DE69824887T2

DE69824887T2 - Verfahren und vorrichtung zum laden einer wiederaufladbaren batterie

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Publication number: DE69824887T2
Application number: DE69824887T
Authority: DE
Inventors: Kim Ostergaard; Martinus Otto NIELSEN; Arthur Kim ANDERSEN; Jesper Michelsen; Kim Rasmussen
Original assignee: CHARTEC LAB AS CHARLOTTENLUND; Chartec Laboratories AS
Current assignee: CHARTEC LAB AS CHARLOTTENLUND; Chartec Laboratories AS
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: EP1040547B1; AU9338298A; DE69824887D1; US20020000788A1; JP2003503992A; WO1999017418A1; US5994878A; ATE270467T1; EP1040547A1; JP4088414B2; CN1227796C; CN1302467A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung das spannungsgesteuerte Laden von Batterien. Die Erfindung erstreckt sich auf Batterien, die mit einer Batterieschutzschaltung verbunden sind, die das Laden der wiederaufladbaren Batterie unterbricht, wenn die Batteriespannung eine Schwellenspannung der Schutzschaltung erreicht, und auf Batterien ohne Schutzschaltung.
Bekanntlich gibt es beim Laden einer wiederaufladbaren Batterie oder einer Sekundärbatterie, z. B. einer NiCd-(Nickel-Cadmium-) oder NiMH-(Nickel-Metallhydrid-)Batterie einen Schnelladevorgang, bei dem ein relativ hoher konstanter Ladestrom an der Batterie angelegt wird, bis ein bestimmtes Ereignis eintritt. Dieses Ereignis könnte eine plötzliche Zunahme der Batterietemperatur oder ein Abfall der Klemmenspannung der Batterie sein.
Allerdings wird beim Laden solcher wiederaufladbarer Batterien wie Bleiakkumulatoren, Lithiumbatterien, u. a. Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien und Lithium-Festkörper-Batterien, kein bestimmtes Ereignis für den Volladezustand detektiert. Allgemein wird diese Art von Batterien zunächst mit einem Konstantstrom geladen, bis die detektierte Batteriespannung eine vorbestimmte Vollade- oder Ladeschlußspannung erreicht. Danach wird in einem zweiten Ladeschritt die Spannung auf ihrer Ladeschlußspannung gehalten, während der Ladestrom abfällt, bis er einen vorbestimmten kleinen Wert erreicht, der anzeigt, daß die Batterie voll geladen ist.
In der US-A-5637981 wird diskutiert, daß sich eine wiederaufladbare oder Sekundärbatterie aus einer idealen Batterie und einem Innenwiderstand zusammensetzt und daß sich eine Konstantspannungsschaltung zum Laden im zweiten Ladeschritt auch aus einer idealen Konstantspannungsschaltung und einem Innenwiderstand zusammensetzt. Somit erzeugt der Ladestrom einen Spannungsabfall über diesen Innenwiderständen mit dem Ergebnis, daß die an der idealen Batterie angelegte Ladespannung im Konstantspannungs-Lademodus reduziert ist, was zu einer verlängerten Ladezeit führt.
Um also eine kürzere Ladezeit zu erhalten, muß mit einer hohen Ladespannung geladen werden, die höher als die Ladeschluß- oder Volladespannung ist, berücksichtigt man den Spannungsabfall über den Innenwiderständen. Hat aber die wiederaufladbare Batterie eine eingebaute Schutzschaltung, die das Laden stoppt, wenn die Ladespannung höher als eine vorbestimmte Schwellenspannung wird, stoppt diese Schutzschaltung normalerweise den Ladevorgang beim Laden mit einer solchen hohen Ladespannung.
Eine Lösung für dieses Problem schlägt die US-A-5637981 vor, bei der das Ladegerät individuell an einen spezifischen Batteriesatz angepaßt ist und den Schutzbetrieb der Schutzschaltung sperren kann, was eine höhere Ladespannung ermöglicht. In der US-A-5654622 ist eine ähnliche Lösung vorgeschlagen, bei der ein Ladegerät die Schutzschaltung auf eine höhere Schwellenspannung programmieren kann, was eine höhere Ladespannung für mindestens einen Teil des Ladevorgangs ermöglicht.
