DE10138515A1

DE10138515A1 - Energiespeicher mit einstellbarer konstanter Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE10138515A1
Application number: DE10138515A
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-02-20

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit einem integrierten Spannungswandler.

Allgemeine Problembeschreibung

Mit dem immer stärkeren Eindringen der Elektronik in alle Bereiche unseres Alltags und hier insbesondere durch mobile Informations- und Kommunikationssysteme gewinnen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (Akkumulatoren) eine ständig wachsende Bedeutung.
Für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle gibt es heute eine Vielzahl von Akkumulatorsystemen wie Pb/PbSO₄, NiCd, NiMH, AgZn, Li-Ion usw. Jedes dieser Systeme besitzt einen spezifischen, von der Materialpaarung und vom Ladezustand abhängigen Ausgangsspannungsbereich, der sich zwischen der minimalen Entladespannung und der Ladeendspannung erstreckt.
In den seltensten Fällen ist dieser Spannungsbereich des Akkumulators mit den Spannungsanforderungen der zu versorgenden Elektronik kompatibel. So liefern beispielsweise die wegen ihrer hohen Leistungsdichte weit verbreiteten Li-lon Akkus eine Ausgangsspannung zwischen 3,0 V und 4,2 V, wohingegen die Nenn-Versorgungsspannung für Schaftkreise der Informations- und Kommunikationselektronik wie Prozessoren, PLA's, ASIC's usw. heute bei 5.0 V, 3.3 V, 1.65 V oder 0.8 V liegt - mit stetig abnehmender Tendenz und begleitet von immer höheren Anforderungen an die Genauigkeit mit der die Spannungspegel eingehalten werden müssen. Eine direkte Versorgung der Schaltkreise aus einem Akkumulator scheidet daher heute in den allermeisten Fällen aus.
Ähnlich liegt die Situation, wenn die Elektronik eines Geräts auf den Spannungsbereich eines bestimmten Akku-Typs hin ausgelegt wurde und der Anwender später auf ein neues, verbessertes Akku-System umrüsten möchte. Wegen nicht kompatibler Spannungsbereiche wird ein direkter Austausch in den seltensten Fällen möglich sein.
Vor dem Hintergrund der geschilderten Probleme würden Akkumulatoren oder Batterien mit einer über der Entladezeit konstanten, vorgebbaren Ausgangsspannung eine enorme technische Verbesserung darstellen.

Ziel der vorliegenden Erfindung

ist ein Akkumulator bzw. eine Batterie mit einer auf einen konstanten Wert geregelten Ausgangsspannung, welche sich unabhängig vom Zellensystem an die Erfordernisse der Applikation anpassen läßt.

Stand der Technik

Zur Erzeugung einer konstanten Versorgungsspannung aus der veränderlichen Spannung eines Energiespeichers (Akku, Batterie usw.) werden nach dem Stand der Technik Linearregler oder getaktete Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) zwischen Energiespeicher und zu versorgender Schaltung eingesetzt. Der Wandler sitzt dabei außerhalb des Energiespeichers und meist nahe der Last, was den Vorteil hat, daß ohmsche und induktive Spannungabfälle sehr leicht ausgeregelt und die geforderten Spannungswerte sehr genau eingehalten werden können.

Entscheidender Nachteil dieser Art der Schaltungspartitionierung ist, daß dem Wandler keine sicheren Informationen über die Art und damit auch über den Ladezustand des Energiespeichers zur Verfügung stehen. Elektrogeräte dürfen daher im allgemeinen nur mit den vom Hersteller vorgeschriebenen Akkus ausgestattet werden, da nur dann die Elektronik die korrekten Betriebsparameter unterstellt.

Ein Rückschluß auf den Ladezustand mittels einer Spannungsmessung, z. B. über eine Senseleitung, liefert nur ungenaue und unbefriedigende Ergebnisse, da die verschiedenen Entladecharakteristiken von Akkumulatoren u. a. auch eine Funktion des Innenwiderstandes der Zellen sind. Der Innenwiderstand ist aber individuellen Streuungen und Alterungseffekten unterworfen.

