DE69839115T2 - Batterieschutzsystem - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Batteriesysteme, und insbesondere auf die Überwachung und den Schutz von wiederaufladbaren Batterien.
  • Lithium-Ionen-Batterien werden gegenüber anderen Arten von wiederaufladbaren Batterien, wie Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien, aufgrund ihres geringen Gewichts und der hohen Energiedichte für tragbare elektronische Geräte bevorzugt. Ein Ladegerät des Standes der Technik für solche Batterien ist das der europäischen Veröffentlichung Nr. 0665628 A2 des Anmelders Sun Microsystems, Inc. bekannt, welche am 02.08.1995 veröffentlicht wurde. Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch gegen Überladung sehr empfindlich und es besteht auch ein Sicherheitsrisiko. Ein Sicherheitsrisiko bei Lithium-Ionen-Batterien liegt z. B. darin, dass das metallische Lithium in der Batteriezelle sich auf einer der Elektroden ablagern kann, wenn sie überladen wird. Das abgelagerte Lithium führt aufgrund der entflammbaren Natur des metallischen Lithiums zu einem Feuerblitz. Ein anderes Sicherheitsrisiko liegt in der Ausdünstung von giftigem Rauch, wenn die Temperatur der Batteriezelle zu hoch wird. Ferner fällt im Überladezustand die Spannung über eine Lithium-Ionen-Batteriezelle unter eine Unterspannungsgrenze, was zu einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten in der Batteriezelle führt. Entsprechend kann die Lebensdauer der Batteriezelle beträchtlich verringert werden. Daher ist es wichtig, ein Batterieschutzsystem zu haben, das die Lithium-Ionen-Batterien genau beobachtet und sicherstellt, dass diese in sicheren Betriebsbereichen betrieben werden.
  • Üblicherweise erfordert das Aufladen einer Lithium-Ionen-Batterie einen bestimmten Lithiumbatterielader. Wenn die Spannung der zu ladenden Lithium-Ionen-Batterie erheblich kleiner als eine vollgeladene Batterie ist, arbeitet der bestimmte Lithiumbatterielader im Konstantstrommodus und lädt die Batterie mit einem konstanten Ladestrom. Wenn die Batteriespannung sich der Vollladespannung der Batterie nähert, schaltet der bestimmte Lithiumbatterielader zu einem Konstantspannungsmodus. In diesem Modus fällt der Ladestrom, der in die Batterie fließt, mit Annäherung der Batteriespannung an die Vollladespannung exponentiell ab, so dass verhindert wird, dass die Batterie überladen wird. Der bestimmte Lithiumbatterielader enthält eine Ladekontrollschaltung, die bestimmt, wann der bestimmte Lithiumbatterielader von dem Konstantstrommodus zum Konstantspannungsmodus umschaltet, wie viel Ladestrom während des Konstantspannungsmodus durch die Batterie fließt und wann die Batterie vollgeladen ist. Um die Batterie auf maximale Kapazität aufzuladen und wirksam ein Überladen zu verhindern, ist die Ladekontrollschaltung so ausgeführt, dass sie sehr genau ist. Typischerweise beträgt die Spannungsfluktuation der Ladesteuerschaltung weniger als 1%.
  • Diese hochgenaue Ladekontrollschaltung erhöht die Kosten des bestimmten Lithiumbatterieladers beträchtlich und daher erhöht dies die Kosten der Verwendung der Lithiumbatterie. Da außerdem der Ladestrom, der in die Batterie fließt, mit Annäherung der Batteriespannung an die volle Ladespannung im Konstantspannungsmodus exponentiell abfällt, ist der Ladeprozess zeitineffizient. Eine Lithiumbatterie wird z. B. während des Konstantstrombetriebs für gewöhnlich auf bis zu 80% der Kapazität in einem Zeitbereich zwischen einer und zwei Stunden aufgeladen. Dann schaltet der bestimmte Lithiumbatterielader auf den Konstantspannungsmodus und benötigt wenigstens drei weitere Stunden, um die Lithiumbatterie auf volle Kapazität aufzuladen.
  • Entsprechend ist es von Vorteil, ein Batterieschutzsystem und ein Verfahren zur Ladung einer Batterie zu haben. Es ist für das System und für den Ladeprozess wünschenswert, dass es kosteneffizient ist. Es ist außerdem erwünschenswert, dass der Ladeprozess einfach und zeiteffizient ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ladung einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Allgemein gibt die vorliegende Erfindung ein Batterieschutzsystem und ein Verfahren zur Ladung einer Batterie an. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Batterieschutzsystem eine genaue Steuerschaltung zur Steuerung des Batterieladeprozesses sowie zum Schutz der Batterie. Daher vermeidet die vorliegende Erfindung die Verwendung eines bestimmten Batterieladers und daher verringert dies die Kosten der Verwendung der Batterie. Ferner ist der Ladeprozess der vorliegenden Erfindung zeiteffizient im Vergleich zum Stand der Technik mit Konstantstrom/Konstantspannung-Ladeprozess.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Batteriesystems 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Batteriesystem 10 enthält eine Batteriepackung 15, die aus vier seriell gekoppelten wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen 12, 14, 16 und 18 besteht. Darin bezieht sich das Batteriesystem 10 auch auf ein wiederaufladbares Batteriesystem und die Batteriepackung 15 bezieht sich auch auf eine wiederaufladbare Batteriepackung. Das Batteriesystem 10 enthält auch ein Batterieschutzsystem 20, das die Batteriepackung 15 überwacht und geeignete Schritte ausführt, um sicherzustellen, dass die Batteriepackung 15 im sicheren Betriebsbereich arbeitet. Das Batterieschutzsystem 20 weist einen positiven Anschluss 22 und einen negativen Anschluss 24 auf, die als positive und negative Anschlüsse des Batteriesystems 10 dienen. Das Batterieschutzsystem 20 weist auch eine positive Batterieelektrode 26 und eine negative Batterieelektrode 28 auf, die jeweils mit den positiven und negativen Anschlüssen der Batteriepackung 15 verbunden sind. Vorzugsweise ist das Batteriesystem 10 eine einheitliche Batteriepackung und die Batteriepackung 15 und das Batterieschutzsystem 20 sind in einer Batteriepackung als Einheit zusammengesetzt.