Ein gemeinsamer Nachteil der o. g. Ladevorgänge ist der Eingriff in die Schutzschaltung, was den Betrieb dieser Schaltung ändert oder sperrt. Dies könnte zu falscher Programmierung der Schutzschaltung mit dem Ergebnis einer Überladung der Batterie führen, was wiederum die Batterie zerstören oder beeinträchtigen könnte.
Die US-A-5572110 beschreibt ein intelligentes Batterieladegerätesystem mit einem intelligenten Batterieladegerät, das auf Ladebefehle einer intelligenten Batterie reagiert. Die intelligente Batterie weist einen Speicher auf, der batteriespezifische Ladekennwerte speichert. Die intelligente Batterie bestimmt eine Soll-Ladespannung und einen Soll-Ladestrom auf der Grundlage gemessener Umgebungsbedingungen, z. B. Batterietemperatur, und der Ladekennwerte. Ein Bus ermöglicht der intelligenten Batterie, die Soll-Ladespannung und den Soll-Ladestrom dem intelligenten Batterieladegerät zu übermitteln. Das intelligente Batterieladegerät erzeugt die Ist-Ladespannung und den Ist-Ladestrom als Reaktion auf die Soll-Ladespannung und den Soll-Ladestrom.
Die EP-A-0862256 beschreibt ein Batterieladesystem, das eine wiederaufladbare Batterie mit mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle, Batterieklemmen und einer Informationseinrichtung aufweist, die Informationen über die Batterie in Form eines Informationscodes enthält. Die Ladevorrichtung weist eine Informationsempfangseinrichtung zum elektronischen Lesen oder Erfassen des Informationscodes auf. Zudem weist die Ladevorrichtung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Ladevorgangs auf der Grundlage des Informationscodes auf. Der Informationscode speichert eine einzige maximale Ladespannung.
Somit besteht Bedarf an einem Batterieladeverfahren und einer Vorrichtung, die einen Ladevorgang ermöglichen, bei dem die Batterie mindestens während eines Teils des Ladevorgangs mit einer Ladespannung geladen wird, die höher als die Ladeschlußspannung ist, was ein schnelles Laden ermöglicht, wobei aber der Ladevorgang so gesteuert wird, daß eine Aktivierung der vorprogrammierten Schutzschaltung vermieden wird.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren oder Sekundärbatterie bereit, die mit einer Schutzschaltung verbunden ist, wobei die Schutzschaltung den Ladevorgang unterbricht, wenn die an der Schutzschaltung angelegte Spannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht. Gemäß einem Verfahren der Erfindung kann der Ladevorgang optimal so gesteuert werden, daß die durch die Schutzschaltung erfaßte Spannung einen Wert unter dem Schwellwert behält, was eine hohe Ladestromstärke ermöglicht, ohne daß der Ladevorgang durch die Schutzschaltung unterbrochen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Ladespannung in Entsprechung zur Batterieklemmenspannung bei Zufuhr des Ladestroms zur Batterie mindestens während eines Teils des Ladevorgangs bestimmt oder gemessen und die Batterie wird in einem Ladespannungs-Steuermodus auf der Grundlage der ermittelten oder gemessenen Ladespannung geladen.
Vorzugsweise wird die Batterieklemmenspannung im Verlauf von Perioden ununterbrochener Zufuhr des Ladestroms gemessen.
Der Ladestrom kann aus einer elektrischen Stromquelle oder -versorgung zugeführt werden. Beim Laden der Batterie im Ladespannungs-Steuermodus ist bevorzugt, daß die Ausgabe der Stromversorgung so gesteuert wird, daß die ermittelte Ladespannung keinen vorbestimmten Pegel oder Wert übersteigt, der als erste Schutzspannung bezeichnet wird.
Die Ladespannung kann vorzugsweise als Batterieklemmenspannung gemessen werden. Jedoch kann die Ladespannung auch anderweitig bestimmt oder gemessen werden. Hierbei ist wichtig, daß die ermittelte Ladespannung der Batterieklemmenspannung entspricht, so daß Änderungen der Batterieklemmenspannung zu entsprechenden Änderungen der Ladespannung führen.
