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WO2022136082A1 - Wechselakkupack mit zumindest einem schaltelement zur unterbrechung bzw. ermöglichung eines lade- oder entladestroms - Google Patents

Wechselakkupack mit zumindest einem schaltelement zur unterbrechung bzw. ermöglichung eines lade- oder entladestroms Download PDF

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Publication number
WO2022136082A1
WO2022136082A1 PCT/EP2021/086067 EP2021086067W WO2022136082A1 WO 2022136082 A1 WO2022136082 A1 WO 2022136082A1 EP 2021086067 W EP2021086067 W EP 2021086067W WO 2022136082 A1 WO2022136082 A1 WO 2022136082A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery pack
switching
potential
switching element
resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2021/086067
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Wernerus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to EP21839944.2A priority Critical patent/EP4264772A1/de
Priority to US18/257,225 priority patent/US20240030730A1/en
Priority to CN202180086732.5A priority patent/CN116783789A/zh
Publication of WO2022136082A1 publication Critical patent/WO2022136082A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02J7/80—
    • H02J7/60—
    • H02J7/751—
    • H02J7/855—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an exchangeable battery pack with a monitoring unit and with at least one first switching element for interrupting or enabling a charging or discharging current according to the preamble of claim 1.
  • exchangeable battery packs A large number of electrical consumers are operated with battery packs that can be exchanged without tools by the operator—hereinafter referred to as exchangeable battery packs—which are correspondingly discharged by the electrical consumers and can be recharged using a charger.
  • exchangeable battery packs consist of a plurality of energy storage cells connected in series and/or in parallel in order to achieve a required exchangeable battery pack voltage or capacity. If the energy storage cells are in the form of lithium-ion cells (Li-ion), for example, a very high power and energy density can be achieved with particular advantage.
  • Li-ion lithium-ion
  • a first of the electrical contacts of the interfaces is designed as a power supply contact that can be acted upon with a first reference potential, preferably a supply potential, and a second of the electrical contacts of the Interfaces designed as a power supply contact that can be acted upon by a second reference potential, preferably a ground potential.
  • the monitoring unit controls the at least one first switching element by means of a switching potential which is derived directly from the first reference potential, in particular from the supply potential, and is decoupled from voltage fluctuations and dips in the first reference potential, in particular the supply potential .
  • a switching potential which is derived directly from the first reference potential, in particular from the supply potential, and is decoupled from voltage fluctuations and dips in the first reference potential, in particular the supply potential .
  • Electrical consumers in the context of the invention should be understood to mean, for example, power tools operated with a replaceable battery pack for processing workpieces using an electrically driven application tool.
  • the power tool can be designed both as a hand-held power tool and as a stationary power tool.
  • Typical power tools in this context are handheld or stationary drills, screwdrivers, percussion drills, hammer drills, planes, angle grinders, orbital sanders, polishing machines, circular saws, table saws, chop saws and jigsaws or the like.
  • the voltage of an exchangeable battery pack is usually a multiple of the voltage of an individual energy storage cell and results from the interconnection (in parallel or in series) of the individual energy storage cells.
  • An energy storage cell is typically configured as a galvanic cell having a configuration in which one cell pole is at one end and another cell pole is at an opposite end. In particular, the energy storage cell has a positive cell pole at one end and a negative cell pole at an opposite end.
  • the energy storage cells are preferably in the form of lithium-based energy storage cells, for example Li-Ion, Li-Po, Li-Metal or the like.
  • the invention can also be used for exchangeable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • One is preferred Energy storage cell as at least essentially cylinder shaped round cell formed, wherein the cell poles are arranged at ends of the cylindrical shape.
  • the invention is not dependent on the type and design of the energy storage cells used, but can be applied to any exchangeable battery packs and energy storage cells, for example pouch cells or the like in addition to round cells.
  • the decoupled switching potential is formed by an RC element consisting of at least one resistor and at least one capacitor, the RC element between the first and the second reference potential, in particular between the supply potential and the Ground potential is connected and the switching potential between the at least one resistor and the at least one capacitor is present.
  • a protective diode in particular a Schottky diode.
  • a Schottky diode also offers the advantage of a lower voltage drop, so that a higher voltage is available for switching the at least one first switching element.
  • the at least one resistor of the RC element is dimensioned in such a way that, due to its resistance value, in the event of a short circuit within the exchangeable battery pack electronics, there is no dangerous heat development for the exchangeable battery pack.
  • a short circuit can occur, for example, as a result of a faulty capacitor in the RC element, as a result of a fault in the monitoring unit or in a driver circuit controlled by it.
  • a rather small resistance value of well below 1 k ⁇ is selected in order not to limit the switching current for the at least one first switching element too much in the interest of faster switching times.
  • this has the disadvantage that such a resistor would be overloaded in the event of a short circuit, which makes an additional fuse element necessary.
  • the resistance value of the at least one resistor is set at at least 1 k ⁇ and the disadvantage of it being too low Switching current additionally compensated by a sufficiently high capacitance of the capacitor of the RC element.
  • the at least one capacitor of the RC element is dimensioned in such a way that its capacity is greater than the sum of all capacities of the replaceable battery pack that are charged when the at least one first switching element is switched on.