  • Das Batterieschutzsystem 20 enthält ein P-Kanal-Feldeffekttransistoren (FETs) 31 und 32 mit isoliertem Gate, einen Induktor 34, einen Stromerfassungswiderstand 36 und einen Gleichrichter 38, der aus einer Zener-Diode 37 und einer Schottky-Diode 39 besteht. Eine Anode der Zener-Diode 37 und eine Anode der Schottky-Diode 39 sind miteinander verbunden, um eine Anodenelektrode des Gleichrichters 38 zu bilden. Eine Kathode der Zener-Diode 37 und eine Kathode der Schottky-Diode 39 sind miteinander verbunden, um eine Kathodenelektrode des Gleichrichters 38 zu bilden. Der FET 31 weist eine Source-Elektrode auf, die mit dem positiven Anschluss 22 des Batterieschutzsystems 20 und eine Drain-Elektrode, die mit der Drain-Elektorde des FET 32 verbunden ist, auf. Der Induktor 34 hat eine erste Elektrode, die mit einer Source-Elektrode des FET 32 und mit der Kathodenelektrode des Gleichrichters 38 verbunden ist und eine zweite Elektrode, die mit der positiven Batterieelektrode 26 des Batterieschutzsystems 20 verbunden ist. Der Stromerfassungswiderstand 36 hat eine erste Elektrode, die mit der negativen Batterieelektrode 28 des Batterieschutzsystems 20 und eine zweite Elektrode, die mit der Anodenelektrode des Gleichrichters 38 und mit dem negativen Anschluss 24 des Batterieschutzsystems 20 verbunden ist.
  • Das Batterieschutzsystem 20 weist außerdem eine Batterieüberwachungsschaltung 40 auf, die Spannungserfassungseingänge 41, 42, 43, 44 und 45, Stromerfassungseingänge 46 und 47 und Ausgänge 48 und 49 enthält. Der Spannungserfassungseingang 41 ist mit einer positiven Elektrode der Batteriezelle 12 verbunden. Der Spannungserfassungseingang 42 ist mit einer negativen Elektrode der Batteriezelle 12 und einer positiven Elektrode der Batteriezelle 14 verbunden. Der Spannungserfassungseingang 43 ist mit einer negativen Elektrode der Batteriezelle 14 und einer positiven Elektrode der Batteriezelle 16 verbunden. Der Spannungserfassungseingang 44 ist mit einer negativen Elektrode der Batteriezelle 16 und einer positiven Elektrode der Batteriezelle 18 verbunden. Der Spannungserfassungseingang 45 ist mit einer negativen Elektrode der Batteriezelle 18 verbunden. Die Stromerfassungseingänge 46 und 47 sind jeweils mit ersten und zweiten Elektroden des Stromerfassungswiderstandes 36 verbunden. Der Ausgang 49 ist mit einer Gate-Elektrode des FET 32 verbunden.
  • Das Batterieschutzsystem 20 enthält ferner einen Komparator 52, einen Hysterese-Komparator 54 und einen FET-Treiber 56. Der Komparator 52 weist einen nicht-invertierenden Eingang und invertierenden Eingang auf, die jeweils mit den ersten und zweiten Elektroden des Stromerfassungswiderstandes 36 verbunden sind. Der Hysterese-Komparator 54 weist einen nicht-invertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang auf, die jeweils mit den ersten und den zweiten Elektroden des Stromerfassungswiderstandes 36 verbunden sind. Ein Ausgang des Komparators 52 ist mit einem Freigabeanschluss des Hysterese-Komparator 54 gekoppelt. Ein Ausgang des Hysterese-Komparator 54 ist mit dem ersten Eingang des FET-Treibers 56 verbunden. Ein zweiter Eingang des FET-Treibers 56 ist mit dem Ausgang 48 der Batterieüberwachungsschaltung 40 verbunden. Ein Ausgang des FET-Treibers 56 ist mit einer Gate-Elektrode des FET 31 verbunden.
  • Obgleich 1 eine Batteriepackung 15 mit vier Batteriezellen zeigt, sollte darauf hingewiesen werden, dass dies keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Batteriepackung 15 jede Anzahl von Batteriezellen, wie z. B. eine, zwei, drei, fünf, sechs usw., enthalten. Vorzugsweise ist die Zahl der Spannungserfassungsgänge der Batterieüberwachungsschaltung 40 so gewählt, dass die Spannung jeder Batteriezelle in der Batteriepackung 15 gemessen werden kann. Es sollte auch verstanden werden, dass die Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 nicht auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt sind. Diese können auch durch andere Arten von Batteriezellen, wie z. B. Nickel-Cadmium-Batteriezellen, Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen usw., ersetzt werden.
