DE4431620A1 - Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung - Google Patents
Ladegerät mit einer KompensationsschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät, das
eine wiederaufladbare Batterie bei konstanter Spannung lädt.
Die Bleispeicherbatterie, die Nickel-Cadmium-Batterie und
andere wiederaufladbare Batterien sind wegen ihrer Fähigkeit,
wiederholt geladen zu werden, allgemein bekannt. In den
letzten Jahren ist im Rahmen der Miniaturisierung und
Gewichtsreduktion elektronischer Geräte, wie etwa tragbare
Kommunikationsvorrichtungen, Notebooks, Personalcomputer und
Videokameras, die kleine, aber über eine hohe Kapazität
verfügende, wiederaufladbare Lithiumionenbatterie in
Erscheinung getreten. Wie in der japanischen
Patentoffenbarung 5-111184 beschrieben, die am 30. April 1993
ausgegeben worden ist, unterscheidet sich die
wiederaufladbare Lithiumionenbatterie von der durch
Konstantstrom aufgeladenen Nickel-Cadmium-Batterie dadurch,
daß sie mit einer konstanten Spannung geladen wird und
gleichzeitig den Ladestrom auf einen vorgeschriebenen Wert
begrenzt.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer
Konstantspannungsladeschaltung des Standes der Technik. Diese
Schaltung lädt eine wiederaufladbare Batterie B, die in einem
Batteriegehäuse P untergebracht ist. Das Batteriegehäuse P
enthält weiter eine Schutzschaltung S zur Verhinderung einer
übermäßigen Ladung oder Entladung der wiederaufladbaren
Batterie B.
Die Ladeschaltung ist mit einer
Gleichstromleistungsversorgung 1 zum Laden der Batterie,
einer Konstantstromsteuerschaltung 2 zur Steuerung des der
wiederaufladbaren Batterie B zugeführten Ladestromes und
einer Konstantspannungssteuerschaltung 3 zum Steuern der
Ladespannung ausgestattet, um die Spannung an der
Überschreitung eines vorbestimmten Wertes zu hindern.
Die Konstantstromsteuerschaltung 2 besteht aus zwei
Transistoren TR1 und TR2 sowie aus zwei Widerständen R1 und
R2. Wenn der die wiederaufladbare Batterie B ladende Strom
steigt, steigt auch der Spannungsabfall an R1, wodurch der
Basisstrom im Transistor TR2 zunimmt. Infolgedessen fällt der
Emitter-Kollektor-Widerstand von TR2 ab, wodurch die
Basisspannung von TR1 abnimmt. Als Folge davon nimmt der
Emitter-Kollektor-Widerstand von TR1 zu, wodurch der
Ladestrom zur wiederaufladbaren Batterie B abnimmt.
Wenn andererseits der Ladestrom der wiederaufladbaren
Batterie B abnimmt, nimmt auch der Emitter-Kollektor-
Widerstand von TR1 ab, wodurch der Ladestrom zur Batterie B
zunimmt. Auf diese Weise regelt die
Konstantstromsteuerschaltung 2 den Ladestrom der aufladbaren
Batterie B auf einen festen Wert (beispielsweise 1C).
Die Konstantspannungssteuerschaltung 3 besteht aus einer
Spannungserfassungsschaltung 4, die zwischen die Klemmen A-B
mit der Absicht geschaltet ist, die Spannung der im
Batteriegehäuse B befindlichen, wiederaufladbaren Batterie B
zu messen; einem Operationsverstärker 5, einer auf 4.2 V
eingestellten Spannungsbezugseinrichtung 6 und einer Diode 7.
Der Operationsverstärker 5 ist mit seiner invertierenden
Eingangsklemme an einen Spannungsteiler der
Spannungserfassungsschaltung 4 und mit seiner
richtinvertierende Eingangsklemme an die
Spannungsbezugseinrichtung 6 angeschlossen, während seine
Ausgangsklemme über die Diode 7 an die Basis des Transistors
TR1 angeschlossen ist.