Beim Bestimmen der Ladespannung als Batterieklemmenspannung kann die Ladespannung aufgeteilt werden in einen Batteriespannungsteil, der gleich der Batteriespannung ist, wenn kein Ladestrom anliegt, d. h. die Leerlaufbatteriespannung oder die innenwiderstandsfreie Batteriespannung, und in einen Klemmenspannungsteil, der im folgenden als alle anderen Spannungsabfälle definiert ist, die beim Messen der Batterieklemmenspannung vorliegen. Somit kann der Klemmenspannungsteil aufweisen: einen Spannungsabfall über dem internen Widerstand der Batterie, einen durch den Widerstand der Schutzschaltung verursachten Spannungsabfall und/oder Spannungsabfälle, die durch andere elektronische Komponenten oder Schaltungen in der Batterie bewirkt sind, z. B. einen Schaltungsaufbau zur Gasmessung oder eine Schutzdiode, die in der Batterie angeordnet ist. Ferner kann zum Klemmenspannungsteil der sogenannte Spannungsabfall über dem Widerstand der Batterieklemmen gehören, der aufweisen kann: einen Spannungsabfall über den Klemmen oder Kontakten der Batterie, einen Spannungsabfall über den Klemmen oder Kontakten eines Ladegeräts zum Laden der Batterie und/oder einen Spannungsabfall infolge eines internen Widerstands des Ladegeräts, u. a. eines oder mehrerer Strommeßwiderstände.
Verständlich sollte sein, daß der o. g. Klemmenspannungsteil eine Funktion des der Batterie zugeführten Ladestroms ist. Für einen hohen Strom erhält somit der Klemmenspannungsteil einen hohen Wert verglichen mit dem Batteriespannungsteil, wogegen für einen niedrigen Strom die Klemmenspannung einen relativ niedrigen Wert erhält. Dies wird in der Diskussion bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben.
Beim Laden einer Batterie einer Art mit einer Ladeschlußspannung und einer Schutzschaltung mit einer bestimmten Schwellenspannung, z. B. einer Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie, kann die Batteriespannung während eines ersten Teils des Ladevorgangs steigen, bis die gemessene Ladespannung die Ladeschlußspannung erreicht. An diesem Punkt des Ladens kann der Ladestrom noch einen recht hohen Wert verglichen mit einem Ladeschlußstrom haben. Dadurch könnte der Klemmenspannungsteil einen hohen Wert mit dem Ergebnis haben, daß der Batteriespannungsteil unter der Ladeschlußspannung liegt. Hat der Batteriespannungsteil noch nicht die Ladeschlußspannung erreicht, kann ein Schnelladevorgang durch Steigern der Ladespannung über die Ladeschlußspannung hinaus ermöglicht sein.
Dadurch könnte die Ladespannung auf die erste Schutzspannung erhöht werden, die erfindungsgemäß so bestimmt sein sollte, daß die an der Schutzschaltung angelegte Spannung unter der Schwellenspannung, aber über der Ladeschlußspannung gehalten wird. Somit könnten mehrere Werte für die erste Schutzspannung gewählt werden, je näher aber die an der Schutzschaltung anliegende Spannung an der Schwellenspannung liegt, um so schneller verläuft der Ladevorgang.
Ein Weg zur Bestimmung eines Werts für die erste Schutzspannung ist, ein Testladen mit einem konstanten maximalen Ladestrom durchzuführen und die Ladespannung über die Ladeschlußspannung ansteigen zu lassen, bis die Schutzschaltung den Ladevorgang unterbricht. An diesem Punkt wird eine Schwellenladespannung bestimmt, und die erste Schutzspannung könnte dann im Wert etwas niedriger als diese Schwellenladespannung eingestellt werden, um die Schutzschaltungsspannung unter der Schwellenspannung zu halten und um Schwankungen von Schwellenspannungen unterschiedlicher Schutzschaltungen zu berücksichtigen.
Führt man einen Ladevorgang durch und läßt man die Ladespannung eine solche vorbestimmte erste Schutzspannung erreichen, führt weiteres Laden zu einer Erhöhung des Batteriespannungsteils der Ladespannung, gefolgt von einer Verringerung des Ladestroms und somit einer Verringerung des Klemmenspannungsteils. Bei Verringerung des Stroms wird auch der Spannungsabfall vom Batterieladegerät zur Schutzschaltung verringert. Folglich sollte dies beim Bestimmen des Werts der ersten Schutzspannung berücksichtigt werden, was zu einer weiteren Verringerung der ersten Schutzspannung im Vergleich zur o. g. Schwellenladespannung führt.
Die erste Schutzspannung kann auch anhand von Berechnungen und/oder Messungen unterschiedlicher Teile von Spannungsabfällen des Klemmenspannungsteils im Vergleich zu ermittelten oder gemessenen Werten des Batteriespannungsteils für die relevanten Ladeströme bestimmt werden.
