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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf
ein Verfahren für
das Aufladen von Batteriezellen. Insbesondere kann die Erfindung
für das
Aufladen von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batteriezellen verwendet werden, welche
für eine
Verwendung als Stromversorgung bei tragbaren Elektronikgeräten geeignet
sind.
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STAND DER
TECHNIK
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Lithium-basierte
Batteriezellen haben dann eine Anwendung gefunden, als die Batterien
eine höhere
Leistungsfähigkeit
als beispielsweise Nickel-Metall-Hydrid-Batterien zeigten. Lithium-basierte
Sekundär-Batteriezellen
besitzen eine hohe Energiedichte, und haben deshalb eine breite
Anwendung gefunden, um die Batterienutz- oder Batteriebetriebszeit
zu erhöhen.
Insbesondere haben sich die Lithium-basierten Batteriezellen bei
tragbaren Elektronikgeräten
als nützlich
erwiesen, wie beispielsweise Mobilfunktelefonen, Laptop-Computern
und Personal Digital Assistants (PDAs). Ein Beispiel einer solchen Lithium-basierten
Batteriezelle ist die Lithium-Ionen-Batteriezelle,
wobei ein anderer Lithium-basierter Batterietyp mit einer sogar
höheren
Energiedichte die Lithium-Polymer-Batteriezelle ist.
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Lithium-basierte
Batteriezellen verzeihen kein Überladen.
Eine überladene
Bleisäurebatterie wird
etwas leicht ersetzbares Wasser elektrolytisieren, und versiegelte Nickel-Kadmium-Batterien
oder Metall-Hydrid-Batterien weisen Spannungen auf, welche bei voller
Ladung aufhören
zu steigen, aber die Spannung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle und einer
Lithium-Polymer-Batteriezelle steigt weiter, selbst während sie
bereits überladen
ist. Die Spannung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle steigt ganz deutlich
am Ende der Ladung. Ein charakterisierendes Merkmal bei Lithium-basierten
Batteriezellen ist, dass diese Batteriezellen einem solchen Überladen nicht
standhalten, und folglich muss deshalb das Überladen vermieden werden. Überladen
kann als Entfernung von zu vielen Lithium-Ionen von der positiven
Elektrode visualisiert werden. Nach dem Überladen tritt ein Leistungsabfall
auf.
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Eine
Möglichkeit
zur Bewältigung
des Überladerisikos
mit resultierendem Schaden für
die Batteriezelle war, einen Zwei-Schritt-Ladeprozess anzuwenden,
welcher als Constant Current Constant Voltage (CCCV) bekannt ist.
Gewöhnlich
beträgt
die Konstantspannung (CV) einer Lithium-Batteriezelle 4,2 V. Bei dem CCCV-Verfahren
wird die Batteriezelle zuerst mit einem Konstantstrom geladen, bis
die Spannung in der Zelle 4,2 V erreicht. Sobald dieser Pegel erreicht
wurde, steuert ein Ladesteuerungssystem das Laden der Zelle bei
einer Spannung von 4,2 V im nachfolgenden Schritt, und setzt das
Laden fort, bis der Ladestrom auf einen vorherbestimmten Stromwert
gefallen ist. Sobald der vorherbestimmte Strompegel festgestellt
wurde, oder ein gegebenes Zeitlimit erreicht wurde, wird angenommen,
dass die Batteriezelle vollständig
geladen ist.
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Jedoch
sind Lithium-basierte Batteriezellen nicht nur empfindlich gegenüber Überladen,
sie sind auch empfindlich gegenüber
dem Anlegen einer hohen Spannung und einem Laden mit einer hohen Spannung.
Das bedeutet, dass je länger
die Batterie einer hohen Spannung ausgesetzt ist, je mehr wird sie
an Lebensdauer verlieren. Ein Versuch dieses Problem zu bewältigen war,
einfach die Konstantspannung auf beispielsweise 4,1 V zu verringern.
Auf der anderen Seite wird sich mit einer solchen Lösung die
Kapazität
der Batteriezelle unvermeidlicherweise aufgrund einer geringeren
Ladespannung verringern.
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Ein
Problem bei dem Laden gemäß dem CCCV-Verfahren
ist, dass der Strom während
der Konstantspannungsphase exponentiell abnimmt, wobei der Strom
um so langsamer abnimmt, je näher
er seinem vorherbestimmten Wert kommt. Das bedeutet, dass an der
Batteriezelle während
eines verlängerten
Zeitraums eine hohe Spannung anliegt, wobei während dieses Zeitraums die
Batteriezelle beschädigt
werden kann. Ein Effekt der Strom-gesteuerten Ladeprozesszeit ist,
dass eine höhere
Ladung in den ersten Zyklen des Batteriezellenlebens aufgebracht wird.
