DE4431620A1

DE4431620A1 - Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung

Info

Publication number: DE4431620A1
Application number: DE4431620A
Authority: DE
Inventors: Mikitaka Tamai
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1995-03-23
Also published as: US5557192A; JPH0795733A; JP2846800B2; TW332352B

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 V_x 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 V_x des Digital/Analog-Umsetzers 1110 derart, daß die Klemmenspannung 11C-11D gemäß der Funktion V_x = 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

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 V_x des Digital/Analog-Umsetzers als Funktion des Ladestroms I der wiederaufladbaren Batterie berechnet, derart, daß die Ausgangsspannungsfunktion V_x=f(I) des Digital/Analog-Umsetzers mit abnehmendem Ladestrom abnimmt.

10. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch 9, bei dem V_x=f(I) eine (quadratische) Funktion zweiter Ordnung ist.

11. Ladegerät mit einer Kompensationsschaltung nach Anspruch 9, bei der V_x=f(I) eine (kubische) Funktion dritter Ordnung ist.