Bestimmen läßt sich die erste Schutzspannung somit als Funktion der Schwellenspannung, des Spannungsabfalls, der durch den Ladestrom im internen Widerstand der Batterie hervorgerufen wird, des internen Widerstands der Schutzschaltung, des Widerstands der Batterieklemmen, des Widerstands der Ladegeräteklemmen und/oder eines oder mehrerer Strommeßwiderstände.
Ein bevorzugter Weg zum Laden der Batterie, um eine hohe Ladespannung zu ermöglichen, besteht darin, die Batterie in einem konstanten Ladespannungsmodus zu laden, um die Ladespannung im wesentlichen auf der ersten Schutzspannung für mindestens einen Teil des Ladevorgangs zu halten. Hierbei sollte die erste Schutzspannung so bestimmt werden, daß die an der Schutzschaltung anliegende Spannung über der Ladeschlußspannung und unter der Schwellenspannung der Schutzschaltung gehalten wird, was Ladeunterbrechung durch die Schutzschaltung verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das System zum Laden der Batterie eine Einrichtung zum Bestimmen oder Messen des Spannungspegels an der Schutzschaltung aufweisen. Somit können die Verfahren zum Laden der Batterie ferner die folgenden Schritte aufweisen:
Bestimmen oder Messen einer Schutzschaltungs-Ladespannung in Entsprechung zur Schutzschaltungsspannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs, wenn der Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und
Laden der Batterie während mindestens eines Teils von Schritt (b) in einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus auf der Grundlage der ermittelten oder gemessenen Schutzschaltungs-Ladespannung.
Weist also die Batterie eine Einrichtung zum Bestimmen oder Messen des Spannungspegels an der Schutzschaltung auf, kann das Verfahren zum Laden der Batterie auch die folgenden Schritte aufweisen:
Bestimmen oder Messen einer Schutzschaltungs-Ladespannung in Entsprechung zur Schutzschaltungsspannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs, wenn der Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und
Laden der Batterie in einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus auf der Grundlage der ermittelten oder gemessenen Schutzschaltungs-Ladespannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs, um die an der Schutzschaltung angelegte Spannung über der Ladeschlußspannung und unter der Schwellenspannung der Schutzschaltung zu halten, um dadurch Ladeunterbrechung durch die Schutzschaltung zu verhindern. Die Schutzschaltungs-Ladespannung kann vorzugsweise für Perioden ununterbrochener Zufuhr des Ladestroms gemessen werden.
Bevorzugt ist, daß der Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus das Laden der Batterie in einem konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus aufweist, um die gemessene Schutzschaltungsspannung im wesentlichen auf einer zweiten Schutzspannung zu halten, wobei die zweite Schutzspannung einen Wert über der Ladeschlußspannung hat und so bestimmt ist, daß die an der Schutzschaltung beim Laden mit der zweiten Schutzspan nung angelegte Spannung unter der Schwellenspannung liegt, um so Ladeunterbrechung durch die Schutzschaltung zu verhindern.
Bevorzugt ist, daß die Schutzschaltungs-Ladespannung direkt als Schutzschaltungsspannung bestimmt wird. Allerdings kann die Schutzschaltungs-Ladespannung auch anders bestimmt werden. Hierbei ist wichtig, daß die ermittelte Schutzschaltungs-Ladespannung der an der Schutzschaltung angelegten Spannung entspricht, so daß Änderungen der an der Schutzschaltung angelegten Spannung zu entsprechenden Änderungen der ermittelten Schutzschaltungs-Ladespannung führen.
Wird die Schutzschaltungsspannung im wesentlichen direkt bestimmt, sollte die zweite Schutzspannung vorzugsweise auf einen Wert nahe der Schwellenspannung der Schutzschaltung eingestellt werden. Allerdings kann wiederum ein Spielraum vorgesehen sein, um Variationen von Schwellenspannungen unterschiedlicher Schutzschaltungen Rechnung zu tragen und um eine Ungenauigkeit beim Messen der Schutzschaltungsspannung zu berücksichtigen. Somit kann die zweite Schutzspannung als Funktion der Schwellenspannung und von Variationen der Schwellenspannung bestimmt werden. Weiterhin kann die zweite Schutzspannung auch als Funktion des internen Widerstands der Schutzschaltung bestimmt werden. Eine Untergrenze der zweiten Schutzspannung kann als Funktion des durch den Ladestrom im internen Widerstand der Batterie bewirkten Spannungsabfalls bestimmt werden.