Wenn die von der Spannungserfassungsschaltung 4 zwischen den
Klemmen A-B gemessene Spannung die Höhe der eingestellten
Spannung (4.2 V) der Spannungsbezugseinrichtung 6 aufweist
oder darunter liegt, ist die Ausgabe des
Operationsverstärkers 5 positiv. Daher wird die Diode 7 in
Sperrichtung vorgespannt, so daß aus der Basis des
Transistors TR1 kein Strom gezogen wird. Infolgedessen lädt
die Konstantstromsteuerschaltung 2 die wiederaufladbare
Batterie, ohne daß sie dabei durch die
Konstantspannungssteuerschaltung 3 beeinflußt wird.
Wenn andererseits die zwischen den Klemmen A-B gemessene
Spannung die eingestellte Spannung der
Spannungsbezugseinrichtung 6 erreicht, geht die Ausgabe des
Operationsverstärkers 5 nach Null. Dies zieht Strom aus der
Basis des Transistors TR1 in den Operationsverstärker 5,
wodurch der Emitter-Kollektor-Widerstand von TR1 und der
Ladestrom verringert werden. Mit anderen Worten wird das
Laden so gesteuert, daß die Spannung zwischen den Klemmen A-B
die eingestellte Spannung nicht überschreitet.
Auf diese Weise wird unter der Kontrolle der
Konstantstromsteuerschaltung 2 und der
Konstantspannungssteuerschaltung 3 die wiederaufladbare
Batterie B durch Konstantstrom und Konstantspannung geladen,
wie durch das Spannungs-Strom-Diagramm (V-I) der Fig. 9
dargestellt ist.
Im Rahmen der obigen Ausführungen wird die Spannung der
wiederaufladbaren Batterie B als die von der
Spannungserfassungsschaltung 4 zwischen den Klemmen A-B
gemessene Spannung betrachtet. Nun liegt aber nicht nur die
wiederaufladbare Batterie B zwischen den Klemmen A-B, sondern
auch eine Widerstandkomponente, die auf die
Schalteinrichtungen der Schutzschaltung S und die
Verbindungsdrähte zwischen A-B zurückzuführen ist. Der durch
diese Widerstandskomponente verursachte Spannungsabfall ist
in der Spannung zwischen den Klemmen A-B enthalten.
Infolgedessen ist die tatsächliche Klemmenspannung der
wiederaufladbaren Batterie B (nämlich die Spannung zwischen
den Klemmen C-D in Fig. 8) nicht konstant, sondern fällt bei
hohen Ladeströmen ab, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Die entstehende Ladekennlinie (nämlich Batteriespannung V,
Ladestrom I und Ladekapazität C) der wiederaufladbaren
Batterie B sind durch die durchgehenden Linien der Fig. 11
dargestellt. Infolgedessen dauert die tatsächliche
Batterieladezeit länger als die aufgrund der Ladekennlinie
(gestrichelte Linien) erwartete Zeit, entsprechend der V-I-
Kennlinie der Fig. 9.
Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein
Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung zu schaffen, die
die Ladezeit der wiederaufladbaren Batterie durch
Kompensieren des Spannungsabfalls aufgrund der
Widerstandskomponente herabsetzt.
Das Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung gemäß der
Erfindung ist mit einer Spannungserfassungsschaltung zur
Messung der zwischen den Klemmen der Beschaltung liegenden
Spannung, die die wiederaufladbare Batterie einbezieht, und
einer Ladesteuerschaltung zur Steuerung des Ladens der
Batterie, basierend auf der durch die
Spannungserfassungsschaltung gemessenen Spannung
ausgestattet, derart, daß die Spannung der wiederaufladbaren
Batterie eine vorgeschriebene Spannung nicht überschreitet.
Das Ladegerät mit Kompensationsschaltung ist weiter mit einer
Kompensationsschaltung zum Kompensieren der von der
Spannungserfassungsschaltung gemessenen Spannung um
mindestens den Spannungsabfall versehen, der durch die
Widerstandskomponente in der Beschaltung mit Ausnahme der
wiederaufladbaren Batterie verursacht wird.