Die Batteriezelle altert auch schneller am Anfang ihres Batterielebens,
und in einem späteren
Abschnitt des Batterielebens wird eine kleinere Ladung auf die Batteriezelle übertragen,
sobald das gleiche Stromsteuerungsverfahren angewendet wird. Folglich
resultiert dies in einer kürzeren
Batterienutzungszeit zwischen den Ladevorgängen, da die Batteriezelle
altert.
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Die
Erfindung gemäß dem Stand
der Technik US-A-6,107,802 zeigt ein anderes Batterieladeverfahren,
wobei die Batteriekapazität
durch eine Batteriekapazitätserfassungsschaltung
erfasst wird. Letztere kann verwendet werden, um zahlreiche Überwachungsvorgänge bei
der Batterie auszuführen,
indem der Ladungseingang in die Batterie erfasst wird, und indem
die aus der Batterie bei einem Entladevorgang entnommene Ladung
erfasst wird. Jedoch ist dieses gemäß dem Stand der Technik bekannte
Ladeverfahren nicht in der Lage, ein Ladeende derart zu wählen, sodass
die Nutzlebensdauer der Batterie erhöht wird.
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Folglich
besteht noch ein Verbesserungsbedarf auf dem Gebiet von Batteriezellen,
welche empfindlich gegenüber
einer hohen Spannung sind, um die Marktforderungen nach Lebensdauer
und hoher Kapazität,
das heißt
Batteriezeit, zu erfüllen.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben identifizierten
Schwachstellen mit Bezug auf den Stand der Technik zu beseitigen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Batteriezellenladevorrichtung
erfüllt, wobei
diese Vorrichtung umfasst, ein Stromsteuerungsmittel zum Liefern
eines Ladestroms bis ein vorherbestimmter Ladespannungswert erreicht
ist, einen Ladestatusdetektor, welcher vorgesehen ist, um einen
Ladeparameterwert zu erfassen, und ein Ladesteuerungsmittel, welches
eingestellt ist, um das Laden abhängig von einem vorherbestimmten
Ladekriterium mit Bezug auf diesen Ladeparameter zu beenden, wobei
dieses Ladekriterium ein Ladepegelwert ist.
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Dieses
Ladesteuerungsmittel umfasst, eine Ladesteuerungsvorrichtung zum
Bestimmen eines Lademesswerts, und eine Ladebeendigungsvorrichtung,
welche vorgesehen ist, um das Laden abhängig von diesem Lademesswert
und diesem Ladepegelwert zu beenden.
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Die
Ladesteuerungsvorrichtung ist eingestellt, um einen Ladestromabschaltmesswert
zu erfassen, welcher von der Ladestrommesseinheit gemessen wird,
sobald der Lademesswert den Ladepegelwert erreicht hat. Die Steuerungsvorrichtung
umfasst weiter, ein Hilfsmittel zum Vergleichen des Abschaltmesswerts
mit einem vorherbestimmten Abschaltwert, wobei die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt
ist, um den Ladepegelwert abhängig
von diesem Vergleich anzupassen.
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Vorzugsweise
umfasst der Ladeparameterwert eine Ladezeitmessung, welche von einer
Zeitmesseinheit vorgenommen wird.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Ladestrommesseinheit der Vorrichtung vorgesehen, um eine
Ladestrommessung vorzunehmen, wobei die Ladesteuerungsvorrichtung
eingestellt ist, um einen Lademesswert durch Berechnung unter Verwendung der
Ladezeitmessung und der Ladestrommessung zu bestimmen.
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Vorzugsweise
ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt, um den Ladestrommesswert über der
Ladezeit zu integrieren, welche von der Zeitmesseinheit geliefert
wird.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Vorrichtung weiter, eine Stromverbrauchsmesseinheit,
welche vorgesehen ist, um eine Stromverbrauchsmessung vorzunehmen,
wobei die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt ist, um einen Lademesswert
durch Berechnung unter Verwendung der Messung der Verbrauchszeit,
welche von der Zeitmesseinheit geliefert wird, und der Messung des
Stromverbrauchs zu bestimmen.
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Vorzugsweise
ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt, um den Stromverbrauchsmesswert über der
Verbrauchszeit zu integrieren, welche von der Zeitmesseinheit geliefert
wird.
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In
einer Ausführungsform
ist die Ladesteuerungsvorrichtung mit einem Ladestatusprotokollmittel verbunden,
und vorgesehen, um einen bestimmten Lademesswert in dem Ladestatusprotokollmittel
zu speichern.
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Vorzugsweise
ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt, um einen aktuellen
Ladewert zu bestimmen, durch Kombinieren eines gespeicherten Lademesswerts
und eines Lademesswerts, abhängig
von dem integrierten Strom über
der Zeit, wobei sich während
dieser Zeit die Ladung in der Batteriezelle ausgehend von dem gespeicherten
Lademesswert verändert
hat.
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Vorzugsweise
ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt, um den Ladepegelwert
zu verringern, sofern der Abschaltmesswert geringer ist als der
vorherbestimmte Abschaltwert. Die Steuerungsvorrichtung ist in einer
Ausführungsform
eingestellt, um den Ladepegelwert um einen vorherbestimmten Ladewert
zu verringern, und in einer anderen Ausführungsform um einen vorherbestimmten
Prozentsatz davon.