  • In dem Batterieschutzsystem 20 dienen die FETs 31 und 32 jeweils als Schalter zur Unterbrechung der Lade- und Entladeströme, die durch die Batteriepackung 15 fließen, wenn die entsprechenden Lade- und Überladebedingungen auftreten. Aufgrund ihrer eigenen Dioden unterbricht der FET 31 einen Ladestrom nur, wenn er ausgeschaltet ist, und FET 32 unterbricht einen Entladestrom nur, wenn er ausgeschaltet ist. Ein Ladestrom ist ein Strom, der vom positiven Anschluss zum negativen Anschluss durch die Batteriepackung 15 fließt. Ein Entladestrom ist ein Strom, der vom negativen Anschluss zum positiven Anschluss durch die Batteriepackung 15 fließt. Es ist zu verstehen, dass die FETs 31 und 32 nicht darauf beschränkt sind, FETs mit isolierendem Gate zu sein. Jede Schalteinrichtung, die eine Steuerelektrode und zwei Stromleitungselektroden aufweist, kann die FETs 31 oder 32 ersetzen. Wie dem Fachmann bekannt ist, dient die Gate-Elektrode des FETs, wenn der FET als Schalter verwendet wird, als Steuerelektrode des Schalters, und die Source- und Drain-Elektroden des FET dienen zur Durchleitung eines Stroms über die Elektroden des Schalters.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass das Batterieschutzsystem 20 nicht auf die Verwendung von Schaltern auf der Hochpegelseite (high side switch) beschränkt ist, wie die FETs 31 und 32, um die Batteriepackung 15 zu schützen. In einer alternativen Ausbildungsform enthält das Batterieschutzsystem 20 zwei Schalter (nicht dargestellt) auf der Niedrigpegelseite (low side switch), die zwischen dem Stromerfassungswiderstand 36 und dem negativen Anschluss 24 zur Unterbrechung der Ladung und Entladeströme eingeschaltet sind, die durch die Batteriepackung 15 fließen, wenn die entsprechende Überlade- und Überentladebedingung auftritt. In einer anderen alternativen Ausführungsform enthält das Batterieschutzsystem 20 einen Hochpegelschalter, wie einen FET 31, zur Unterbrechung des Ladestroms und einen Niedrigpegelschalter (nicht dargestellt), der zwischen dem Stromerfassungswiderstand 36 und dem negativen Anschluss 24 geschaltet ist, um den Entladestromfluss durch die Batteriepackung 15 zu unterbrechen, wenn die entsprechende Überlade- und Überentladebedingung auftritt. In einer noch anderen alternativen Ausführungsform enthält das Batterieschutzsystem 20 einen Hochpegelschalter, wie einen FET 32, zur Unterbrechung des Entladestroms und einen Niedrigpegelschalter (nicht dargestellt), der zwischen dem Stromerfassungswiderstand 36 und einem negativen Anschluss 24 zur Unterbrechung des Ladestromflusses durch die Batteriepackung 15 geschaltet ist, wenn die entsprechenden Überlade- und Überladeentladebedingung auftritt. Vorzugsweise enthält ein Hochpegelschalter, wie die FETs 31 oder 32, einen P-Kanal-FET mit isoliertem Gate und ein Niedrigpegelschalter enthält einen N-Kanal-FET mit isoliertem Gate.
  • Der Stromerfassungswiderstand 36 entwickelt eine Spannung über seine beiden Anschlüsse, wenn ein Strom durch ihn fließt. Er kann durch andere Arten von Stromerfassungselementen, wie z. B. einer Faser usw., ersetzt werden. Um den Leistungsverlust zu minimieren, wenn das Batteriesystem 10 Energie an einen Verbraucher (nicht dargestellt) liefert, der an die Anschlüsse 22 und 24 geschaltet ist, weist der Stromerfassungswiderstand 36 vorzugsweise einen kleinen Widerstand, z. B. weniger als ungefähr 1 Ω auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Widerstand des Stromerfassungswiderstands 36 etwa 10 mΩ.
  • Im Gleichrichter 38 verhindert die Zener-Diode 37, dass ein großer transienter Spannungsabfall über dem FET 31 auftritt, wenn ein großer Entladestrom in der Batteriepackung 15 unterbrochen wird und die Schottky-Diode 39 stellt einen Leiterpfad mit niedrigem Widerstand zur Verfügung, wenn dieser in Vorwärtsrichtung vorgespannt betrieben wird und minimiert daher den Stromverbrauch des Gleichrichters 38. Vorzugsweise weist die Zener-Diode 37 eine Durchbruchspannung auf, die größer als die Spannung einer vollgeladenen Batteriepackung 15 ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Gleichrichter 38 durch andere Arten von Gleichrichtereinrichtungen und Schaltungselementen ersetzt werden kann. Z. B. kann der Gleichrichter 38 eine einzelne Diode enthalten, die eine Durchbruchspannung von größer als der vollen Ladespannung der Batteriepackung 15 aufweist.