Um Akkus nicht durch Tiefentladung zu schädigen, besitzen viele DC/DC-Wandler eine feste Abschaltschwelle, was die Elektronik allerdings auf einen bestimmten Akkutyp festlegt. Alternative Lösungen sehen den Tiefentladeschutz im Akku selbst vor, oder aber eine Kommunikationsschnittstelle zwischen Akku und System. Den letztgenannten Weg beschreiten z. B. Batterien nach dem Smart-Battery Standard (SBS (http./ / www.intel.com/technology/power.htm)). Dabei kommuniziert die Batterie über eine serielle Schnittstelle (SMBus (SNBus ist ein eingetragenes Warenzeichen der Intel Corp.)) mit beispielsweise dem Ladegerät und teilt diesem den Akku-Typ, den Ladezustand usw. mit. Eine Anpassung der Ausgangsspannung erfolgt heute nicht.

Generell gilt, daß die nach dem Stand der Technik übliche Trennung von Energiespeicher und Spannungswandler die Flexibilität des Gesamtsystems einschränkt, bzw. einen Mehraufwand für die Kommunikation zwischen Speicher und Wandler erfordert.

Erfindungsgemäße Lösung

Die erfindungsgemäße Lösung des zuvor beschriebenen Problems besteht darin, den Spannungswandler in den Energiespeicher zu integrieren. Wandler und Speichersystem können damit optimal aufeinander abgestimmt werden.

Für die zu versorgende Elektronik verhält sich ein erfindungsgemäßer Energiespeicher wie eine Spannungsquelle mit geregelter Ausgangsspannung; er liefert bei der Entladung bis zum Abschaltpunkt eine stets konstante Ausgangsspannung.

Alle zellenspezifischen Parameter wie maximaler Entladestrom, Entladeschlußspannung usw. werden innerhalb des Energiespeichers überwacht, die Last braucht keine Rücksicht mehr auf die dem Speicher zugrundeliegende Technologie zu nehmen. Damit wird eine maximale Systemflexibilität erreicht.

Die Integration von Elektronik in Energiespeicher ist Stand der Technik. So besitzen heute praktisch alle Hochleistungsspeicher wie z. B. Li-Ion-Akkus innerhalb ihres Gehäuses eine Schutz- und Ladekontroll-Elektronik, die Fehlerfälle wie Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung usw. verhindern soll.

Demgegenüber zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Energiespeicher durch einen integrierten Spannungswandler aus, der alleine oder in Kombination mit anderen Schutzschaltungen vorhanden sein kann.

Der Spannungswandler ist aus Gründen des Wirkungsgrads vorteilhaft als geschalteter Wandler ausgeführt. Je nach Lage der Ausgangsspannung zum Betriebsspannungsbereich des Speichers eignen sich unterschiedliche Wandlertypen. Liegt die gewünschte Ausgangsspannung V_batt oberhalb des durch die minimale Entladespannung V_cn,min und die Ladeschlußspannung V_cn,max definierten Betriebsspannungsbereichs der n innerhalb des Akkus in Serie geschalteten Zellen, so kann als Wandler ein Hochsetzsteller (Boost-Converter) eingesetzt werden, dessen Prinzipschaltbild ist in Fig. 1 dargestellt. Liegt die gewünschte Ausgangsspannung unterhalb des Betriebsspannungsbereichs des Speichers, so eignet sich vorteilhaft ein Tiefsetzsteller (Buk- Converter) wie in Fig. 2 dargestellt. Bei einer Ausgangsspannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs ist je nach Ladezustand des Speichers eine Spannungserhöhung oder -reduzierung erforderlich; diese läßt sich vorteilhaft mit einem Hoch-/Tiefsetzsteller oder mit dem in Fig. 3 dargestellten SEPIC-Wandler realisieren.