  • the capacitance of the at least one capacitor should be at least so large that the switching potential decreases sufficiently slowly in the event of a drop in the exchangeable battery pack voltage in order to be able to switch the at least one first switching element for a certain period of time.
  • the high-impedance design of the RC element results in an advantage in that the switching potential for the at least one switching element is largely decoupled from short circuits on or in the replaceable battery pack.
  • the RC element is dimensioned in such a way that the time constant resulting from the product of the resistance value of the at least one resistor and the capacitance of the at least one capacitor does not cause long charging times of the at least one capacitor of the RC element that are disadvantageous for the operation of the replaceable battery pack switching on the at least one first switching element could have a negative effect.
  • the resulting avoidance of switching times that are too long or switching potentials that build up too slowly before the at least one first switching element is switched on can effectively reduce the risk of functional impairments or loss of performance of the replaceable battery pack.
  • the switching potential can be applied to the at least one first switching element by means of a half-bridge consisting of two further switching elements.
  • the half-bridge consists of a second and a third switching element, the second switching element serving as a high-side switch preferably being a P-channel MOSFET or a PNP bipolar transistor and the third serving as a low-side switch Switching element is preferably designed as an N-channel MOSFET or as an NPN bipolar transistor.
  • the at least one second and/or third resistor are dimensioned in such a way that, due to their resulting resistance value, the switching current required for rapid switching of the at least one first switching element is not too low and, on the other hand, in the event of a short circuit or if the second and third are accidentally switched on at the same time Switching element does not generate heat that is dangerous for the exchangeable battery pack.
  • the resulting resistance value of the at least one second and/or third resistor should be significantly less than 1 k ⁇ .
  • an optimized dimensioning of the at least one second resistor has the effect that the currents that can occur as a result of the switching of the second switching element designed as a high-side switch do not entail excessive component stress, which leads to premature aging of the second switching element in particular and of the at least one second resistor and could thus damage the removable battery pack.
  • FIG. 1 a system comprising at least one replaceable battery pack and at least one charger that can be connected to the replaceable battery pack for charging or an electrical consumer that can be connected to the replaceable battery pack for discharging the replaceable battery pack in a schematic representation
  • FIG. 2 a block diagram of the system of Figure 1 for loading the
  • FIG. 1 shows an exchangeable battery pack 10 with an electromechanical interface 14 having a plurality of electrical contacts 12.
  • the exchangeable battery pack 10 can be charged by means of a charger 16 and discharged by various electrical consumers 18.
  • the charging device 16 and the electrical consumers 18 each have a further electromechanical interface 20 having a plurality of electrical contacts 12 .
  • FIG. 1 is intended to illustrate that the invention is suitable for various electrical consumers 18.
  • a battery-powered vacuum cleaner 22, a battery-powered impact wrench 24 and a battery-powered lawn trimmer 26 are shown as examples. In the context of the invention, however, a wide variety of power tools, gardening tools and household appliances can be used as electrical loads 18 .
  • the exchangeable battery pack 10 comprises a housing 28 which has the electromechanical interface 14 on a side wall or on its upper side 30 for the detachable connection to the further electromechanical interface 20 of the charger 16 or the electrical consumers 18 .
  • the electromechanical interfaces 14, 20 are primarily used to discharge the removable battery pack 10, while they are used in conjunction with the charger 16 to charge the removable battery pack 10.
  • the exact design of the electromechanical interfaces 14, 20 depends on various factors, such as the voltage class of the replaceable battery pack 10 or the electrical consumer 18 and various manufacturer specifications. For example, three or more electrical contacts 12 can be provided for energy and/or data transmission between the exchangeable battery pack 10 and the charger 16 or the electrical consumer 18 .
  • a mechanical coding is also conceivable, so that the replaceable battery pack 10 can only be operated on specific electrical loads 18 . Since the mechanical design of the electromechanical interface 14 of the replaceable battery pack 10 and the further electromechanical interface 20 of the charger 16 or the electrical consumer 18 is irrelevant for the invention, will not be discussed in detail. Both a person skilled in the art and an operator of the replaceable battery pack 10 and the charging device 16 or the electrical consumer 18 will make the appropriate selection in this regard.
  • the exchangeable battery pack 10 has a mechanical locking device 32 for locking the positively and/or non-positively releasable connection of the electromechanical interface 14 of the exchangeable battery pack 10 to the corresponding mating interface 20 (not shown in detail) of the electrical load 18.
  • the locking device 32 is a spring-loaded pusher 34 is formed, which is operatively connected to a locking member 36 of the exchangeable battery pack 10 . Due to the springiness of the pusher 34 and/or the locking member 36, the locking device 32 automatically snaps into place when the replaceable battery pack 10 is pushed into the mating interface 20 of the electrical load 18. If an operator presses the push button 34 in the direction of insertion, the lock is released and the operator can remove or push out the replaceable battery pack 10 from the electrical consumer 18 in the opposite direction to the direction of insertion.
  • the rechargeable battery voltage of the exchangeable rechargeable battery pack 10 generally results from a multiple of the individual voltages of the energy storage cells (not shown), depending on their wiring (in parallel or in series).
  • the energy storage cells are preferably in the form of lithium-based energy storage cells, e.g. Li-Ion, Li-Po, Li-Metal or the like.