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In
einer anderen besonderen Ausführungsform
ist die Ladesteuerungsvorrichtung eingestellt, um einen Ladestromabschaltmesswert
zu erfassen, welcher von der Ladestrommesseinheit gemessen wird,
sobald der Lademesswert den Ladepegelwert erreicht hat. Die Steuerungsvorrichtung
umfasst weiter, ein Hilfsmittel zum Vergleichen des Abschaltmesswerts
mit einem vorherbestimmten Abschaltwert, wobei die Ladesteuerungsvorrichtung
eingestellt ist, um zu einem Zusatzladeschema abhängig von
dem Vergleich zu schalten.
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Das
Zusatzladeschema ist in einer Ausführungsform dazu bestimmt, das
Laden zu beenden, sobald der Ladestrom den vorherbestimmten Abschaltwert
erreicht hat. In einer anderen Ausführungsform ist das Zusatzladeschema
dazu bestimmt, das Laden zu beenden, nachdem eine vorherbestimmte
Ladezeit vergangen ist.
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Die
Vorrichtung kann in einem tragbaren Elektronikgerät enthalten
sein, an welchem die Batteriezelle befestigt werden kann.
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Alternativ
dazu kann die Vorrichtung mit der Batteriezelle verbunden werden,
wobei die Vorrichtung und die Batteriezelle in einem Batteriepackgehäuse enthalten
sind.
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In
noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung
in einem Batteriezellenladegerät
enthalten, welches mit der Batteriezelle verbunden werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung angepasst, um das Laden von Lithium-basierten
Batteriezellen zu steuern.
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Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung angepasst, um das Laden von Lithium-Polymer-Batteriezellen
oder Lithium-Ionen-Batteriezellen
zu steuern.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt wird die definierte Aufgabe durch ein Verfahren zum
Aufladen einer Batteriezelle erfüllt,
welches nachfolgende Schritte umfasst:
- – das Erfassen
einer Spannung in der Batteriezelle;
- – das
Liefern eines Ladestroms zu der Batteriezelle bis ein vorherbestimmter
Ladespannungspegelwert erreicht ist;
- – das
Bestimmen eines Lademesswerts einer Ladung, welche zu der Batteriezelle
durch den Ladestrom geliefert wird;
- – das
Beenden der Lieferung des Ladestroms abhängig von dem Messwert und dem
vorherbestimmten Ladepegelwert;
- – das
Erfassen eines Ladestromabschaltmesswerts, welcher durch die Ladestrommesseinheit gemessen
wird, sobald der Lademesswert den Ladepegelwert erreicht hat;
- – das
Vergleichen des Abschaltmesswerts mit dem vorherbestimmten Abschaltwert;
und
- – das
Anpassen des Ladepegelwerts abhängig von
dem Vergleich.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren weiter nachfolgende Schritte:
- – das
Bestimmen des Lademesswerts der Ladung, welche unter Verwendung
einer Ladezeitmessung geliefert wird..
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Messen
des Ladestroms; und
- – das
Bestimmen des Lademesswerts der Ladung, welche durch Berechnung
unter Verwendung der Ladezeitmessung und der Ladestrommessung geliefert
wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Messen
des Ladestroms; und
- – das
Bestimmen des Lademesswerts der Ladung, welche durch Integration
des Ladestrommesswerts über
der Ladezeit geliefert wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Bestimmen
eines Lademesswerts der Ladung, welche von der Batteriezelle unter
Verwendung einer Verbrauchszeitmessung abgeleitet wird.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Messen
eines Stromverbrauchs; und
- – das
Bestimmen eines Lademesswerts der Ladung, welche von der Batteriezelle
durch Berechnung unter Verwendung der Verbrauchszeitmessung und
der Stromverbrauchsmessung abgeleitet wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Messen
eines Verbrauchsstroms; und
- – das
Bestimmen eines Lademesswerts der Ladung, welche von der Batteriezelle
durch Integration des Stromverbrauchsmesswerts über der Verbrauchszeit abgeleitet
wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Speichern
eines bestimmten Lademesswerts in einem Ladestatusprotokollmittel.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Abrufen
eines gespeicherten Lademesswerts;
- – das
Bestimmen eines aktuellen Ladewerts durch Kombinieren des Lademesswerts,
abhängig
von dem über
der Zeit integrierten Strom, und des abgerufenen Lademesswerts;
und
- – das
Aktualisieren des Ladestatusprotokollmittels durch das Speichern
des aktuellen Ladewerts.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Überwachen
des aktuellen Ladewerts; und
- – das
Beenden des Ladens, sobald der aktuelle Ladewert den Ladepegelwert
erreicht hat.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Erstliefern
eines konstanten Ladestroms zu der Batteriezelle bis sich die Spannung
in der Batteriezelle auf einen vorherbestimmten Ladespannungspegelwert
erhöht
hat.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Verringern
des Ladepegelwerts, sofern der. Abschaltmesswert geringer ist als
der vorherbestimmte Abschaltwert.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Verringern
des Ladepegelwerts um einen vorherbestimmten Ladewert.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Verringern
des Ladepegelwerts um einen vorherbestimmten Prozentsatz davon.