Das Ladegerät mit Kompensationsschaltung gemäß der Erfindung
lädt eine Batterie bei gleichzeitigem Kompensieren der
Klemmenspannung der Beschaltung einschließlich der
wiederaufladbaren Batterie, gemessen durch die
Spannungserfassungsschaltung, um mindestens den
Spannungsabfall aufgrund der Widerstandskomponente in der
Beschaltung, mit Ausnahme der wiederaufladbaren Batterie. Als
Ergebnis dieser Kompensation regelt die Ladesteuerschaltung
das Laden nur auf der Basis der Klemmenspannung der
wiederaufladbaren Batterie.
Eine Ausführungsform des Ladegerätes mit
Kompensationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist
mit einer Spannungserfassungsschaltung zum Messen der an den
Klemmen der Beschaltung einschließlich der wiederaufladbaren
Batterie liegenden Spannung versehen, sowie mit einer
Ladesteuerschaltung zum Steuern des Ladens der Batterie auf
der Basis der durch die Spannungserfassungsschaltung
gemessenen Spannung, derart, daß die Spannung der
wiederaufladbaren Batterie eine vorgeschriebene Spannung
nicht überschreitet. Die Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist auch mit einer Kompensationsschaltung zum
Kompensieren der durch die Spannungserfassungsschaltung
gemessenen Spannung um mindestens den Spannungsabfall
versehen, der durch die Widerstandskomponente in der
Beschaltung mit Ausnahme der wiederaufladbaren Batterie
verursacht wird. Daher kann die Spannung der
wiederaufladbaren Batterie während des Ladens mit
Konstantspannung auf einen passenden Wert eingestellt werden,
wobei die wiederaufladbare Batterie rasch geladen werden
kann.
Fig. 1 ist ein Schaltbild, das eine Ausführungsform der
Ladeschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
der Ladeschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
der Ladeschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Ladekennlinie einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
einer noch weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 7 ist ein Schaltbild, das eine noch weitere
Ausführungsform der Ladeschaltung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
Fig. 8 ist ein Schaltbild, das eine Ladeschaltung des
Standes der Technik zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
einer Ladeschaltung des Standes der Technik zeigt;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Spannungs-Strom-Kennlinie
einer Ladeschaltung des Standes der Technik zeigt;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das eine Ladekennlinie des
Standes der Technik zeigt.
In Fig. 1 ist das Schaltbild einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Gemäß Fig. 1 ist ein
Kompensationswiderstand R5 an die negative Klemme der
Bezugsspannungseinrichtung 56 angeschlossen. Die Größe dieses
Kompensationswiderstandes R5 entspricht der
Widerstandskomponente zwischen den Klemmen 5A-5B mit Ausnahme
des Widerstandswertes der wiederaufladbaren Batterie 5B
zwischen den Klemmen 5C-5D. Mit anderen Worten ist der Wert
von R5 auf den Gesamtwiderstand der Schalteinrichtungen der
Schutzschaltung 5S, der Widerstandskomponente aufgrund der
Verbindungsdrähte und dem Kontaktwiderstand des
Batteriegehäuse 5P mit der Ladeschaltung eingestellt. Weiter
wird der Pegelanstieg eines der Differentialverstärker als
Spannungserfassungsschaltung 54 benutzt. Da der Rest der
Schaltung der gleiche wie der der Fig. 8 ist, weisen die
Komponentennummern die gleichen Ziffern unterster Ordnung
auf, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Wenn bei dieser Schaltungskonfiguration der Ladestrom die
Größe I und der Widerstand des Kompensationswiderstandes R5
die Größe r besitzt, entspricht die Spannung am
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 55 dem
Spannungsabfall I·r am Kompensationswiderstand R5 zuzüglich
zu den 4.2 V, die durch die Bezugsspannungseinrichtung
eingestellt ist (4.2 V + I·r). Dementsprechend wird die
Klemmenspannung 5A-5B gemäß Fig. 2 so gesteuert, daß die
Spannung mit dem Ladestrom linear ansteigt. Als Ergebnis wird
die Klemmenspannung 5C-5D der wiederaufladbaren Batterie 5B
konstant, wie in Fig. 3 gezeigt; die Ladekennlinie der
wiederaufladbaren Batterie 5B nimmt die durch die
gestrichelten Linien in Fig. 11 wiedergegebene Gestalt an;
und die Ladezeit wird nicht verlängert.