  • the invention can also be used for exchangeable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • FIG. 2 shows a block diagram consisting of the exchangeable battery pack 10 on the left-hand side and a charger 16 or electrical consumer 18 on the right-hand side.
  • the replaceable battery pack 10 and the charger 16 or the electrical consumer 18 have the mutually corresponding electromechanical interfaces 14 and 20 with a plurality of electrical contacts 12, with a first of the electrical contacts 12 of the interfaces 14, 20 being connected to a first reference potential Vi , preferably a supply potential V+, power supply contact 38 that can be acted upon and in each case a second of the electrical contacts 12 of the interfaces 14, 20 serves as an energy supply contact 40 that can be subjected to a second reference potential V2, preferably a ground potential GND.
  • a second reference potential V2 preferably a ground potential GND.
  • the removable battery pack 10 can be charged on the one hand by the charger 16 with a charging current and on the other hand discharged by the electrical consumer 18 with a discharge current.
  • the current strengths of charging and discharging current can differ significantly from each other.
  • the discharge current can be up to 10 times higher than the charging current of the charging device 16 in the case of appropriately designed electrical consumers 18.
  • the common symbol I is to be used despite these differences between the charging and discharging currents.
  • the term "can be acted upon” is intended to make it clear that the potentials V+ and GND are not permanently present at the power supply contacts 38, 40, particularly in the case of an electrical load 18, but only after the electrical interfaces 14, 20 have been connected. The same applies to a discharged replaceable battery pack 10 after connecting to the charger 16.
  • the replaceable battery pack 10 has a plurality of energy storage cells 42, which are shown in Figure 2 as a series connection, but can alternatively or additionally also be operated in a parallel connection, with the series connection using the energy supply contacts 38, 40 dropping the voltage Ußatt of the replaceable battery pack 10 defined, while a parallel connection of individual energy storage cells 42 primarily increases the capacity of the removable battery pack 10.
  • individual cell clusters consisting of energy storage cells 42 connected in parallel can also be connected in series in order to achieve a specific voltage U.sub.Batt of the exchangeable battery pack with a simultaneously increased capacity.
  • the capacity of common exchangeable battery packs can be 10 up to 12 Ah or more.
  • the invention is not of the type, design, voltage, power supply capability, etc. depends on the energy storage cells 42 used, but can be applied to any removable battery pack 10 and energy storage cells 42.
  • An SCM preliminary stage 44 (single cell monitoring) is provided for monitoring the individual energy storage cells 42 or cell cluster of the exchangeable battery pack 10 connected in series.
  • the SCM preliminary stage 44 has a multiplexer measuring device 46 which can be connected to corresponding taps 50 of the poles of the energy storage cells 42 or cell cluster via filter resistors 48 with high resistance.
  • the term energy storage cell is also intended to include the cell cluster, since these only have an effect on the capacity of the replaceable battery pack 10, but have the same meaning for detecting the cell voltages Uceii.
  • the filter resistors 50 which are designed in particular to have a high resistance, can prevent dangerous heating of the measuring inputs of the multiplexer measuring device 46, particularly in the event of a fault.
  • the multiplexer measuring device 46 can be switched over via a monitoring unit 52 integrated in the exchangeable battery pack 10 or also directly within the SCM preliminary stage 44 .
  • switching elements 54 of the SCM preliminary stage 44 connected in parallel with the energy storage cells 42 can be closed or opened in this way in order in this way to bring about a so-called balancing of the energy storage cells 42 in order to achieve uniform charging or discharging states of the individual energy storage cells 42.
  • the SCM preliminary stage 44 forwards the measured cell voltages Uceii to the monitoring unit 52, so that the actual measurement of the cell voltages Uceii is carried out directly by the monitoring unit 52, for example via a corresponding analog-to-digital converter (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter
  • the monitoring unit 52 can be designed as an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASICs, DSPs or the like. However, it is also conceivable for the monitoring unit 52 to consist of a plurality of microprocessors or at least in part of discrete components with appropriate transistor logic.
  • the first monitoring unit 52 can have a memory for storing operating parameters of the replaceable battery pack 10, such as the voltage Ußatt, the cell voltages Uceii, a temperature T, the charging or discharging current I or the like.
  • the charging device 16 or the electrical load 18 can also have a monitoring unit 56 which can be designed in accordance with the monitoring unit 52 of the exchangeable battery pack 10 .
  • the two monitoring units 52, 56 can communicate with one another via a third contact 12, designed as a signal or data contact 58, of the electromechanical interfaces 14, 20.
  • the two monitoring units 52, 56 can exchange essential operating parameters required for the charging process via the signal or data contact 58. It is also conceivable that the monitoring units 52, 56 control each other, for example to interrupt a charging or discharging process or to switch to a different charging mode.
  • the monitoring unit 56 controls a load 60 which is connected to the first and the second energy supply contact 38, 40 of the further interface 20 and to which the exchangeable battery pack voltage UBatt is present.
  • the load 60 can be designed, for example, as a power output stage that applies a pulse-width-modulated signal to an electric motor to change its speed and/or torque, which has a direct influence on the discharge current I of the replaceable battery pack 10 .
  • another energy-consuming load 60 is also conceivable. Numerous variants of possible electrical loads are known to a person skilled in the art, so that there is no need to go into further detail here.