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In
einer anderen besonderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Erfassen
eines Ladestromabschaltmesswerts, welcher durch die Ladestrommesseinheit gemessen
wird, sobald der Lademesswert den Ladepegelwert erreicht hat;
- – das
Vergleichen des Abschaltmesswerts mit einem vorherbestimmten Abschaltwert;
und
- – das
Schalten zu einem Zusatzladeschema, abhängig von dem Vergleich.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt:
- – das Bestimmen
des Ladeendes bei dem Zusatzladeschema, sobald der Ladestrom auf
den vorherbestimmten Abschaltwert abgefallen ist.
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In
einer anderen besonderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte:
- – das Bestimmen
des Ladeendes bei dem Zusatzladeschema, sobald eine vorherbestimmte
Ladezeit vergangen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Verfahren zur Steuerung des Ladens bei Lithium-basierten
Batteriezellen verwendet.
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Vorteilhafterweise
wird die Verfahrensvorrichtung zur Steuerung des Ladens von Lithium-Polymer-Batteriezellen
oder Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
detaillierter beschrieben, welche nur beispielhaft angegeben sind,
und in den Begleitzeichnungen dargestellt sind, bei welchen:
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die 1 schematisch
eine exemplarische Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt;
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die 2 ein
Diagramm zeigt, welches die gemessene Entladekapazität einer
Batteriezelle darstellt, welche entsprechend der ersten Ausführungsform
der Erfindung geladen wurde, und eine entsprechende Messung einer
Batteriezelle, welche entsprechend einem Verfahren vom Stand der
Technik geladen wurde; und
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die 3 ein
Diagramm zeigt, welches die gemessene Entladekapazität einer
Batteriezelle darstellt, welche entsprechend der zweiten Ausführungsform
der Erfindung geladen wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Beschreibung bezieht sich auf Batteriezellen für eine Verwendung
in einem Elektronikgerät,
beispielsweise in Kommunikationsendgeräten oder in Datenverarbeitungsendgeräten. Ein
Kommunikationsendgerätetyp,
für welchen
die Erfindung geeignet ist, ist das tragbare Funkkommunikationsendgerät, wie beispielsweise
ein Mobilfunktelefon. Jedoch kann die Erfindung bei vielen Elektronikgerätetypen
angewendet werden, besonders bei tragbaren Elektronikgeräten, wie
beispielsweise Pagern, Kommunikationsgeräten, Elektronikorganizern, Smartphones,
PDAs (Personal Digital Assistants), Laptop-Computern, und so weiter.
Darüber
hinaus ist zu betonen, dass der Begriff "umfasst", sobald er in dieser Beschreibung und
in den beigefügten
Ansprüchen
verwendet wird, um dazugehörige
Merkmale, Elemente oder Schritte anzuzeigen, keinesfalls so zu interpretieren
ist, dass er das Vorhandensein von anderen Merkmalen, Elementen
oder Schritten, als den ausdrücklich
erklärten
Merkmalen, Elementen oder Schritten ausschließt.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
der Vorrichtung. Es ist zu betonen, dass die Elemente der Zeichnung
als funktionelle Elemente mit kommunikativen Verbindungen dargestellt
sind, was bedeutet, dass sie nicht notwendigerweise physikalische
Entitäten
repräsentieren.
Hilfsmittel zum Berechnen und zum Steuern eines Prozesses oder eines
Gerätes
können
in Hardware realisiert werden, aber können auch in vielen Fällen durch
ein Mikroprozessorsystem mit zugeordneter Software realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann folglich sowohl Hardware als auch
Software umfassen.
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Die
Ladesteuerungsvorrichtung einer Batteriezelle kann in einem Elektronikgerät implementiert werden,
wie beispielsweise einem Mobilfunktelefon. Alternativ dazu ist die
Vorrichtung in einem Gehäuse enthalten,
in welchem die Batterie gelagert ist. Eine andere Alternative ist
es, die Vorrichtung in einem Ladegerät zu implementieren, welches
mit einer Stromversorgung verbunden werden kann, wie beispielsweise
einem Stromnetzausgang.
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Die 1 zeigt
eine Batteriezelle 4, welche eine Lithium-Ionen-Batteriezelle
oder eine Lithium-Polymer-Batteriezelle
mit zwei Polen sein kann. Wie durch die gestrichelten Linien links
in der Zeichnung angezeigt wird, kann die Batteriezelle 4 mit
der Ladevorrichtung der Batteriezelle 4 verbunden werden.