  • Der Komparator 52 schaltet einen Hysterese-Komparator 54 an und ermöglicht es, dass die Ladesteuerschaltung nur arbeitet, wenn ein Ladestrom durch die Batteriepackung 15 fließt. Wenn ein Entladestrom durch die Batteriepackung 15 fließt oder wenn die Batteriepackung 15 sich im Leerlauf befindet, erzeugt der Komparator 52 einen logisch niedrigen Spannungspegel am Ausgang. Der logisch niedrige Spannungspegel wird auf den Freigabeanschluss des Hysterese-Komparators 54 übermittelt und schaltet den Hysterese-Komparator 54 aus, so dass die Ladesteuerschaltung ausgeschaltet und der Stromabfluss des Batteriesystems 10 minimiert wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Komparator 52, obgleich bevorzugt, ein optionales Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Der Hysterese-Komparator 54 schaltet den FET 31 über den FET-Treiber 56 aus, wenn der Ladestromfluss über die Batteriepackung 15 eine obere Grenze überschreitet. Der Hysterese-Komparator 54 erfasst den Ladestromfluss in der Batteriepackung 15 durch Erfassung eines Spannungsabfalls über den Stromerfassungswiderstand 36. Wie bereits beschrieben, weist der Stromerfassungswiderstand 36 nur einen kleinen Widerstand auf. Daher ist der Hysterese-Komparator 54 vorzugsweise in der Lage, den FET 31 über den FET-Treiber 56 als Antwort auf kleine Eingangssignale an den Eingängen des Hysterese-Komparators 54 abzuschalten, z. B. bei Eingangssignalen mit einer Spannung im Bereich von 10 mV. Zusätzlich kann der Hysterese-Komparator 54 eine Temperaturkompensationsschaltung enthalten (nicht dargestellt), wodurch eine stabile obere Grenze für den Ladestrom in Bezug auf Temperaturvariationen im Batteriesystem 10 erhältlich ist.
  • Der FET-Treiber 56 dient als Puffer, der den FET 31 an- und ausschaltet als Antwort auf Signale, die von der Batterieüberwachungsschaltung 40 und dem Hysterese-Komparator 54 an die zwei Eingänge des FET-Treiber 56 übermittelt werden. Vorzugsweise ist der FET-Treiber 56 in der Lage, den FET 31 bei einer hohen Frequenz von z. B. etwa 100 kHz oder höher ein- und auszuschalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass der FET-Treiber 56 optional in dem Batterieschutzsystem 20 zur Anwendung kommt. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Ausgang des Hysterese-Komparators 54 und der Ausgang 48 der Batterieüberwachungsschaltung 40 direkt mit der Gate-Elektrode des FET 31 verbunden. Die Frequenz, mit der der FET 31 während der Ladung der Batteriepackung 15 ein- und ausgeschaltet wird, wird durch die Induktanz des Induktors 34 bestimmt. Eine größere Induktanz erlaubt es, dass der FET 31 mit einer niedrigeren Frequenz schaltet, was jedoch die Größe, das Gewicht und die Kosten des Induktors erhöht. Vorzugsweise liegt die Induktanz des Induktors 34 im Bereich zwischen etwa 1 μH und etwa 100 μH. Ein nomineller Wert für die Induktanz des Induktors 34 ist etwa 10 μH.
  • Die Batterieüberwachungsschaltung 40 führt periodisch einen Sicherheitsüberwachungsbetrieb an der Batteriepackung 15 aus. Durch Erfassung der Spannung an den Spannungserfassungseingängen 41, 42, 42, 44, 45 misst die Batterieüberwachungsschaltung 40 die Spannung an jeder der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 in der Batteriepackung 15. Durch die Stromüberwachungseingänge 46 und 47 misst die Batterieüberwachungsschaltung 40 den Stromfluss in der Batteriepackung 15 durch Messung der Spannung über dem Stromerfassungswiderstand 36. Basierend auf diesen Messungen führt eine Steuerlogikschaltung 50 in der Batterieüberwachungsschaltung 40 geeignete Operationen aus, um sicherzustellen, dass die Batteriepackung 15 im sicheren Betriebsbereich arbeitet.
  • Der sichere Betriebsbereich enthält obere und untere Grenzen für die Spannung über jede der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 in der Batteriepackung 15. Dies betrifft auch obere Grenzen für die Lade- und Entladestromflüsse durch die Batteriepackung 15. Wenn irgendeine der sicheren Betriebsgrenzen überschritten wird, stellt die Steuerlogikschaltung 50 die entsprechenden Parameter so ein, dass sie innerhalb der Grenzen liegen oder beendet die Bedingung, die dazu gehört hat, dass die entsprechenden Parameter den sicheren Betriebsbereich überschritten haben. Wenn z. B. eine Überspannungsbedingung festgestellt wird, schaltet die Steuerlogikschaltung 50 den FET 31 aus und, wenn notwendig, führt sie Batterieausgleichsschritte an der Batteriepackung 15 durch. Wenn eine Unterspannungsbedingung auftritt, wird der FET 32 abgeschaltet und das Batterieschutzsystem 20 tritt in einen Ruhezustand ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein extrem niedriger Stromverbrauch auftritt. Das Batterieschutzsystem 20 erwacht, d. h. es verlässt den Ruhezustand und kehrt zum normalen Betriebszustand zurück, wenn ein Stromfluss am positiven Anschluss 22 festgestellt wird. Wenn eine Überstrombedingung festgestellt wird, schaltet die logische Schaltung 50 entweder die FET 31 oder 32 ab, um die Überstrombedingung zu beenden. Es ist darauf hinzuweisen, dass FET 31 ausgeschaltet wird, wenn Überstrom in der Batteriepackung 15 in einer Richtung vom positiven Batterieanschluss 26 zum negativen Batterieanschluss 38 fließt, und FET 32 wird ausgeschaltet, wenn der Überstrom in der Batteriepackung 15 in einer Richtung von der negativen Batterieelektrode 38 zur positiven Batterieelektrode 26 fließt. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und eine maximale Energieeffizienz für die Batteriepackung 15 zu erreichen, ist die logische Steuerschaltung 50 in der Batterieüberwachungseinrichtung 40 so ausgestaltet, dass sie sehr genau arbeitet. Typischerweise ist die Spannungsfluktuation der logischen Steuerschaltung 50 vorzugsweise kleiner als etwa 1%.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die Batterieüberwachungsschaltung 40 nicht auf die Überwachung der Spannung jeder Batteriezelle und des Stroms, der durch die Batteriepackung 15 fließt, beschränkt ist. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Batterieüberwachungsschaltung 40 auch die Umgebungstemperatur der Batteriepackung 15 erfassen. In einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Batterieüberwachungsschaltung 40 eine Batteriezellenerfassungsschaltung (nicht dargestellt), welche die Zahl der Batteriezellen in der Batteriepackung 15 feststellt. Der Betrieb einer Batteriesteuerschaltung, wie die Batterieüberwachungsschaltung 40 ist in der gleichfalls anhängigen US-Patentanmeldung 08/398,255 mit dem Titel „Schaltung und Verfahren zur Batterieladesteuerung" von Troy L. Stockstad et al beschrieben, welche an Motorola, Inc. übertragen wurde, welche zum US-Patent 5,818,201 vom 06. Oktober 1998 geführt hat.