Der Spannungswandler kann konventionell, d. h. unter Verwendung diskreter Bauelemente aufgebaut werden. Aus Gründen der Kosten und des Bauvolumens sind jedoch vollständig monolithisch integrierte Wandler vorzuziehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Spannungswandler zusammen mit der Lade- und Schutzschaltung (Kurzschluß, Verpolung, Überladung, Tiefentladung, Übertemperatur etc.) monolithisch integriert. Darüber hinaus ist der Wandler vorteilhaft mit speziellen Betriebsmodi wie etwa Burst-Mode und No-load-Abschaltung ausgestattet, um einen hohen Wirkungsgrad bzw. eine geringe Selbstentladung auch im Schwachlastbetrieb oder bei längerer Lagerung des Energiespeichers sicherzustellen.

Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher weist vorteilhaft eine Möglichkeit zur Einstellung bzw. Programmierung der gewünschten Ausgangsspannung auf.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Batterie (1) mit analog einstellbarer Ausgangsspannung V_batt dargestellt. Zwischen den Zellen (6) und den beiden Lastanschlüssen - Pluspol (2) und Minuspol (3) - befindet sich der Spannungswandler für den hier beispielhaft ein Hochsetzsteller gewählt ist. Die nachfolgend beschriebenen Einstellverfahren sind jedoch auf beliebige Wandler übertragbar.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur analogen Spannungseinstellung besitzt die Batterie neben den Lastanschlüssen einen dritten, hier mit (4) bezeichneten Anschluß. Über einen analogen Spannungswert an diesem Anschluß kann das verbrauchende Gerät die Höhe der Ausgangsspannung der Batterie definieren. Die gewünschte Spannung wird durch den Wandler unabhängig vom Ladezustand der Batterie konstant gehalten. Bei Erreichen der Endladeschlußspannung schaltet sich der Wandler ab; zudem wird vorteilhaft die Batterie durch einen Schalter (5) von der Last getrennt, und damit eine Schädigung der Zellen durch Tiefentladen verhindert. In Kombination mit einer Ladeschutzschaltung ermöglicht dies eine optimale Nutzung der Zellenkapazität.

Greift der Anschluß (4) - wie in Fig. 4 dargestellt - in einen internen Spannungsteiler ein, und ist der Spannungsteiler so gewählt, daß sich ohne externe Beschaltung eine Standard-Batteriespannung an den Lastanschlüssen einstellt, so kann die erfindungsgemäße Batterie wie eine konventionelle Batterie in bereits vorhandene Geräte eingesetzt werden. Sie bietet dabei bereits den Vorteil einer konstanten Ausgangsspannung und einer in vielen Fällen erhöhten Kapazität. Geräte der nächsten Generation könnten durch einen einfachen Widerstand (7) oder (8) zwischen dem Anschluß (4) und dem Plus-Pol (2) oder dem Minus-Pol (3) den für sie optimalen Spannungswert programmieren.

In den Bildern Fig. 1 bis 4 ist die Ladekontroll- und Schutzelektronik aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit eingezeichnet. Die Kontroll- und Überwachungsfunktionen können in den jeweiligen Steuerblock implementiert werden. Für einen steuerbaren Ladestrompfad kann in den Topologien nach Fig. 1 und 3 die Diode (9) beispielsweise als geschalteter MOSFET ausgeführt werden. In der Tiefsetzsteller-Variante nach Fig. 2 wird für (10) bevorzugt ein bidirektionaler Schalter - z. B. in Form zweier antiserieller MOSFET - eingesetzt.

Fig. 5a zeigt eine Variante, bei der der zusätzliche Batterieanschluß (4) für eine digitale serielle Schnittstelle verwendet ist. Fig. 5b zeigt eine Variante mit einer digitalen Parallelschnittstelle, die dem Verbraucher eine besonders einfache Spannungseinstellung per Festverdrahtung - d. h. ohne ein einziges zusätzliches Bauteil - ermöglicht.

