic external views of energy storage devices according to the invention 10 in which especially the shape of the case 20 and the arrangement of the contacts 30 . 32 . 110 . 156 . 170 . 172 . 174 on the housing 20 are shown. Form, size and arrangement of the contacts are normally chosen so that they are inevitably or automatically connected when inserting the energy storage device in a compartment of a device with corresponding contacts of the device.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuse 20 und die Kontakte 30, 32, die den Leistungsanschluß der Energiespeichervorrichtung 10 bilden, hinsichtlich ihrer Form, Größe und Anordnung vorzugsweise einem durch die IEC oder die ISO standardisierten Batterietyp entsprechen, beispielsweise einer Mono-, Baby-, Mignon-, Mikro- oder Lady-Zelle oder einer anderen Rund- oder Knopfzelle. Der Spannungswandler 40 entspricht einem der in den 1A, 2A und 3A dargestellten Ausführungsbeispiele, wobei die vorbestimmte Spannung V0 vorzugsweise der Nennspannung des der Form und Größe des Gehäuses 20 entsprechendem Standardbatterietyps entspricht. Alternativ weist die Energiespeichervorrichtung 10 ferner, wie in den 4–6 dargestellt, eine Schnittstelle und einen über die Schnittstelle von extern steuerbaren Spannungswandler bzw. einen Spannungswandler mit einer von außen einstellbaren vorbestimmten Ausgangsspannung V0 auf. Die Schnittstelle ist hier als ringförmige Elektrode 110 zur Übertragung eines Analogsignals oder eines digitalen seriellen Signals dargestellt. Vorzugsweise ist der Spannungswandler 40, wie oben beschrieben, so ausgeführt, daß die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 die Spannung V0 bereitstellt, die dem in Größe und Form des Gehäuses 20 entsprechenden Standardbatterietyp entspricht, wenn an der Schnittstelle 110 kein Signal anliegt. Dadurch ist die Energiespeichervorrichtung 10 abwärtskompatibel und sowohl in herkömmlichen Geräten, die für herkömmliche Batterien oder Akkumulatoren vorgesehen sind, als auch in Geräten, die für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 vorgesehen sind, einsetzbar. 7 shows an embodiment in which the housing 20 and the contacts 30 . 32 indicating the power terminal of the energy storage device 10 in terms of their shape, size and arrangement preferably correspond to a battery type standardized by the IEC or the ISO, for example a mono-, baby-, mignon-, micro- or lady-cell or another round- or button cell. The voltage converter 40 corresponds to one of the 1A . 2A and 3A illustrated embodiments, wherein the predetermined voltage V 0 is preferably the rated voltage of the shape and size of the housing 20 corresponding standard battery type. Alternatively, the energy storage device 10 furthermore, as in the 4 - 6 represented, an interface and via the interface of externally controllable voltage converter or a voltage converter with an externally adjustable predetermined output voltage V 0 . The interface is here as an annular electrode 110 for transmitting an analog signal or a digital serial signal. Preferably, the voltage converter 40 as described above, designed so that the energy storage device 10 at the contacts 30 . 32 the voltage V 0 provides that in the size and shape of the housing 20 corresponding standard battery type when connected to the interface 110 no signal is present. This is the energy storage device 10 backwards compatible and in both conventional devices intended for conventional batteries or accumulators, as well as in devices that are suitable for the energy storage device according to the invention 10 are provided, can be used.
Die 8 und 9 sind schematische, perspektivische Außenansichten von erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10, deren Gehäuse 20 und Kontakte 30, 32, 110 in Form, Größe und Anordnung Flachbatterien mit Anschlußfahnen bzw. mit Kontaktierungsflächen entsprechen.The 8th and 9 are schematic, perspective exterior views of energy storage devices according to the invention 10 whose housing 20 and contacts 30 . 32 . 110 in shape, size and arrangement flat batteries with terminal lugs or with contact surfaces correspond.