  • 2 ist ein Flussdiagramm 60 eines Verfahrens zur Ladung einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung. Als Beispiel ist die Batterie in 1 als Batteriepackung 15 gezeigt, die mit dem Batterieschutzsystem 20 gekoppelt ist.
  • Um die Batteriepackung 15 in dem Batteriesystem 10 der 1 zu laden, werden die positiven und negativen Anschlüsse der Spannungsquelle (nicht dargestellt) jeweils mit dem positiven Anschluss 22 und dem negativen Anschluss 24 des Batteriesystems 10 verbunden. FET 31 wird durch einen logischen Niedrigspannungspegel an der Gate-Elektrode eingeschaltet. Es wird ein Ladestrom erzeugt (Referenznummer 61 in 2), der von dem positiven Anschluss der Spannungsquelle (nicht dargestellt) über die leitenden FET 31, FET 31, den Induktor 34, die Batteriepackung 15 und dem Stromerfassungswiderstand 36 zum negativen Anschluss der Spannungsquelle (nicht dargestellt) fließt. Der Gleichrichter 38 ist umgekehrt vorgespannt und nicht leitend. Aufgrund des Induktors 34 wächst der Ladestrom graduell von Null an. Ferner wird ein Teil der elektrischen Energie des Ladestroms in elektromagnetische Energie umgewandelt. In anderen Worten wird elektromagnetische Energie unter Verwendung des Ladestroms erzeugt (Referenznummer 62 in 2) und im Induktor 34 gespeichert.
  • Der Ladestrom entwickelt eine Spannungsdifferenz über dem Stromerfassungswiderstand 36. Der Komparator 52 erfasst die Spannungsdifferenz über dem Stromerfassungswiderstand 36. Wenn der nicht-invertierende Eingang auf einem höheren Spannungspegel als der invertierende Eingang liegt, erzeugt der Komparator 52 einen logischen Hochspannungspegel am Ausgang. Der logische Hochspannungspegel wird an den Freigabeanschluss des Hysterese-Komparators 54 übermittelt. Der Hysterese-Komparator 54 wird eingeschaltet und erfasst die Spannungsdifferenz über den beiden Eingängen, wodurch der Ladestromfluss in der Batteriepackung 15 und dem Stromerfassungswiderstand 36 erfasst wird (Referenznummer 63 in 2).
  • Die Spannungsdifferenz über den beiden Eingängen des Hysterese-Komparators 54 ist proportional zum Stromfluss in der Batteriepackung 15. Wenn der Ladestrom, der durch die Batteriepackung 15 fließt, kleiner als ein bestimmter Stromwert ist, z. B. etwa 3 Ampere (A), ist die Spannungsdifferenz über den beiden Eingängen des Hysterese-Komparators 54 kleiner als eine erste Grenzspannung des Hysterese-Komparators 54, z. B. etwa 30 mV. Der Hysterese-Komparator 54 erzeugt einen logischen Niedrigspannungspegel am Ausgang. Der logische Niedrigspannungspegel wird an die Gate-Elektrode des FET 31 über den FET-Treiber 56 übermittelt. Der FET 31 bleibt leitend und der Ladestrom fließt weiter durch die Batteriepackung 15. Wenn der Ladestrom einen bestimmten Grenzwert überschreitet, z. B. etwa 3 A, ist der Spannungspegel am nicht-invertierenden Eingang des Hysterese-Komparators 54 höher als am invertierenden Eingang des Hysterese-Komparators 54 und die Spannungsdifferenz ist größer als die erste Grenzspannung, z. B. 30 mV. Der Hysterese-Komparator 54 erzeugt einen logischen Hochspannungspegel am Ausgang. Der FET-Treiber 56 übermittelt den logischen Hochspannungspegel an die Gate-Elektrode des FET 31, der ausschaltet, um den Ladestromfluss von der Spannungsquelle (nicht dargestellt) zur Batteriepackung 15 (Referenznummer 64 in 2) zu unterbrechen.