Beim erfindungsgemäßen Laden ist bevorzugt, daß die interne mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs bestimmt wird, wobei die widerstandsfreie Spannung vorzugsweise im Verlauf von Perioden bestimmt wird, in denen die Zufuhr von Ladestrom unterbrochen oder reduziert ist. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Batterie im Ladespannungs-Steuermodus oder konstanten Ladespannungsmodus geladen, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Ladeschlußspannung der Batterie erreicht.
Ist die Batterie mit einer Schutzdiode versehen, ist es notwendig, einen kleinen Strom durch diese Diode fließen zu lassen, wenn die interne mindestens im wesentlichen wider standsfreie Batteriespannung gemessen wird. In dieser Situation ist die gemessene Spannung die Summe aus der Batteriespannung und dem Spannungsabfall über der Diode. Daher sollte verständlich sein, daß beim Vergleichen der gemessenen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung mit der Ladeschlußspannung die gemessene Spannung anhand des Spannungsabfalls über der Schutzdiode korrigiert werden sollte, wenn eine solche Diode in die Batterie eingefügt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Schutzspannung auf einen Wert nahe der Schwellenspannung eingestellt werden, wogegen die erste Schutzspannung als Gesamtschutzladespannung ausgewählt werden kann. Hat somit der Widerstand der Klemmen einen relativ hohen Wert, der einen hohen Spannungsabfall beim Laden mit einem hohen Strom erzeugt, kann ein Teil des Ladevorgangs dem Ladespannungs-Steuermodus folgen, um die Ladespannung nicht die erste Schutzspannung übersteigen zu lassen. Diesem Ladespannungs-Steuermodus kann gefolgt werden, bis der Ladestrom und der Klemmenspannungsabfall so weit abgefallen ist, daß die Schutzschaltungsspannung auf die zweite Schutzspannung gestiegen ist. Auf dieser Stufe kann der Ladevorgang im Schutzschaltungs-Spannungsteuermodus fortfahren, wobei die Schutzschaltungsspannung so gesteuert wird, daß sie die zweite Schutzschaltungsspannung nicht übersteigt. Hierbei kann dem Schutzschaltungs-Spannungsteuermodus gefolgt werden, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Batterieladeschlußspannung erreicht.
Die zweite Schutzspannung kann auch auf einen Wert nahe der Schwellenspannung eingestellt werden.
Bevorzugt ist auch, daß die interne mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs gemäß der vorstehenden Beschreibung bestimmt wird. Hierbei ist ferner bevorzugt, daß die Batterie im Schutzschaltungs-Spannungsteuermodus geladen wird, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Batterieladeschlußspannung erreicht.
Beim Durchlaufen eines der o. g. Ladevorgänge, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Ladeschlußspannung der Batterie erreicht, kann der Ladevorgang ferner den Schritt zum Laden der Batterie in einem widerstandsfreien Spannungssteuermodus aufweisen, um die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf der Batterieladeschlußspannung zu halten. Hierbei ist bevorzugt, daß das Laden im widerstandsfreien Spannungssteuermodus beendet wird, wenn der Ladestrom auf einen vorbestimmten niedrigen Ladeschlußstrom gesunken ist. Ist der Ladestrom auf einen solchen niedrigen Ladeschlußstrom gesunken, sollte die Batterie auf ihren nahezu voll geladenen Zustand geladen sein, und weiteres Laden kann der Batterie kaum zusätzliche Kapazität verleihen.
Beim Laden der Batterie in einem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung ist bevorzugt, die Batterie erst in einem Konstantstrom-Lademodus zu laden, bis die Ladespannung die erste Schutzspannung erreicht oder die Schutzschaltungsspannung die zweite Schutzspannung erreicht, wobei der Konstantstrom-Lademodus eine Ladeperiode aufweist, in der die Batterie durch einen im wesentlichen konstanten Strom während mindestens eines Teils der Ladeperiode geladen wird.