10 ist eine schematische perspektivische Außenansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, die eine oben beschriebene mechanisch-elektrische Schnittstelle in Form von mehreren Folienschaltkontakten bzw. Folienschaltern 180, 182, 184 aufweist. Die Folienschalter 180, 182, 184 sind in die Batterieumhüllung bzw. das Gehäuse 20 der Energiespeichervorrichtung 10 integriert und vorzugsweise durch eine Deckfolie gegenüber der Umwelt hermetisch abgeschlossen. Es sind somit keine zusätzlichen, nach außen geführten Kontakte 110, 156, 170, 172, 174 erforderlich, um die durch die Energiespeichervorrichtung 10 bereitzustellende vorbestimmte Spannung V0 einzustellen. Die Folienschalter 180, 182, 184 werden beim Einsetzen bzw. Einlegen der Energiespeichervorrichtung 10 in ein Gerät durch Noppen, Stege, Vorsprünge oder ähnliche mechanische Einrichtungen im Batterie- bzw. Akkumulatorfach betätigt. Mit m Folienschaltern ist eine Auswahl von 2m verschiedenen Werten der Versorgungsspannung bzw. der einzustellenden vorbestimmten Spannung V0 möglich. Die in 10 gezeigte Verwendung von Folienschaltern zur Bildung einer mechanisch-elektrischen Schnittstelle eignet sich besonders für Flach- und Folienzellen und weist hier den besonderen Vorteil auf, keine zusätzlichen Durchführungen durch die hermetisch dichte Hülle zu erfordern. 10 is a schematic perspective external view of an energy storage device according to the invention 10 , which has a mechanical-electrical interface described above in the form of a plurality of film switching contacts or membrane switches 180 . 182 . 184 having. The foil switches 180 . 182 . 184 are in the battery enclosure or the housing 20 the energy storage device 10 integrated and preferably hermetically sealed by a cover sheet against the environment. There are thus no additional outward contacts 110 . 156 . 170 . 172 . 174 required by the energy storage device 10 set to be provided predetermined voltage V 0 . The foil switches 180 . 182 . 184 be when inserting or inserting the energy storage device 10 operated in a device by nubs, webs, protrusions or similar mechanical devices in the battery or accumulator compartment. With m membrane switches, a selection of 2 m different values of the supply voltage or the predetermined voltage V 0 to be set is possible. In the 10 shown use of film switches to form a mechanical-electrical interface is particularly suitable for flat and film cells and has the particular advantage of requiring no additional passages through the hermetically sealed shell.
Bei der Verwendung von Folienzellen wird der Spannungswandler 40 vorzugsweise in Dünnchiptechnik hergestellt, in der bedingt flexible Chips erzeugt werden können. Die in den 8, 9, 10 dargestellten Folienzellen sind vorzugsweise elastisch bzw. mechanisch flexibel.When using foil cells, the voltage converter becomes 40 preferably produced in thin-chip technology, in which conditionally flexible chips can be produced. The in the 8th . 9 . 10 The film cells shown are preferably elastic or mechanically flexible.
Vorzugsweise weist eine Energiespeichervorrichtung eine Spule auf, über die einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnommen werden kann, um die Speicherzellen 22, 22' aufzuladen, wobei es sich bei diesen um Sekundärzellen handelt. Vorzugsweise wird eine im Spannungswandler 40 ohnehin vorhandene Spule so beschaltet, daß sie zum Laden der Speicherzellen einem elektromagnetischen Wechselfeld Leistung entnehmen kann. Vorzugsweise wird die Spule auf eine Siliziumoberfläche oder einen Schaltungsträger gedruckt.Preferably, an energy storage device has a coil, via which power can be taken from an externally applied electromagnetic alternating field, around the storage cells 22 . 22 ' to charge, these are secondary cells. Preferably, one in the voltage converter 40 Coil already present so wired that it can take power to charge the memory cells an electromagnetic alternating field. Preferably, the coil is printed on a silicon surface or a circuit carrier.
11 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geräts 120, das ausgebildet ist, um durch eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen 10 mit elektrischer Leistung versorgt zu werden. Das Gerät 120 weist ein Batterie- oder Akkumulatorfach bzw. ein Fach 190 zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung auf. In dem Fach 190 sind Kontakte 130, 132 angeordnet, welche beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 deren Kontakte 30, 32 kontaktieren. Das Fach 190 und die Kontakte 130, 132 sind vorzugsweise so ausgebildet, daß auch eine herkömmliche Standardbatterie eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist im Fach 190 ein weiterer, vorzugsweise ebenso wie die Kontakte 130, 132 federnder, Kontakt 134 angeordnet, der beim Einsetzen der Energiespeichervorrichtung 10 in das Fach 190 einen dritten Kontakt der Energiespeichervorrichtung 10 kontaktiert. Das Gerät 120 erzeugt ein analoges oder digitales serielles oder (wenn anstatt des einen dritten Kontaktes 134 eine Mehrzahl von Kontakten vorgesehen ist) paralleles Signal, das die durch das Gerät 120 benötigte Versorgungsspannung bzw. die durch die Energiespeichervorrichtung 10 an den Kontakten 30, 32 bereitzustellende Spannung V0 darstellt. 11 is a schematic representation of a device according to the invention 120 , which is designed to be passed through one of the energy storage devices according to the invention described above 10 to be supplied with electrical power. The device 120 has a battery or accumulator compartment or a compartment 190 for receiving an energy storage device according to the invention. In the subject 190 are contacts 130 . 132 arranged when inserting the energy storage device 10 their contacts 30 . 32 to contact. The field of expertise 190 and the contacts 130 . 132 are preferably designed so that a conventional standard battery can be used. In addition, in the subject 190 another, preferably as well as the contacts 130 . 132 resilient, contact 134 arranged at the onset of the energy storage device 10 in the tray 190 a third contact of the energy storage device 10 contacted. The device 120 generates an analog or digital serial or (if instead of a third contact 134 a plurality of contacts is provided) parallel signal passing through the device 120 required supply voltage or by the energy storage device 10 at the contacts 30 . 32 is to be provided voltage V 0 .