  • In Antwort darauf, dass der FET 31 abgeschaltet ist und der Ladestrom unterbrochen ist, wird die elektromagnetische Energie, die im Induktor 34 gespeichert ist, freigegeben, so dass diese einen Übergangsstromfluss durch die Batteriepackung 15, den Stromerfassungswiderstand 36 und den vorwärts vorgespannten Gleichrichter 38 (Referenznummer 65 in 2) erzeugt. Der Hysterese-Komparator 54 fährt fort, die Spannungsdifferenz über den beiden Eingängen zu erfassen und erfasst daher den Übergangsstromfluss in der Batteriepackung 15 (Referenznummer 66 in 2). Wenn der Übergangsstrom auf einen anderen bestimmten Stromwert abfällt, z. B. einen Stromwert, der im Wesentlichen gleich Null ist, fällt die Spannungsdifferenz über den beiden Eingängen des Hysterese-Komparators 54 auf einen entsprechenden Spannungswert, z. B. einem Spannungswert, der im Wesentlichen Null entspricht, welcher kleiner als eine zweite Grenzspannung des Hysterese-Komparators 54 ist. Der Spannungspegel am Ausgang des Hysterese-Komparators 54 schaltet zurück auf einen logischen Niedrigspannungspegel. Der logische Niedrigspannungspegel wird zur Gate-Elektrode des FET 31 über den FET-Treiber 56 übermittelt, so dass FET 31 eingeschaltet wird und der Ladestrom, der von der Spannungsquelle (nicht dargestellt) zur Batteriepackung 15 über den leitenden FET 31 (Referenznummer 67 in 2) fließt, regeneriert wird. Dann wiederholt der Induktor 34 den Schritt der Erzeugung der elektromagnetischen Energie unter Verwendung des Ladestroms (Referenznummer 62 in 2) und der Hysterese-Komparator 54 wiederholt den Schritt der Erfassung des Ladestroms, der durch die Batteriepackung 15 fließt (Referenznummer 63 in 2).
  • Wie hier beschrieben ist, ist der Strom, der in die Batteriepackung 15 während des Ladeverfahrens fließt, ein pulsierender Strom, der durch den FET 31, den Induktor 34 und den Hysterese-Komparator 54 moduliert wird. Die Frequenz, mit der der Ladestrom unterbrochen und regeneriert wird, hängt von der Induktanz des Induktors 34, einer Ladespannung, die durch die Spannungsquelle (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt wird, die mit dem positiven Anschluss 22 und einem negativen Anschluss 24 verbunden ist, der Spannung der Batteriepackung 15 und der Grenzspannungen ab, bei denen der Hysterese-Komparator 54 den Ausgangsspannungspegel schaltet. Allgemein führt eine kleine Induktanz und/oder eine große Spannungsdifferenz zwischen der Ladespannung und der Spannung der Batteriepackung 15 dazu, dass eine höhere Frequenz erzeugt wird, mit der der Ladestrom unterbrochen und regeneriert wird. Typischerweise liegt die Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 200 kHz. Eine nominelle Frequenz ist etwa 100 kHz.
  • Während des Ladeprozessors erzeugt die Steuerlogikschaltung 50 in der Batterieüberwachungsschaltung 40 periodisch einen logischen Hochspannungspegel am Ausgang 48. Der logische Hochspannungspegel am Ausgang 48 wird an die Gate-Elektrode des FET 31 über den FET-Treiber 56 übertragen und schaltet den FET 31 aus, so dass der Ladestromfluss in der Batteriepackung 15 unterbrochen wird. Vorzugsweise bleibt der FET 31 nichtleitend für ein Zeitintervall, das ausreichend lang ist, dass der Übergangsstromfluss in der Batteriepackung 15 auf etwa Null abfällt. Die Batterieüberwachungsschaltung 40 erfasst dann die Spannung über jede der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 in der Batteriepackung 15 (Referenznummer 68 in 2). Da der Stromfluss in der Batteriepackung 15 im Wesentlichen Null ist, ist die Spannung jeder Batteriezelle 12, 14, 16 und 18, die durch die Batterieüberwachungsschaltung 40 erfasst wird, im Wesentlichen gleich einer offenen Schaltungsspannung der entsprechenden Batteriezelle. Die erfasste Spannung jeder Batteriezelle 12, 14, 16 und 18 wird mit einer Referenzspannung in der Steuerschaltung 50 (Referenznummer 69 in 2) verglichen. Vorzugsweise ist die Referenzspannung gleich einer vollen Ladespannung jeder Batteriezelle 12, 14, 16 und 18.
  • Wenn die erfasste Spannung jeder der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 geringer als die Referenzspannung ist, erzeugt die logische Steuerschaltung 15 einen logisch niedrigen Spannungspegel am Ausgang 48. Der logisch niedrige Spannungspegel wird an die Gate-Elektrode des FET 31 über den FET-Treiber 56 übertragen. Der FET 31 wird eingeschaltet und die Schritte der Erzeugung des Ladestroms, der Erzeugung der elektromagnetischen Energie, der Erfassung des Ladestroms und der Erfassung der Spannung über jede der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 (Referenznummern 61, 62, 63 und 68 in 2) werden wiederholt.
  • Wenn die erfasste Spannung der Batteriezelle in der Batteriepackung 15 im Wesentlichen gleich oder höher als die Referenzspannung ist, bleibt der Spannungspegel am Ausgang 48 der Batterieüberwachungsschaltung 40 bei logischem Hochspannungspegel. FET 31 wird abgeschaltet und der Ladeprozess wird beendet (Referenznummer 70 in 2). Wenn notwendig, führt die Batterieüberwachungsschaltung 40 einen Batteriezellenausgleichsbetrieb der Batteriepackung 15 durch Entladung der Batteriezelle durch, die die höchste Spannung aufweist. Nach dem Batteriezellenausgleichsschritt kann die Batterieüberwachungsschaltung 40 den Ladeprozess durch Einschaltung des FET 31 wieder starten, wenn die Spannung jeder der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 in der Batteriepackung 15 kleiner als die Referenzspannung in der logischen Steuerschaltung 50 ist.