  • the replaceable battery pack 10 plugged into a charger 16 can be charged with the charging current I and the voltage UBatt corresponding to the replaceable battery pack 10 .
  • the charging device 16 or its power pack 62 is provided with a mains connection (not shown).
  • the voltage UBatt present at the power supply contacts 38, 40 can be measured using a voltage measuring device 64 in the charging device 16 and evaluated by the monitoring unit 56.
  • the voltage measuring device 64 can also be completely or partly in the monitoring unit 56 of the charger 16 be integrated, for example in the form of an integrated ADC.
  • the exact configuration of the power pack 60 of the charging device 16 is known to the person skilled in the art and is of secondary importance for the invention. Therefore, it will not be discussed further here.
  • the replaceable battery pack 10 has at least one first switching element 66, which is activated by the monitoring unit 52 via one of a second and a third switching element 68, 70 existing half-bridge 72 can be opened to interrupt the charging or discharging current I and closed to enable the charging or discharging current I.
  • the at least one first switching element 66 is arranged in the ground path (low side) between the second contact 12 embodied as a power supply contact 40 of the electromechanical interface 14 and a ground contact point 74 of the SCM preliminary stage 44 .
  • At least one first switching element 66 in the high-side path between the tap 50 of the SCM preliminary stage 44 and the first contact 12 of the electromechanical interface 14 embodied as a power supply contact 38 .
  • a plurality of first switching elements 66 can be arranged both in the low-side path and in the high-side path.
  • the at least one first switching element 66 is preferably embodied as a MOSFET.
  • other switching elements such as a relay, an IGBT, a bipolar transistor or the like are also conceivable.
  • the two switching elements 68, 70 of the half-bridge 72 are also preferably embodied as MOSFETs.
  • other second and third switching elements 68, 70 such as relays, IGBTs, bipolar transistors or the like, are also conceivable.
  • the second switching element 68 embodied as a high-side switch of the half-bridge 72 is a P-channel MOSFET and the third switching element 70 embodied as a low-side switch of the half-bridge 72 is an N-channel MOSFET.
  • the at least one first switching element is now activated by the monitoring unit 52 66 opened by closing the third switching element 70.
  • the monitoring unit 52 can also open the second switching element 68, but this is not absolutely necessary. Conversely, the monitoring unit 52 enables the charging or discharging current I by closing the at least one first switching element 66 by closing the second switching element 68 with the third switching element 70 open.
  • the half-bridge 72 is connected on the one hand to the reference potential GND and on the other hand to the supply potential V+ via a protective diode 78 and a first resistor 80 and a second resistor 82, with a tap 84 between the first and second resistors 80, 82 serving as a connection point for a Capacitor 86 is used, which in turn is connected to the second power supply contact 40 of the electromechanical interface 14.
  • the capacitor 86, the second resistor 82 and the half-bridge 72 are connected in parallel with the at least one first switching element 66. Furthermore, a tap 76 between the two switching elements 68, 70 of the half-bridge 72 is connected via a third resistor 90 to a control input of the at least one first switching element 66, in particular to a gate terminal of the MOSFET.
  • the first resistor 80 and the capacitor 86 in turn form an RC element 88 whose time constant T results from the product of the resistance value Ri of the first resistor 80 and the capacitance Ci of the capacitor 86 .
  • the time constant T is preferably dimensioned in such a way that there are no unfavorably long charging times for the at least one capacitor 86 for the operation of the replaceable battery pack 10, which could negatively influence switching on of the at least one first switching element 66.
  • the resulting avoidance of switching times that are too long or switching potentials that build up too slowly before the at least one first switching element 66 is switched on can effectively reduce the risk of functional impairments or loss of performance of the replaceable battery pack 10 .
  • the RC element 88 is decoupled from the supply potential V+ via a protective diode 78, preferably in the form of a Schottky diode.
  • the protective diode 78 thus protects the RC element 88 from a short circuit between the supply potential V+ and the ground potential GND.
  • the formation of the protective en 78 as a Schottky diode also offers the advantage of a lower voltage drop, so that a higher voltage for switching the at least one first switching element 66 is available.
  • the tap 84 between the first and the second resistor 80, 82 simultaneously forms a center tap of the RC element 88 to which a decoupled switching potential Vs for switching the at least one first switching element 66 via the half-bridge 72 is present.
  • the first resistor 80 of the RC element 88 is dimensioned in such a way that its resistance value Ri in the event of a short circuit does not result in any heat development that is dangerous for the replaceable battery pack 10 .
  • Such a short circuit can, for example, occur internally due to a fault in the capacitor 86 of the RC element 88, due to a fault in the monitoring unit 52 or the half bridge 72, but also externally due to dirty and short-circuited power supply contacts 38, 40.
  • the capacitor 86 of the RC element 88 must have a sufficiently high capacitance Ci.
  • the capacity Ci is dimensioned in such a way that it is significantly greater than the sum of all capacities of the replaceable battery pack 10 that are charged when the at least one first switching element 66 is switched on. For example, a value of approx. 100 nF for the capacitance Ci would be conceivable.
  • values of more than 1 pF for the capacitance Ci are advantageous.
  • the high-impedance design of the RC element results in an advantage in that the switching potential Vs for the at least one switching element 66 is largely decoupled from short circuits on or in the replaceable battery pack 10 .
