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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Batteriesysteme,
und insbesondere auf die Überwachung
und den Schutz von wiederaufladbaren Batterien.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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2 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ladung einer Batterie gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.