  • Die Frequenz, bei der die Batterieüberwachungsschaltung 40 den FET 31 ausschaltet und die Spannung über jeder der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 in der Batteriepackung 15 während des Ladeprozesses bestimmt, wird durch ein Zeitglied (nicht dargestellt) in der logischen Steuerschaltung 50 erfasst. Das Zeitglied bestimmt auch, wie lange der FET 31 jedes Mal nichtleitend bleibt, jedes Mal, wenn FET 31 durch die Batterieüberwachungsschaltung 40 ausgeschaltet wird. Z. B. schaltet die Batterieüberwachungsschaltung 40 den FET 31 einmal in einer Zeitperiode von etwa 1 Sekunde während des Ladeprozesses aus. Ferner bleibt FET 31 jedes Mal nichtleitend für ein Zeitintervall von etwa 20 Millisekunden, wenn er durch die Batterieüberwachungsschaltung 40 ausgeschaltet wird. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Frequenz und das Zeitintervall des FET 31, in der er durch die Batterieüberwachungsschaltung 40 während des Ladeprozesses ausgeschaltet wird, nicht auf diese Werte beschränkt ist. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der FET 31 durch die Batterieüberwachungsschaltung 40 einmal für ein Zeitintervall von 10 Millisekunden, 15 Millisekunden oder 25 Millisekunden in einer Zeitperiode von 0,5 Sekunden, 1,5 Sekunden oder 2 Sekunden während der Ladung des Batteriesystems 10 geschaltet werden. Durch Ausschalten des FET 31 mit höherer Frequenz und für eine längere Zeitdauer kann die Spannung jeder der Batteriezellen 12, 14, 16 und 18 genauer und näher erfasst werden, so dass sichergestellt wird, dass die Batteriepackung 15 in einem sicheren Betriebsbereich arbeitet. Der Ladeprozess ist dadurch jedoch weniger zeiteffizient.
  • Entsprechend kooperieren der FET 31, der Induktor 34, der Stromerfassungswiderstand 36, der Gleichrichter 38, die Batterieüberwachungsschaltung 40, der Komparator 52, der Hysterese-Komparator 54 und der FET-Treiber 56 zusammen, um den Ladestromfluss in der Batteriepackung 15 während der Ladung der Batteriepackung 15 im Batteriesystem 10 zu steuern. In anderen Worten dient die logische Steuerschaltung 50 in der Batterieüberwachungsschaltung 40 zur Steuerung und Kontrolle sowohl des Ladeprozesses als auch zum Schutz der Batteriepackung 15. Dadurch besteht kein Bedarf mehr an einem bestimmten Lithiumbatterielader, der eine hochgenaue Ladekontrollschaltung erfordert. Das Batteriesystem 10 kann mit einer ungeregelten Spannungsquelle zur Ladung der Batteriepackung 15 gekoppelt werden. In anderen Worten ist es nicht mehr erforderlich, die Redundanz von zwei genauen Steuerschaltungen zu haben, eine in dem Batterieschutzsystem, die andere in dem Lithiumbatterielader, wie es im Stand der Technik erforderlich ist. Die Kosten zur Verwendung eines Lithium-Ionen-Batteriepacks, der mit einem Batterieschutzsystem 20 gekoppelt und im Batteriesystem 10 zusammengefasst ist, ist beträchtlich geringer im Vergleich zu den Kosten der Verwendung eines Lithium-Ionen-Batteriepacks, der mit einem bekannten Batterieschutzsystem gekoppelt ist. Ferner ist der Ladestrom in der Batteriepackung 15 während des Ladeprozesses ein gepulster Strom. Der Durchschnittsladestrom, der durch die Batteriepackung 15 fließt, ist größer als der Durchschnittsladestrom des Standes der Technik mit Konstantstrom/Konstantspannungsladeverfahren. Daher ist das Verfahren zur Ladung des Batteriesystems 10 gemäß der vorliegenden Erfind zeiteffizienter als im Stand der Technik mit konstantem Strom- und konstantem Spannungsladungsprozess.
  • Damit ist ein Batterieschutzsystem und ein Verfahren zur Ladung einer Batterie angegeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet eine genaue Steuerschaltung in dem Batterieschutzsystem des Batterieladeverfahrens und des Schutzes der Batteriepackung die Notwendigkeit eines speziellen Batterieladers. Die Batterie kann unter Verwendung einer nicht regulierten Spannungsquelle geladen werden, die billig ist, überall verfügbar ist und leicht zu verwenden ist. Daher ist die Aufladung der Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung bequem und kosteneffizient. Ferner ist der Ladeprozess der vorliegenden Erfindung zeiteffizienter als die Ladung nach dem Stand der Technik mit konstantem Strom/konstanter Spannung.

Claims (7)

  1. Batterieschutzsystem (20) mit einem ersten Anschluss (22), einem zweiten Anschluss (24), einer ersten Batterieelektrode (26) und einer zweiten Batterieelektrode (28), welches Folgendes enthält: einen ersten Schalter (31, 32), der eine Steuerelektrode (56) aufweist, eine erste Stromleiterelektrode, die mit dem ersten Anschluss (22) des Batterieschutzsystems (20) gekoppelt ist, und eine zweite Stromleiterelektrode, einen Induktor (34) mit einer ersten Elektrode, die mit der zweiten Stromleiterelektrode des ersten Schalters (31, 32) verbunden ist und einer zweiten Elektrode, die mit der ersten Batterieelektrode (26) des Batterieschutzsystems (20) gekoppelt ist, einen Widerstand (36), dessen erste Elektrode mit der zweiten Batterieelektrode (24) des Batterieschutzsystems (20) gekoppelt ist und dessen zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluss (28) des Batterieschutzsystems verbunden ist, einen Gleichrichter (38), dessen erste Elektrode mit der zweiten Elektrode des Widerstandes (36) verbunden ist, und dessen zweite Elektrode mit der ersten Elektrode des Induktors (34) gekoppelt ist, einen ersten Komparator (54), dessen erster Eingang mit der ersten Elektrode des Widerstandes (36) gekoppelt ist, und dessen zweiter Eingang mit der zweiten Elektrode des Widerstandes (36) verbunden ist, und dessen Ausgang mit der Steuerelektrode (56) des ersten Schalters gekoppelt ist, und eine Batterieüberwachungsschaltung (40), die eine Mehrzahl von Eingängen (4147) und einen ersten Ausgang (48) enthält, wobei ein erster Eingang der Mehrzahl von Eingängen mit der zweiten Elektrode des Induktors verbunden ist, ein zweiter Eingang (47) der Mehrzahl von Eingängen mit der ersten Elektrode des Widerstandes (36) gekoppelt ist, und der erste Ausgang mit der Steuerelektrode (56) des ersten Schalters (31, 32) gekoppelt ist.