  • the switching potential Vs can now be applied by the monitoring unit 52 via the half-bridge 72 and the second and third resistors 82, 90 in the manner described to a control input of the at least one first switching element 66, for example to the gate connection of a MOSFET, in order to to open.
  • the second and third resistors are 82 or 90 are dimensioned in such a way that, due to their resulting resistance value R2 + F, on the one hand the switching current required for fast switching of the at least one first switching element 66 is not too low and on the other hand in the event of a short circuit or if the second and third switching elements 68 are accidentally switched on at the same time, 70 of the half-bridge 72 does not generate heat that is dangerous for the exchangeable battery pack 10 .
  • the resulting resistance value F+Rs of the second and third resistors 82, 90 is preferably significantly less than 1 k ⁇ .
  • an optimized dimensioning of the second resistor 82 has the effect that the currents that can occur as a result of the switching of the second switching element 68 designed as a high-side switch do not entail excessive component stress, which can lead to premature aging of the second switching element 68 in particular and of the second resistor 82 and thus could lead to damage to the replaceable battery pack 10.
  • the second and third resistors 82, 90 only a single resistor can be used. Likewise, several resistances are also conceivable. The same applies to the number of capacitors and resistors in the RC element.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack (10) mit einer Überwachungseinheit (52), einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V1), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V+), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V2), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (66), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40). Es wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit (52) das zumindest eine erste Schaltelement (66) mittels eines Schaltpotentials (VS) ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial (V1), insbesondere aus dem Versorgungspotential (V+), abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials (V1), insbesondere des Versorgungspotentials (V+), entkoppelt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Wechselakkupack mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinheit und mit zumindest einem ersten Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Akkupacks - im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet - betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Wechselakkupacks aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Wechselakkupack- Spannung bzw. -Kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Li- thium-lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
Es ist bekannt, eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks werkzeuglos lösbar mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers oder des Ladegeräts auszugestalten. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt ausgebildet.
Aus der DE 103 54 871 Al ist ferner bekannt, einen Wechselakkupack zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad auszustatten, das durch eine Überwachungseinheit des Wechselakkupacks gesteuert wird. Die Überwachungseinheit überwacht zudem wesentliche für das Laden oder Entladen des Wechselakkupacks erforderliche Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Wechselakkupack-Spannung, die einzelnen Zellspannungen, eine Wechselakkupack- und/oder Zelltemperatur, den Lade- oder Entladestrom oder dergleichen.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein sicheres und schnelles Schalten des zumindest einen Schaltelements zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage der vorhandenen Wechselakkupack-Spannung zu gewährleisten, ohne dass etwaige Spannungsschwankungen der Wechselakkupack-Spannung Einfluss auf die Funktion des Schaltelements haben.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit das zumindest eine erste Schaltelement mittels eines Schaltpotentials ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und - einbrüchen des ersten Bezugspotenzials, insbesondere des Versorgungspotentials, entkoppelt ist. Durch die Entkopplung des Schaltpotentials vom ersten Bezugspotential kann eine sichere und stabile Funktion des zumindest einen ersten Schaltelements weitestgehend unabhängig von der Wechselakkupack-Spannung gewährleistet werden. Insbesondere im Falle von Einbrüchen der Wechselakku- pack-Spannung aufgrund von hohen Lastströmen sichert diese Entkopplung ein stabiles Schaltpotential, ohne dabei die Steilheit der Schaltflanken in regulären Ein- und Ausschaltvorgängen negativ zu beeinflussen. Gleichzeitig wird das Schaltpotential aber weiterhin direkt durch die ohnehin vorhandene Wechselak- kupack-Spannung bereitgestellt, sodass es nicht notwendig ist, das Schaltpotential von typisch >= 10V durch weitere elektronische Bauelemente, wie z.B. zusätzliche Spannungsregler, zu generieren.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem Wechselakkupack betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Wechselakkupack betriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter- Breaker und -Bagger oder dergleichen sowie mit einem Wechselakkupack betriebene Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Die Spannung eines Wechselakkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen Zylinder- förmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzel- len oder dergleichen, angewendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das entkoppelte Schaltpotential durch ein RC-Glied gebildet ist, das aus zumindest einem Widerstand und zumindest einem Kondensator besteht, wobei das RC-Glied zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential, insbesondere zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential, geschaltet ist und das Schaltpotential zwischen dem zumindest einen Widerstand und dem zumindest einen Kondensator anliegt.
Um das RC-Glied vor einem Kurzschluss zwischen den beiden Bezugspotentialen, insbesondere zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential zu schützen, ist es durch eine Schutzdiode, insbesondere eine Schottky- Diode, von dem ersten Bezugspotential, insbesondere dem Versorgungspotential, entkoppelt. Eine Schottky- Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements zur Verfügung steht.