In Fig. 6 ist eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie dargestellt. Vorteilhaft entsprechen die äußeren Abmessungen der Batterie denen gängiger Rund- oder Knopfzellen. Gegenüber diesen weist die erfindungsgemäße Batterie am Umfang eine zusätzliche Kontaktfläche (9) auf, die elektrisch dem Anschluß (4) aus Fig. 4 entspricht. Eine derart ausgeführte Zelle kann sowohl in konventionellen Geräten eingesetzt werden - in diesem Fall bleibt die Ringelektrode (21) ohne Funktion - oder aber in Geräten der nächsten Generation, die diese Elektrode kontaktieren, und wie obenstehend beschrieben zur Einstellung der Batteriespannung verwenden.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie am Beispiel einer Flachbatterie mit Anschlußfahnen. Fig. 8 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform am Beispiel einer Flachbatterie mit Kontaktierungsflächen.

Neben der Programmierung über einen oder mehrere elektrische Kontakte ist eine erfindungsgemäße Batterie auch ohne zusätzliche nach außen geführte Steuerkontakte realisierbar. Ein Beispiel dazu ist in Fig. 9 dargestellt. Hierbei sind die k mit (22a)-(22k) gekennzeichneten Flächen als in die Batterieumhüllung integrierte Folienschaltkontakte realisiert. Beim Einlegen der Batterie in ein Gerät werden diese Schaltflächen durch geeignet geformte Noppen im Batteriefach betätigt. Auf diese Weise ist eine Umschaltung zwischen 2^k verschiedenen Werten der Ausgangsspannung möglich. Diese Variante eignet sich besonders auch für Flach- und Folienzellen, wobei der besondere Vorteil darin besteht, daß keine zusätzlichen Durchführungen durch die hermetisch dichte Hülle einer Zelle erforderlich sind.

Aus Gründen von Kosten und Bauvolumen ist der DC/DC-Wandler vorteilhaft als monolithischer Wandler realisiert. Bei Schaltfrequenzen im Bereich einiger MHz können die für die Spannungswandlung erforderlichen elektrischen oder magnetischen Energiespeicher (z. B. 10, 11, 13) auf einem Chip realisiert werden. Dabei wird für den Einsatz in Folienzellen vorteilhaft eine Dünnchip-Technik gewählt; diese ermöglicht bedingt flexible Chips.

Bei geeigneter Beschaltung kann eine für den Spannungswandler vorhandene Spule auch zum kontaktlosen Laden des Akkus verwendet werden. Dazu wird die Ladeenergie drahtlos induktiv über eine externes Ladegerät in die Wandlerspule eingekoppelt.

Claims

1. Energiespeicher, bei dem durch einen integrierten Spannungswandler eine konstante Ausgangsspannung erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher einen Anschluß zum Einstellen der Ausgangsspannung aufweist.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung durch einen externen Spannungsteiler einstellbar ist.

3. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung durch eine externe Analogspannung einstellbar ist.

4. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung über eine digitale Schnittstelle einstellbar ist.

5. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung über in den Energiespeicher integrierte reversible oder nicht reversible Schaltkontakte einstellbar ist.

6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler eine Spule, die vom Spannungswandler nutzbar ist, aufweist, die gleichzeitig zum induktiven Laden des Energiespeichers verwendbar ist.

7. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler monolithisch auf einem Chip integriert ist.

8. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler mit Betriebsmodi für einen hohen Teillastwirkungsgrad und niedrigen Ruhestromverbrauch betreibbar ist.

9. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator des Wandlers als Chip-Kondensator auf Silicium-Substrat gefertigt ist.

10. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule des Wandlers als gedruckte Spule auf einem Schaltungsträger oder auf einem Silicium-Chip realisiert ist.

11. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in Dünnchip-Technologie realisiert ist.

12. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisch flexibler Aufbau erzielbar ist.

13. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler auch für Lade- und Schutzfunktionen geeignet ist.