  2. Batterieschutzsystem nach Anspruch 1, bei dem der ersten Komparator (54) ein Hysterese-Komparator ist.
  3. Batterieschutzsystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Komparator (54) ferner einen Freigabeanschluss enthält und wobei das Batterieschutzsystem (20) ferner einen zweiten Komparator (52) aufweist, dessen erster Eingang mit der ersten Elektrode des Widerstandes (36) gekoppelt ist, dessen zweiter Eingang mit der zweiten Elektrode des Widerstandes verbunden ist, und dessen Ausgang mit dem Freigabeanschluss des ersten Komparators gekoppelt ist.
  4. Batterieschutzsystem (20) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die erste Elektrode des Induktors (34) mit der zweiten Stromleiterelektrode des ersten Schalters (31) über einen zweiten Schalter (32) gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter (32) eine Steuerelektrode aufweist, eine erste Stromleiterelektrode mit der ersten Elektrode des Induktors (34) verbunden ist und eine zweite Stromleiterelektrode mit der zweiten Stromleiterelektrode des ersten Schalters (31) verbunden ist, und wobei die Batterieüberwachungsschaltung (45) ferner einen zweiten Ausgang (49) enthält, der mit der Steuerelektrode des zweiten Schalters (32) gekoppelt ist.
  5. Wiederaufladbares Batteriesystem (10), das Folgendes enthält: eine wiederaufladbare Batteriepackung (15), die einen ersten Anschluss (26) und einen zweiten Anschluss (28) enthält, einen Induktor (34), dessen erste Elektrode mit dem ersten Anschluss (26) der wiederaufladbaren Batteriepackung (15) verbunden ist und eine zweite Elektrode aufweist, einen ersten Feldeffekttransistor (31), der eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode aufweist, die mit der zweiten Elektrode des Induktors verbunden ist, ein Stromsensorelement (36), dessen erste Elektrode mit dem zweiten Anschluss (28) der wiederaufladbaren Batteriepackung (15) gekoppelt ist und eine zweite Elektrode aufweist, einen Gleichrichter (38), dessen erste Elektrode mit der zweiten Elektrode des Stromsensorelements (36) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode aufweist, die mit der zweiten Elektrode des Induktors (34) gekoppelt ist, einen Hysterese-Komparator (54), dessen erster Eingang mit der ersten Elektrode des Stromsensorelements (36) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit der zweiten Elektrode des Stromsensorelements (36) verbunden ist, und einen Ausgang enthält, eine Batterieüberwachungsschaltung (40), die eine Mehrzahl von Eingängen (4147) und einen ersten Ausgang (48) enthält, wobei ein erster Eingang (41) der Mehrzahl von Eingängen mit dem ersten Anschluss der wiederaufladbaren Batteriepackung (15) verbunden ist und ein zweiter Eingang (45) der Mehrzahl von Eingängen mit dem zweiten Anschluss der wiederaufladbaren Batteriepackung gekoppelt ist, und einen Transistortreiber (56), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Hysterese-Komparators (54) gekoppelt ist, und dessen zweiter Eingang mit dem ersten Ausgang (48) der Batterieüberwachungsschaltung (40) gekoppelt ist, und ein Ausgang mit der Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors (31) verbunden ist.
  6. Wiederaufladbares Batteriesystem (10) nach Anspruch 5, bei dem das wiederaufladbare Batteriesystem ferner einen Komparator (52) enthält, dessen erster Eingang mit der ersten Elektrode des Stromsensorelements (36) gekoppelt ist, dessen zweiter Eingang mit der zweiten Elektrode des Stromsensorelements (36) gekoppelt ist, und einen Ausgang aufweist, und der Hysterese-Komparator (54) ferner einen Freigabeanschluss aufweist, der mit dem Ausgang des Komparators (52) gekoppelt ist.
  7. Wiederaufladbares Batteriesystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die wiederaufladbare Batteriepackung (15) eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen (1218) aufweist, wobei eine erste wiederaufladbare Batteriezelle (12) der Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen eine erste Elektrode aufweist, die mit dem ersten Anschluss (26) der wiederaufladbaren Batteriepackung (15) gekoppelt ist und eine zweite Elektrode mit einem dritten Eingang der Mehrzahl von Eingängen der Batterieüberwachungsschaltung verbunden ist, und eine zweite wiederaufladbaren Batteriezelle (14) der Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen (15) eine erste Elektrode aufweist, die mit der zweiten Elektrode der ersten wiederaufladbaren Batteriezelle gekoppelt ist und eine zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluss der wiederaufladbaren Batteriepackung (15) gekoppelt ist.
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