Der zumindest eine Widerstand des RC-Glieds ist derart dimensioniert, dass durch seinen Widerstandswert im Falle eines Kurzschlusses innerhalb der Wechselakkupack- Elektronik keine für den Wechselakkupack gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise durch einen fehlerhaften Kondensator des RC-Glieds, durch einen Fehler in der Über- wachungseinheit oder einer von dieser angesteuerten Treiberschaltung entstehen. Normalerweise wird im Stand der Technik ein eher kleiner Widerstandswert von deutlich unter 1 kQ gewählt, um im Sinne schneller Schaltzeiten den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement nicht zu stark zu begrenzen. Das hat jedoch den Nachteil, dass ein derartiger Widerstand im Falle eines Kurzschlusses überlastet würde, was ein zusätzliches Sicherungselement erforderlich macht. Um dies zu vermeiden, wird der Widerstandswert des zumindest einen Widerstands mit mindestens 1 kQ angesetzt und der Nachteil eines zu geringen Schaltstroms ergänzend durch eine ausreichend hohe Kapazität des Kondensators des RC-Glieds ausgeglichen. Dabei ist der zumindest eine Kondensator des RC-Glieds derart dimensioniert, dass seine Kapazität größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks, die beim Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements geladen werden. Zudem sollte die Kapazität des zumindest einen Kondensators mindestens so groß sein, dass sich das Schaltpotential im Falle einer einbrechenden Wechselakkupack-Spannung ausreichend langsam verringert, um für einen gewissen Zeitraum das zumindest eine erste Schaltelement schalten zu können. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC-Glieds ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential für das zumindest eine Schaltelement weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack entkoppelt ist.
Zudem ist das RC-Glied derart dimensioniert, dass die sich aus dem Produkt des Widerstandswert des zumindest einen Widerstands und der Kapazität des zumindest einen Kondensators ergebende Zeitkonstante keine für den Betrieb des Wechselakkupacks unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators des RC-Glieds verursacht, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements negativ beeinflussen könnten. Durch die daraus resultierende Vermeidung zu langer Schaltzeiten oder sich zu langsam aufbauender Schaltpotentiale vor dem Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks wirksam reduziert werden.
Ergänzend ist vorgesehen, dass das Schaltpotential mittels einer aus zwei weiteren Schaltelementen bestehenden Halbbrücke an das zumindest eine erste Schaltelement anlegbar ist. Die Halbbrücke besteht aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement, wobei das zweite, als High-Side-Schalter dienende Schaltelement vorzugsweise als ein P-Kanal-MOSFET oder als ein PNP-Bipolar- Transistor und das dritte, als Low-Side-Schalter dienende Schaltelement vorzugsweise als ein N-Kanal-MOSFET oder als ein NPN-Bipolar-Transistor ausgebildet ist. In besonders vorteilhafter Weise ist zwischen einem Abgriff des RC- Glieds für das Schaltpotential und der Halbbrücke und/oder zwischen einem Mittenabgriff der Halbbrücke und einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements, insbesondere einem Gate des MOSFETs, zumindest ein zweiter bzw. ein dritter Widerstand geschaltet.
Der zumindest eine zweite und/oder dritte Widerstand sind derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements keine für den Wechselakkupack gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Mit besonderem Vorteil sollte der resultierende Widerstandswert des zumindest einen zweiten und/oder dritten Widerstands deutlich kleiner als 1 kQ sein. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zumindest einen zweiten Widerstands, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten Schaltelements auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements und des zumindest einen zweiten Widerstands und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks führen könnte.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 und 2 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen
Fig. 1: ein System umfassend zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. einen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung und Fig. 2: ein Blockschaltbild des Systems aus Figur 1 zum Laden des
Wechselakkupacks mit einem Ladegerät.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt einen Wechselakkupack 10 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 14. Der Wechselakkupack 10 kann mittels eines Ladegeräts 16 geladen und durch diverse elektrische Verbraucher 18 entladen werden. Dazu weisen das Ladegerät 16 und die elektrischen Verbraucher 18 jeweils eine weitere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. Figur 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für verschiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen.
Der Wechselakkupack 10 umfasst ein Gehäuse 28, das an einer Seitenwand bzw. an seiner Oberseite 30 die elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. der elektrischen Verbraucher 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 18 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 16 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10 dienen. Die genaue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten elektrischen Verbrauchern 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 32 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 20 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 18. Dabei ist die Arretiervorrichtung 32 als ein gefederter Drücker 34 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 36 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Arretiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 34 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 18 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In Figur 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 bzw. elektrischen Verbraucher 18 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 38 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher 18 mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern 18 bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts 16. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom das gemeinsame Symbol I verwendet werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 auf, die zwar in Figur 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 38, 40 abfallende Spannung Ußatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel ver- schalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung Ußatt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung Uceii von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakku- pack-Spannung Ußatt = Vi - V2 von 5 • 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 42 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 42 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 44 (Single- Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 44 weist eine Multiplexer- Messvorrichtung 46 auf, die über Filterwiderstände 48 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 50 der Pole der Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell- Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen Uceii aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 52 oder auch direkt innerhalb der SCM-Vorstufe 44 erfolgen. Zudem können auf diese Weise parallel zu den Energiespeicherzellen 42 geschaltete Schaltelemente 54 der SCM-Vorstufe 44 geschlossen oder geöffnet werden, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen Uceii an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen Uceii direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die Überwachungseinheit 52 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 52 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung Ußatt, den Zellspannungen Uceii, einer Temperatur T, des Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 können auch das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 eine Überwachungseinheit 56 aufweisen, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 können über einen als Signal- bzw. Datenkontakt 58 ausgebildeten dritten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 miteinander kommunizieren. So können die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 beispielsweise wesentliche für den Ladevorgang benötigte Betriebsparameter über den Signal- bzw. Datenkontakt 58 austauschen. Ebenso ist denkbar, dass die Überwachungseinheiten 52, 56 sich gegenseitig steuern, um z.B. einen Lade- bzw. Entladevorgang abzubrechen oder um in einen anderen Lademodus umzuschalten.