Am anderen Ende ist eine Stromversorgung 8 abgebildet,
bei welcher es sich um ein Batteriezellenladegerät handeln kann, welches mit
einem Elektronikgerät
verbunden werden kann, in welchem die Vorrichtung und die Batteriezelle 4 gelagert
sind. Die Stromversorgung 8 versorgt folglich die Ladevorrichtung
der Batteriezelle 4 mit elektrischer Energie. Beim Laden
der Batteriezelle 4 wird ein modifiziertes Verfahren entsprechend
dem CCCV-Verfahren angewendet. Eine Ladebeendigungsvorrichtung 5 ist
in Form eines Schalters 5 vorhanden, welcher in einen geöffneten
Zustand zum Unterbrechen der Ladeverbindung mit der Batteriezelle 4 geschaltet
werden kann. Ein Spannungsmessgerät oder Spannungsüberwachungsgerät 3 erfasst
die an der Batteriezelle 4 anliegende Spannung. Ein Stromsteuerungsmittel 2 ist
zumindest mit einem der Batteriepolanschlüsse verbunden.
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Sobald
die Batterie 4 zu laden ist, wird eine erste Ladephase
mit einem Konstantstrom ausgeführt,
welcher durch das Steuerungsmittel 2 gesteuert wird. Nach
Lieferung dieses Konstantstroms erfasst die Spannungsüberwachungsvorrichtung 3 die an
der Batteriezelle 4 anliegende Spannung, deren Spannung
mit fortschreitender Ladung ansteigt. Sobald die Spannung einen
vorherbestimmten Ladespannungspegelwert erreicht hat, welcher beispielsweise
für eine
Lithium-Polymer-Batteriezelle
oder eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 4,5 Volt beträgt, wird diese
Spannung durch eine Spannungsüberwachungsvorrichtung 3 erfasst,
und an die Stromsteuerungseinheit 2 gemeldet, wie durch
den Pfeil angezeigt ist, der die zwei Elemente in der Zeichnung
verbindet.
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Sobald
der Ladespannungspegelwert erreicht wurde, wird das Laden entsprechend
dem Konstantspannungsverfahren fortgesetzt. Da die Batteriezelle
bei dem Ladespannungspegelwert geladen wird, nimmt der in die Batteriezelle 4 fließende Ladestrom
kontinuierlich ab. In dieser Ladephase ist ein Zielwert oder ein
Zielpegel zu verwenden, um zu bestimmen, wann das Laden zu beenden
ist, da es nicht wünschenswert
ist, eine hohe Spannung an der Batteriezelle länger als notwendig anzulegen,
wegen der Alterung, die dadurch verursacht wird. Der Stromgesteuerte
Ladekonstantspannungsabschnitt ist erfindungsgemäß dazu bestimmt, die Batteriezelle
vollständig
zu laden. In anderen Worten, das Laden wird so lange fortgesetzt,
bis bestimmt wird, dass ein vorherbestimmter Ladepegel erreicht
ist. Dies wird durch eine Ladesteuerungsvorrichtung 1 ausgeführt, welche
den zu der Batteriezelle 4 fließenden Strom erfasst und misst.
In der exemplarischen Zeichnung wird angezeigt, dass die Stromsteuerungseinheit 2 auch
als eine Ladestrommesseinheit agiert, welche vorgesehen ist, eine
Ladestrommessung vorzunehmen. Jedoch kann in einer alternativen
Ausführungsform
diese Ladestrommessung durch eine separate Einheit vorgenommen werden.
Darüber
hinaus ist die Ladesteuerungsvorrichtung 1 mit einer Zeitmesseinheit 6 verbunden.
Die Ladesteuerungsvorrichtung 1 berechnet die zu der Batteriezelle 4 während des
Ladens gelieferte Ladung, indem der Ladestrommesswert über der
Ladezeit integriert wird. Auf diese Weise erhält man einen Lademesswert entsprechend
der zu der Batteriezelle 4 gelieferten Lademenge.
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Sobald
die Ladesteuerungsvorrichtung erkennt, dass die Gesamtladung in
der Batteriezelle 4 den vorherbestimmten Ladepegel erreicht
hat, steuert sie die Ladebeendigungsvorrichtung 5 an, um
den Stromzufluss zu der Batteriezelle 4 zu stoppen.
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Sobald
das Elektronikgerät
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
entsprechend seinem Verwendungszweck genutzt wird, beispielsweise zum
Telefonieren im Falle eines Mobilfunktelefons, wird Strom aus der
Batteriezelle 4 durch die Elektronik 9 des Elektronikgeräts entnommen.