Wenn der Wert r des Kompensationswiderstandes R5 größer als
der Gesamtwiderstand der Schalteinrichtung der
Schutzschaltung 5S, der Widerstandskomponente aufgrund der
Verwendungsdrähte und der Kontaktwiderstand des
Batteriegehäuses 5B mit der Ladeschaltung gemacht wird, wird
eine Kennlinie der Klemmenspannung 5C-5D erhalten, wie sie in
Fig. 4 dargestellt ist. Wie Fig. 4 zeigt, kann die
Ladespannung bei hohen Ladeströmen größer gemacht werden als
die eingestellten 4.2 V, nämlich beispielsweise 4.3 V. Durch
Erhöhen von r ist ein höheres Niveau raschen Ladens möglich,
wie in Fig. 5 gezeigt ist.
In diesem Falle wird die wiederaufladbare Batterie bei einer
Spannung geladen, die die vorgeschriebene Spannung (4.2 V)
überschreitet, so daß die Gefahr der Beschädigung der
Batterie aufgrund von Überladung besteht. Es wird daher
empfohlen, daß die wiederaufladbare Batterie gegen
Beschädigung durch Überladen mit Hilfe eines in Reihe
geschalteten Entladungswiderstandes geschützt wird, der
parallel zum Batteriegehäuse umschaltbar ist, derart, daß der
Schalter nur während des Ladens der Batterie eingeschaltet
ist.
Bei der obigen Ausführungsform wurde der Spannungsabfall
aufgrund des Widerstandes der Schalteinrichtungen der
Schutzschaltung 55, der Widerstandskomponente aufgrund der
Verbindungsdrähte und des Kontaktwiderstandes des
Batteriegehäuses 5P mit der Ladeschaltung durch den
Widerstand R5 kompensiert. Die Kompensation ist aber nicht
auf die Verwendung eines Widerstandes beschränkt. Es kann
auch eine Diode verwendet werden. Im Falle der Diode ändert
sich die Kennlinie der Klemmenspannung 5C-5D in die in Fig. 6
dargestellte Kurve. Weiter kann für die Kompensation auch
eine geeignete Kombination von Dioden und Widerständen
verwendet werden.
Abschließend ist in Fig. 7 das Schaltbild einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform wird ein Digital/Analog-Umsetzer 1110
verwendet, um die Bezugsspannungseinrichtung 56 und den
Widerstand R5 der Fig. 1 zu ersetzen. Die Ausgangsspannung Vx
des Digital/Analog-Umsetzers 1110 wird durch eine
Kompensationssteuerung 1112 auf der Basis der Ergebnisse der
Ladestrommessungen gesteuert, die von der
Stromerfassungsschaltung 1111 ausgeführt werden. Die
Kompensationsschaltung 1112 steuert die Ausgangsspannung Vx
des Digital/Analog-Umsetzers 1110 derart, daß die
Klemmenspannung 11C-11D gemäß der Funktion Vx = f(I) mit
abnehmendem Ladestrom abnimmt. Diese Funktion kann eine
Funktion zweiter oder dritter Ordnung sein oder eine
zeitweise kontinuierliche Stufenfunktion.
Im vorliegenden Falle ebenso wie bei der ersten
Ausführungsform kann die wiederaufladbare Batterie 11B rasch
geladen werden.