Im Falle eines elektrischen Verbrauchers 18 steuert die Überwachungseinheit 56 eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 60, an der die Wechselakkupack- Spannung UBatt anliegt. Die Last 60 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Entladestrom I des Wechselakkupacks 10 hat. Es ist aber auch eine andere Energie verbrauchende Last 60 denkbar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll.
Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung UBatt geladen werden. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netzteil 62 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung UBatt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 64 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwachungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 64 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Die genaue Ausgestaltung des Netzteils 60 des Ladegeräts 16 ist dem Fachmann bekannt und für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Um zur Erhöhung der Betriebssicherheit den Lade- oder Entladestrom I auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 66 auf, das von der Überwachungseinheit 52 über eine aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement 68, 70 bestehende Halbbrücke 72 zum Unterbrechen des Lade- bzw. Entladestroms I geöffnet und zum Ermöglichen des Lade- oder Entladestroms I geschlossen werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 66 im Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontaktpunkt 74 der SCM- Vorstufe 44 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist es ebenso möglich, zumindest ein erstes Schaltelement 66 im High-Side-Pfad zwischen dem Abgriff 50 der SCM-Vorstufe 44 und dem ersten als Energieversorgungskontakt 38 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 anzuordnen. Darüber hinaus können sowohl im Low-Side- als auch im High-Side-Pfad jeweils mehrere erste Schaltelemente 66 angeordnet sein. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 66 als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar- Transistor oder dergleichen denkbar.
Analog dem zumindest einen ersten Schaltelement 66, sind auch die beiden Schaltelemente 68, 70 der Halbbrücke 72 vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 68, 70, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar-Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zweite, als High-Side-Schalter der Halbbrücke 72 ausgebildete Schaltelement 68 ein P-Kanal-MOSFET und das dritte, als Low-Side-Schalter der Halbbrücke 72 ausgebildete Schaltelement 70 ein N-Kanal-MOSFET. Zum Unterbrechen des Lade- oder Entladestroms I wird nun durch die Überwachungseinheit 52 das zumindest eine erste Schaltelement 66 geöffnet, indem sie das dritte Schaltelement 70 schließt. Zudem kann die Überwachungseinheit 52 das zweite Schaltelement 68 zusätzlich öffnen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Umgekehrt ermöglicht die Überwachungseinheit 52 den Lade- oder Entladestrom I, indem sie durch ein Schließen des zweiten Schaltelements 68 bei offenem dritten Schaltelement 70 das zumindest eine erste Schaltelement 66 schließt. Dazu ist die Halbbrücke 72 einerseits mit dem Bezugspotential GND und andererseits über eine Schutzdiode 78 sowie einen ersten Widerstand 80 und einen zweiten Widerstand 82 mit dem Versorgungspotential V+ verbunden, wobei ein Abgriff 84 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 80, 82 als Anschlusspunkt für einen Kondensator 86 dient, der wiederum mit dem zweiten Energieversorgungskontakt 40 der elektromechanischen Schnittstelle 14 verbunden ist. Somit sind der Kondensator 86, der zweite Widerstand 82 sowie die Halbbrücke 72 parallel dem zumindest einen ersten Schaltelement 66 geschaltet. Weiterhin ist ein Abgriff 76 zwischen den beiden Schaltelementen 68, 70 der Halbbrücke 72 über einen dritten Widerstand 90 mit einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 66, insbesondere mit einem Gate-Anschluss des MOSFETs, verbunden.
Der erste Widerstand 80 und der Kondensator 86 bilden ihrerseits ein RC-Glied 88, dessen Zeitkonstante T sich aus dem Produkt des Widerstandswerts Ri des ersten Widerstands 80 und der Kapazität Ci des Kondensators 86 ergibt. Die Zeitkonstante T ist bevorzugt derart dimensioniert, dass sich keine für den Betrieb des Wechselakkupacks 10 unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators 86 ergeben, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 negativ beeinflussen könnten. Durch die daraus resultierende Vermeidung zu langer Schaltzeiten oder sich zu langsam aufbauender Schaltpotentiale vor dem Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks 10 wirksam reduziert werden.
Das RC-Glied 88 ist über eine vorzugsweise als Schottky- Diode ausgebildete Schutzdiode 78 von dem Versorgungspotential V+ entkoppelt. Somit schützt die Schutzdiode 78 das RC-Glied 88 vor einem Kurzschluss zwischen dem Versorgungspotential V+ und dem Massepotential GND. Die Ausbildung der Schutzdio- de 78 als Schottky- Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 zur Verfügung steht.