Auch in diesem Betriebsmodus wird der aus der Batteriezelle 4 entnommene
Strom durch eine Stromverbrauchsmesseinheit gemessen. In der exemplarischen Zeichnung
ist angezeigt, dass die Stromsteuerungseinheit 2 auch als
eine Stromverbrauchsmesseinheit agiert, welche vorgesehen ist, eine
Messung des aus der Batteriezelle 4 entnommenen Stroms
vorzunehmen. Jedoch kann diese Stromverbrauchsmessung in einer alternativen
Ausführungsform
durch eine separate Einheit vorgenommen werden. Die Ladesteuerungsvorrichtung 1 integriert
den Stromverbrauchsmesswert über
der Verbrauchszeit, welche durch eine Zeitmesseinheit 6 erfasst
wird, welche in dieser Ausführungsform
die gleiche Zeitmesseinheit ist, wie die Zeitmesseinheit, welche
für die
Ladezeit verwendet wird. Der integrierte Lademesswert kann beispielsweise
verwendet werden, um eine Batterieladewarnung an den Bediener zu
senden, als ein Hinweis, dass es Zeit ist, die Batteriezelle 4 zu
laden. Jedoch wird in dieser Erfindung der Lademesswert, entsprechend
der aus der Batteriezelle 4 entnommenen Lademenge, auch
indirekt verwendet, um das Laden zu steuern. Ein Ladestatusprotokollmittel 7,
welches einen Speicher zum Speichern von Lademesswerten umfasst,
ist mit der Ladesteuerungsvorrichtung 1 verbunden. Jede Änderung
in der Ladung der Batteriezelle 4 wird durch die Strommesseinheit 2 erfasst, und
durch die Ladesteuerungsvorrichtung 1 berechnet. Der vorherrschende oder
aktuelle Ladewert der Batteriezelle 4 wird in dem Ladestatusprotokollmittel 7 gespeichert.
Wenn die Batteriezelle geladen wird, erhöht sich die Ladung der Batteriezelle 4 um
den gemessenen Ladewert, welcher dann zu dem aktuellen Ladewert
in dem Ladestatusprotokollmittel 7 addiert wird. Weiter
reduziert sich, wenn Strom aus der Batteriezelle 4 entnommen
wird, die Ladung der Batteriezelle 4 um einen gemessenen
Ladewert, welcher dann von dem aktuellen Ladewert in dem Ladestatusprotokollmittel 7 subtrahiert
wird. Auf diese Weise wird der aktuelle Ladewert in dem Ladestatusprotokollmittel 7 ständig aktualisiert,
und es ist dieser aktuelle Ladewert, welchen die Ladesteuerungsvorrichtung 1 mit
dem vorherbestimmten Ladepegel vergleicht, um zu bestimmen, wann
die Beendigungsvorrichtung 5 anzusteuern ist, um das Laden
zu stoppen.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm über
insgesamt 400 Ladezyklen für
eine Lythium-Polymer-Batteriezelle mit 720 mAh, bei einer Ladung
entsprechend einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, und bei einer Ladung entsprechend dem CCCV-Verfahren
gemäß dem Stand
der Technik. Auf der linken Seite des Diagramms zeigt die vertikale
Achse die mögliche
Entladekapazität
der entsprechenden Batteriezelle an, das heißt, die Ladungsmenge, welche aus
der Batterie nach dem Aufladen entnommen werden kann. Auf der rechten
Seite des Diagramms zeigt die vertikale Achse den Ladestrom an,
wenn das Laden beendet ist, den so genannten Abschaltstrom.
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Die
gestrichelte Linie 21 zeigt die Entladekapazität in mAh
für eine
Batteriezelle an, welche gemäß dem Stand
der Technik geladen wurde, wobei ein konstanter Abschaltstrom von
50 mA in jedem Zyklus verwendet wurde. Der Abschaltstrom für einen Fall
gemäß dem Stand
der Technik ist nicht in der Zeichnung enthalten, aber würde offensichtlich
durch eine horizontale Linie bei 50 mA dargestellt werden. Es ist
anzumerken, dass der Abschaltstrom nicht mit dem Konstantstrom während der
CC-Phase des Ladens
verwechselt werden sollte. Der Abschaltstrom stellt keinen Konstantstrom
dar, sondern einen am Ende der CV-Phase erhaltenen Stromwert. Wie
aus der Zeichnung ersichtlich ist, überschreitet die Entladekapazität bei den
Anfangszyklen deutlich die angegebene Kapazität von 720 mAh. Jedoch trägt das hohe
Aufladen zu dem Alterungseffekt der Batteriezelle bei, und nach
nur zirka 30 Zyklen ist die Entladekapazität auf einen Wert unter den
Pegelwert von 720 mAh abgefallen. Es ist außerdem ersichtlich, dass die
Entladekapazität
konstant durch jeden Zyklus hindurch abnimmt.
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Gemäß der Erfindung
wird das Laden durch die Entladekapazität bestimmt, und deswegen ist
die Entladekapazität
nach jedem Zyklus immer die gleiche, in diesem Fall 720 mAh.
Dies wird durch die vollständig
gezeichnete Linie 22 dargestellt, welche eine Messung bei
einer Batteriezelle anzeigt, welche in Übereinstimmung mit dieser ersten
Ausführungsform der
Erfindung geladen wurde. Ein Nutzen der Erfindung gemäß dieser
ersten Ausführungsform
ist folglich, dass der Nutzer immer weiß, wie viel Kapazität er oder
sie nach einer vollständigen
Ladung zur Verfügung
hat. Die gepunktete Linie 23 zeigt den gemessenen Abschaltstrom
für eine
Batteriezelle an, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren geladen wurde.