Beim Laden einer wiederaufladbaren Batterie kann der Wert des Ladestroms als Relativmaß im Vergleich zur Kapazität der Batterie gegeben sein. Wird also eine Batterie mit einer Ladestromstärke in Ampere geladen, die gleich der Kapazität der Batterie in Amperestunden ist, wird die Batterie mit einem Strom von 1 C geladen. Erfindungsgemäß kann der Strom, der während des Konstantstrom-Lademodus zugeführt wird, mit einer Ladestromstärke in Ampere über 0,3 C, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5 C und noch stärker bevorzugt im Bereich von rund 1 bis 2 C zugeführt werden.
Beim Beenden des Ladevorgangs kann der Ladeschlußstrom im Bereich von 2 bis 50% des Ladestroms des Konstantstrom-Lademodus eingestellt werden, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20% dieses Stroms.
Zur Messung der an der Schutzschaltung angelegten Spannung ist bevorzugt, daß die wiederaufladbare Batterie ferner einen Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau zum Messen dieser Spannung aufweist, wobei der Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau vorzugsweise ein Gasmeßschaltungsaufbau ist.
Da aber das Spannungsfenster im Bereich von der Ladeschlußspannung zur Schwellenspannung recht schmal sein kann, wie in den Beispielen beschrieben wird, ist es wichtig, daß die Ausgabe vom Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau ein im wesentlichen korrektes Maß für die Schutzschaltungsspannung liefert. Dies ist nicht immer der Fall, wenn handelsübliche Schaltungen verwendet werden, die für Gasmeßzwecke bestimmt sind. Somit muß die Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus kalibriert werden.
Daher ist bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Ladeverfahren mit einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus ferner eine Anfangsladephase zum Kalibrieren der Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus aufweist, wobei das Ergebnis der Kalibrierung zum Korrigieren der Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus verwendet wird, um eine korrigierte Schutzschaltungsspannung beim Laden im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zu messen. Die Kalibrierphase kann die folgenden Schritte aufweisen.
Bestimmen der als Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus gegebenen Batteriespannung,
Bestimmen der Batterieklemmenspannung,
Vergleichen der ermittelten Klemmenspannung mit der ermittelten Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus,
auf der Grundlage des Vergleichs erfolgendes Bestimmen eines Spannungskorrekturwerts für den Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau, und
Speichern des Spannungskorrekturwerts.
Beim Bestimmen der Batterieklemmenspannung und der Ausgabespannung des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus während des Kalibriervorgangs ist bevorzugt, daß die Zufuhr von Ladestrom zur Batterie unterbrochen ist oder der Ladestrom mit einer reduzierten Ladestromstärke im Vergleich zum maximalen Ladestrom zugeführt wird, um eine Detektion der internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Spannung zu ermöglichen. Für Batterien mit einer Schutzdiode sollte eine Korrektur der Batterieklemmenspannung für den Spannungsabfall über dieser Diode erfolgen, wenn der Spannungskorrekturwert bestimmt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen das System und/oder die Vorrichtung ferner auf:
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Schutzschaltungs-Ladespannung durch Messen der Schutzschaltungsspannung für Perioden ununterbrochener Zufuhr von Ladestrom, und
eine Einrichtung zum Steuern des Ladevorgangs in einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus auf der Grundlage der ermittelten Schutzschaltungs-Ladespannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs, um die an der Schutzschaltung angelegte Spannung über der Ladeschlußspannung und unter der Schwellenspannung der Schutzschaltung zu halten.
Hierbei kann die Ladevorgangs-Steuereinrichtung auch aufweisen:
eine Einrichtung zum Laden der Batterie in einem konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus, um die gemessene Schutzschaltungsspannung im wesentlichen auf einer in einer Speichereinrichtung gespeicherten zweiten Schutzspannung zu halten, wobei die zweite Schutzspannung einen Wert über der Ladeschlußspannung hat und so bestimmt ist, daß die an der Schutzschaltung beim Laden mit der zweiten Schutzspannung angelegte Spannung unter der Schwellenspannung liegt.
Vorzugsweise weisen das System und/oder die Vorrichtung ferner auf:
eine Einrichtung zum Bestimmen der internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung, wobei die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet ist, das Laden im Ladespannungs-Steuermodus oder im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zu beenden, wenn die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Batterieladeschlußspannung erreicht. Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Bestimmen der widerstandsfreien Spannung geeignet, diese Spannung im Verlauf von Perioden zu messen, in denen die Zufuhr von Ladestrom unterbrochen oder reduziert ist.
Die Bestimmung der ersten und der zweiten Schutzspannung wurde zuvor diskutiert.