Der Abgriff 84 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 80, 82 bildet gleichzeitig einen Mittenabgriff des RC-Glieds 88 an dem ein entkoppeltes Schaltpotential Vs zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 über die Halbbrücke 72 anliegt. Dabei ist der ersten Widerstand 80 des RC- Glieds 88 derart dimensioniert, dass durch seinen Widerstandswert Ri im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise intern durch einen Fehler des Kondensators 86 des RC-Glieds 88, durch einen Fehler in der Überwachungseinheit 52 oder der Halbbrücke 72 aber auch extern durch verdreckte und kurzgeschlossene Energieversorgungskontakte 38, 40 entstehen. Um eine Überlastung des ersten Widerstands 80 durch einen Kurzschluss zu vermeiden, beträgt sein Widerstandswert Ri mindestens 1 kQ. Da dies aber den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement 66 begrenzen würde, muss der Kondensator 86 des RC-Glieds 88 eine ausreichend hohe Kapazität Ci aufweisen. Idealerweise ist der Kapazität Ci derart dimensioniert, dass sie deutlich größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks 10, die beim Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 geladen werden. So wäre beispielsweise ein Wert von ca. 100 nF für die Kapazität Ci denkbar. Um jedoch auch im Kurzschlussfall ein sich nur langsam abbauendes Schaltpotential Vs zu gewährleisten, sind Werte von über 1 pF für die Kapazität Ci vorteilhaft. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC- Glieds ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential Vs für das zumindest eine Schaltelement 66 weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack 10 entkoppelt ist.
Das Schaltpotential Vs kann nun durch die Überwachungseinheit 52 über die Halbbrücke 72 sowie den zweiten und dritten Widerstand 82, 90 in der beschriebenen Weise an einen Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 66, beispielsweise an den Gate-Anschluss eines MOSFETs, angelegt werden, um es zu öffnen. Dabei sind der zweite und der dritte Widerstand 82 bzw. 90 derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert R2 + F einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements 68, 70 der Halbbrücke 72 keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Bevorzugt ist der resultierende Widerstandswert F + Rs des zweiten und dritten Widerstands 82, 90 deutlich kleiner als 1 kQ. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zweiten Widerstands 82, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten Schaltelements 68 auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements 68 und des zweiten Widerstands 82 und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks 10 führen könnte. Statt des zweiten und des dritten Widerstands 82, 90 kann auch nur ein einziger Widerstand verwendet werden. Ebenso sind auch mehrere Widerstände denkbar. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Kondensatoren und Widerstände des RC-Glieds.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die Figuren 1 und 2 noch auf die darin gezeigte Art der Wechselakkupacks 10, des Ladegeräts 16 oder der elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 42 und der damit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 20 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen.

Claims

Ansprüche
1. Wechselakkupack (10) mit einer Überwachungseinheit (52), einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (Vi), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V+), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V2), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (66), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (52) das zumindest eine erste Schaltelement (66) mittels eines Schaltpotentials (Vs) ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial (Vi), insbesondere aus dem Versorgungspotential (V+), abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials (Vi), insbesondere des Versorgungspotentials (V+), entkoppelt ist.
2. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das entkoppelte Schaltpotential (Vs) durch ein RC-Glied (88) gebildet ist, das aus zumindest einem Widerstand (80) und zumindest einem Kondensator (86) besteht, wobei das RC-Glied (88) zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential (Vi, V2), insbesondere zwischen dem Versorgungspotential (V+) und dem Massepotential (GND), geschaltet ist und das Schaltpotential (Vs) zwischen dem zumindest einen Widerstand (80) und dem zumindest einen Kondensator (86) anliegt. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (88) durch eine Schutzdiode (78), insbesondere eine Schott- ky-Diode, von dem ersten Bezugspotential (Vi), insbesondere dem Versorgungspotential (V+), entkoppelt ist. Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand (80) des RC-Glieds (88) derart dimensioniert ist, dass durch seinen Widerstandswert (Ri) im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack (10) gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert (Ri) des zumindest einen Widerstands (80) mindestens 1 kQ beträgt. Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (86) des RC-Glieds (88) derart dimensioniert ist, dass seine Kapazität (Ci) größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks (10), die beim Einschalten des ersten Schaltelements (66) geladen werden. Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (88) derart dimensioniert ist, dass die sich aus dem Produkt des Widerstandswert (Ri) des zumindest einen Widerstands (80) und der Kapazität (Ci) des zumindest einen Kondensators (86) ergebende Zeitkonstante (T) keine für den Betrieb des Wechselakkupacks (10) unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators (86) des RC-Glieds (88) verursacht. Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltpotential (Vs) mittels einer aus zwei weiteren Schaltelementen (68, 70) bestehenden Halbbrücke (72) an einen Steuereingang des ersten Schaltelements (66), insbesondere einem Gate des MOSFETs, anlegbar ist. - 18 -
9. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Abgriff (84) des RC-Glieds (88) für das Schaltpotential (Vs) und der Halbbrücke (72) und/oder zwischen einem Mitten abgriff (76) der Halbbrücke (72) und dem Steuereingang des ersten Schaltelements (66), zumindest ein zweiter bzw. ein dritter Widerstand (82, 90) geschaltet ist.
10. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite und/oder dritte Widerstand (82, 90) derart dimensioniert sind, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert einerseits der für ein schnelles Schalten des ersten Schaltelements (66) erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack (10) gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. 11. Wechselakkupack (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Widerstandswert des zumindest einen zweiten und/oder dritten Widerstands (82, 90) deutlich kleiner als 1 kQ ist.
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