Wie gesehen werden kann, ist er weit davon entfernt, konstant zu
sein. Tatsächlich
fällt er
mit fortschreitender Alterung der Batterie ab, da eine längere Ladezeit
benötigt
wird, um den Kapazitätszielwert zu
erreichen.
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Die 3 zeigt
eine zweite Ausführungsform der
Erfindung in einem Diagramm, ähnlich
dem Diagramm von 2, obwohl die Entladekapazitätskurve
gemäß einem
Verfahren vom Stand der Technik nicht abgebildet ist. Die gepunktete
Kurve 32 in 3 zeigt einen Abschaltstrommesswert
in einer erfindungsgemäßen Prototypvorrichtung,
das heißt,
den Ladestromwert bei dem erreichten Entladekapazitätszielwert
oder dem erreichten Ladepegelwert 33. Bei fortschreitender
Alterung einer Lithium-basierten Batteriezelle nimmt die benötigte Ladezeit
zum Erreichen des Entladekapazitätszielwerts
zu. Jedoch ist, wie oben beschrieben, das Risiko für eine Abnahme der
Lebensdauer umso größer, je
länger
eine Lithium-basierte Batteriezelle einer hohen Spannung ausgesetzt
ist. An einem Punkt ist deshalb zu bestimmen, dass sich die Ladezeit
auf einen für
die Batteriezelle schädlichen
Wert erhöht
hat. Zum Schutz gegen ein solches Szenario definiert die zweite
Ausführungsform
der Erfindung eine Konstantspannungsladephase, welche in zwei oder
mehrere Teilphasen aufgeteilt ist, wobei die Konstantspannungsladephase
in der abgebildeten Ausführungsform
in zwei Teilphasen aufgeteilt ist. Im Vergleich zu der Ausführungsform
von 2 wurde hier ein zusätzlicher Ladeparameter, nämlich der
Abschaltstrom, hinzugefügt.
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Während des
Ladens der Batteriezelle wird der Abschaltstrom durch die Strommesseinheit 2 überwacht,
und wird, solange wie der Abschaltstrom größer ist als ein vorherbestimmter
Abschaltwert, das Ladeverfahren in der gleichen Art und Weise ausgeführt, wie
bei dem Prozess gemäß 2.
Dies wird in der 3 durch die Teilphase 30 dargestellt.
Tests und Simulationen haben gezeigt, dass ein Abschaltstrom bis
hinunter zu 20 bis 30 mA angelegt werden kann, ohne eine Lithium-basierte
Batteriezelle ernsthaft zu schädigen,
aber aufgrund der Messgenauigkeit und anderen Faktoren wird ein
Abschaltstromwert von 40 bis 50 mA als vorherbestimmter Abschaltwert
passend verwendet, das heißt,
als niedrigster zulässiger
Abschaltstrom. Dies wird auch in der Zeichnung durch den Endwert
der punktierten Abschaltstromkurve 32 in Teilphase 30 durch
einen Pfeil bei 34 angezeigt. Die Strommessvorrichtung 2 kann
sowohl für
das Messen des aktuellen Abschaltstroms als auch für das Vergleichen
des aktuellen Abschaltstroms mit einem vorherbestimmten Abschaltwert
verantwortlich sein, und für
das Melden an die Ladesteuerungsvorrichtung 1, sobald der
Abschaltwert erreicht wurde. Alternativ dazu wird der gemessene
Abschaltstrom an die Ladesteuerungsvorrichtung 1 signalisiert,
bei welcher der Vergleich ausgeführt
wird.
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Sobald
dieser Punkt 34 erreicht ist, das heißt, sobald ein Abschaltstrom
gleich oder niedriger als der vorherbestimmte Abschaltwert festgestellt wurde,
reduziert die Ladesteuerungsvorrichtung 1 den Ladungspegelzielwert 33 um
eine vorherbestimmte Schrittweite. Dies kennzeichnet den Start einer
zweiten Teilphase 31 des Konstantspannungsladens. In einer
Ausführungsform
wird das Ladestatusprotokollmittel 7 als ein Speicher zum
Speichern des Entladekapazitätszielwerts
oder des Ladepegelwerts 33 verwendet, welches als solches
auch bei der Ausführungsform
gemäß 2 anwendbar
ist. Sobald der Stromabschaltwert festgestellt ist, führt die
Ladesteuerungsvorrichtung 1 das Verringern des Entladekapazitätszielwerts 33 aus,
indem der im Ladestatusprotokollmittel 7 gespeicherte Wert
modifiziert wird. In einer besonderen Ausführungsform wird das Verringern
ausgeführt,
indem der Entladekapazitätszielwert
um einen vorherbestimmten Ladewert reduziert wird, welcher 5 bis
100 mAh, oder noch genauer 20 bis 70 mAh, beispielsweise 50 mAh
sein kann. In einer alternativen spezifischen Ausführungsform
wird der Entladekapazitätszielwert
um einen bestimmten Prozentsatz von seinem aktuellen Wert reduziert,
beispielsweise um 1 bis 20 Prozent, oder noch genauer um 2 bis 10
Prozent, beispielsweise um 5 Prozent.