Claims (11)
1. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung, umfassend:
- a) eine Spannungserfassungsschaltung zum Messen der Spannung an den Klemmen der Beschaltung einschließlich einer wiederaufladbaren Batterie;
- b) eine Ladesteuerschaltung zum Steuern des Ladens auf der Basis der Spannung, die durch die Spannungserfassungsschaltung gemessen wird, derart, daß die Spannung der wiederaufladbaren Batterie eine vorgeschriebene Spannung nicht überschreitet; sowie eine Verbesserung, die aufweist:
- c) eine Kompensationsschaltung, die dazu dient, mindestens die durch die Spannungserfassungsschaltung gemessene Spannung um den Spannungsabfall zu kompensieren, der durch eine Widerstandskomponente in der Beschaltung mit Aufnahme der wiederaufladbaren Batterie verursacht wird.
2. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
1, bei dem die Spannungserfassungsschaltung mit einer
Bezugsschaltungseinrichtung und einem
Operationsverstärker versehen ist, der eine erste und
eine zweite Eingangsklemme besitzt, und bei der die
Ausgangsspannung der Beschaltung einschließlich der
wiederaufladbaren Batterie an die erste Eingangsklemme
des Operationsverstärkers angelegt wird, während die
Bezugsspannung an die zweite Eingangsklemme des
Operationsverstärkers für die Kompensation angelegt
wird.
3. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
2, bei dem die Kompensationsschaltung mit einem
Kompensationswiderstand versehen ist, der in Reihe mit
der wiederaufladbaren Batterie geschaltet ist, wobei der
Kompensationswiderstand in Reihe mit der
Bezugsspannungseinrichtung geschaltet ist, und wobei der
Spannungsabfall am Kompensationswiderstand der Spannung
der Bezugsspannungseinrichtung hinzugefügt und an die
zweite Eingangsklemme des Operationsverstärkers angelegt
wird.
4. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
3, bei der der Widerstand des Kompensationswiderstandes
der Widerstandskomponente der Beschaltung mit Ausnahme
der wiederaufladbaren Batterie entspricht.
5. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
3, bei dem der Widerstand des Kompensationswiderstandes
größer als die Widerstandskomponente der Beschaltung mit
Ausnahme der wiederaufladbaren Batterie ist.
6. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
3, bei dem der Kompensationswiderstand eine Diode ist.
7. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
3, bei dem die Spannungserfassungsschaltung mit einem
Differentialverstärker versehen ist, wobei die
Klemmenspannung der Beschaltung einschließlich der
wiederaufladbaren Batterie an die erste Eingangsklemme
des Operationsverstärkers über den
Differentialverstärker angelegt wird, und die Spannung
am Kompensationswiderstand und an der
Spannungsbezugseinrichtung addiert und an die zweite
Eingangsklemme des Operationsverstärkers angelegt
werden.
8. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
2, bei der die Kompensationsschaltung mit einer
Stromerfassungsschaltung zum Messen des Ladestromes, und
einer Rechenschaltung zum Berechnen der Ladespannung der
wiederaufladbaren Batterie auf der Basis von Messungen
durch die Stromerfassungsschaltung versehen ist, und bei
dem die Bezugsspannungseinrichtung ein Digital/Analog-
Umsetzer zur Umwandlung der Rechenschaltungsausgabe in
einen Analogwert ist, und wobei der Digital/Analog-
Umsetzer an die zweite Eingangsklemme des
Operationsverstärkers angeschlossen ist und der
Operationsverstärker die Ausgangsspannung des
Digital/Analog-Umsetzers mit der Klemmenspannung der
Beschaltung einschließlich der wiederaufladbaren
Batterie vergleicht.
9. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
8, bei der die Rechenschaltung die Ausgangsspannung Vx
des Digital/Analog-Umsetzers als Funktion des
Ladestroms I der wiederaufladbaren Batterie berechnet,
derart, daß die Ausgangsspannungsfunktion Vx=f(I) des
Digital/Analog-Umsetzers mit abnehmendem Ladestrom
abnimmt.
10. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
9, bei dem Vx=f(I) eine (quadratische) Funktion zweiter
Ordnung ist.
11. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch
9, bei der Vx=f(I) eine (kubische) Funktion dritter
Ordnung ist.
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