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Bei
dem abgebildeten Beispiel repräsentiert die
vollständig
gezeichnete Linie 33 den von der Anzahl von Entladezyklen
abhängigen
Entladekapazitätszielwert,
welcher an der linken vertikalen Achse abzulesen ist. Bei der Prototypvorrichtung,
an welcher die Messungen von 3 vorgenommen
wurden, wurde ein vorherbestimmter Abschaltwert von zirka 45 mA
nach näherungsweise
350 Entladezyklen erreicht, angezeigt in der Zeichnung durch Bezugsziffer 34.
Der Entladekapazitätszielwert
wurde dann um 5 Prozent von 720 mAh auf 684 mAh reduziert. Dadurch
wurde der in dem nachfolgenden Zyklus gemessene Abschaltstrom 32 automatisch
um näherungsweise
45 mA erhöht.
Jedoch wird sich der Abschaltstrom natürlich weiter mit jedem Zyklus
aufgrund des Alterns der Batteriezelle reduzieren. Dies kann auch
deutlich in 3 gesehen werden. Es ist unnötig zu erwähnen, dass
die in 3 angegebenen Pegelwerte lediglich von exemplarischer
Natur sind.
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In
einer besonderen Variante der Ausführungsform gemäß 3 läuft die
zweite Teilphase 31 in der gleichen Art und Weise ab wie
die erste Teilphase 30, welches bedeutet, dass, sofern
der Abschaltstrom 32 noch einmal unter einen vorherbestimmten
Abschaltwert fällt,
eine neue Verringerung bei dem Entladekapazitätszielwert 33 vorgenommen wird.
Der vorherbestimmte Abschaltwert und die Entladekapazitätszielwertverringerung
bei der zweiten Teilphase 32 können die gleichen sein, wie
bei der Teilphase 31, oder sie können unterschiedlich sein. Offensichtlich
kann dieser Prozess für
jede gewünschte
Anzahl von Teilphasen wiederholt werden, bis das Ende der Lebensdauer
erreicht ist. Dies kann beispielsweise als ein gegebener Prozentsatz
definiert werden, beispielsweise als 80 Prozent des Entladekapazitätsursprungswerts.
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Ein
Vorteil dieser zweiten Ausführungsform der
Erfindung besteht darin, dass die Lebensdauercharakteristik sogar
noch weiter im Vergleich zu der ersten Ausführungsform verbessert werden
kann. Die Entladekapazität
wird geringfügig
niedriger sein, sobald der Entladekapazitätszielwert verringert wird, aber
die Lebensdauer wird verlängert.
Natürlich
wird auch die Ladezeit abnehmen, sobald der Entladekapazitätszielwert
verringert wird, welches vom Nutzer gewünscht wird.
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In
einer alternativen Variante der zweiten Ausführungsform, welche auch vorgesehen
ist, um zu garantieren, dass ein vorherbestimmter Abschaltwert nicht überschritten
wird, wird die zweite Teilphase durch Verringerung des Entladekapazitätszielwerts
nicht gestartet. Stattdessen wird, sobald festgestellt ist, dass
der Abschaltstrom den vorherbestimmten Abschaltwert erreicht hat,
das Laden in der zweiten Teilphase durch ein herkömmliches
Timer-basiertes Laden oder durch ein Abschaltungs-basiertes Laden
gesteuert. Das bedeutet, dass es keinen plötzlichen Abfall bei dem Entladekapazitätszielwert
geben wird, aber dann wird wieder in den meisten Fällen das
durch beispielsweise einen vorherbestimmten Abschaltwert in der
zweiten Teilphase gesteuerte Laden nicht in der gleichen Lebensdauerverlängerung
resultieren, wie bei dem in 3 vorgeschlagenen
Verfahren. Doch wird das bei dem CV-Prozess vom Stand der Technik auftretende
unnötige Überladen
in der ersten Teilphase vermieden, sobald der Entladekapazitätszielwert
zur Ladungssteuerung verwendet wird.
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Oben
wurden die Prinzipien, die bevorzugten Ausführungsformen und die Betriebsarten
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch sollte daraus nicht
der Schluss gezogen werden, dass die Erfindung auf die besonderen,
oben diskutierten Ausführungsformen
beschränkt
ist, welche eher als illustrative Ausführungsformen als restriktive
Ausführungsformen
betrachtet werden sollten. Es sollte deshalb geschätzt werden,
dass Variationen bei diesen Ausführungsformen
durch Fachleute vorgenommen werden können, ohne den Anwendungsbereich
der vorliegenden Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert,
zu verlassen.