Jede(s) der o. g. Systeme und/oder Vorrichtungen mit einer Einrichtung zum Bestimmen der internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung kann ferner eine Einrichtung zum Laden der Batterie in einem widerstandsfreien Spannungssteuermodus aufweisen, um die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf der Batterieladeschlußspannung zu halten. Vorzugsweise ist die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet, das Laden im widerstandsfreien Spannungssteuermodus zu beenden, wenn der Ladestrom auf einem vorbestimmten Ladeschlußstrom gesunken ist.
Jede(s) der Systeme und/oder Vorrichtungen gemäß den Aspekten der Erfindung kann ferner die Ladevorgangs-Steuereinrichtung haben, die geeignet ist, die Zufuhr des Ladestroms in einem Konstantstrom-Lademodus zu steuern, bis die Ladespannung die erste Schutzspannung erreicht, die Schutzschaltungsspannung die zweite Schutzspannung erreicht oder die interne widerstandsfreie Spannung die Ladeschlußspannung erreicht, wobei der Konstantstrom-Lademodus eine Ladeperiode aufweist, in der die Batterie durch einen im wesentlichen konstanten Strom während mindestens eines Teils der Ladeperiode geladen wird. Hierbei sollte die Ladesteuereinrichtung geeignet sein, die Zufuhr von Ladestrom mit einer Ladestromstärke in Ampere über 0,3 C, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5 C und noch stärker bevorzugt im Bereich von rund 1 bis 2 C zu steuern.
Für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und/oder Vorrichtungen mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Schutzschaltungs-Ladespannung ist bevorzugt, daß diese Einrichtung geeignet ist, mit einem Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau zum Messen der an der Schutzschaltung angelegten Spannung zu kommunizieren oder dessen Ausgabe zu lesen, wobei der Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau in der Batterie angeordnet und vorzugsweise ein Gasmeßschaltungsaufbau ist. Weiterhin ist bevorzugt, daß die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet ist, eine Anfangsladephase zum Kalibrieren der Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus zu steuern, und ferner zum Verwenden des Ergebnisses der Kali brierung zum Korrigieren der Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus geeignet ist, um eine korrigierte Schutzschaltungsspannung beim Laden im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zu messen.
Um diese Kalibrierphase durchzuführen, kann die Ladevorgangs-Steuereinrichtung ferner eine Speichereinrichtung aufweisen und geeignet sein, die Kalibrierphase durch folgende Schritte zu steuern:
Bestimmen der Batteriespannung, die als Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus gegeben ist,
Bestimmen der Batterieklemmenspannung,
Vergleichen der ermittelten Klemmenspannung mit der ermittelten Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus,
Bestimmen eines Spannungskorrekturwerts für den Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau auf der Grundlage des Vergleichs, und
Speichern des Spannungskorrekturwerts in der Speichereinrichtung.
Hierbei sollte die Ladevorgangs-Steuereinrichtung vorzugsweise geeignet sein, die Ausgabespannung des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus und die Batterieklemmenspannung während der Kalibrierphase zu bestimmen, wenn die Zufuhr von Ladestrom zur Batterie unterbrochen ist oder der Ladestrom mit einer geringen Ladestromstärke zugeführt wird.
Zuvor wurde diskutiert, daß es zum Laden mit einer hohen Ladestromstärke während eines Schutzschaltungs-Steuerspannungsmodus wichtig ist, eine im wesentlichen korrekte Messung der an der Schutzschaltung angelegten Spannung zu haben, um den Ladevorgang so zu steuern, daß Unterbrechung des Ladevorgangs verhindert ist. Eine solche Unterbrechung tritt auf, wenn die Schutzschaltungsspannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht.
Beim Bestimmen des Spannungskorrekturwerts ist bevorzugt, daß die Bestimmung der Ausgangsspannung des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus und der Batterieklemmenspannung so erfolgt, daß sie der Spannungsbestimmung für eine oder mehrere Ladeperioden entspricht, in der (denen) die Zufuhr von Ladestrom zur Batterie unterbrochen ist oder der Lade strom mit einer verringerten Ladestromstärke verglichen mit dem maximalen Ladestrom zugeführt wird. Dies ermöglicht die Detektion einer internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Spannung. Für Batterien mit einer Schutzdiode sollte eine Korrektur der Batterieklemmenspannung für den Spannungsabfall über dieser Diode erfolgen, wenn der Spannungskorrekturwert bestimmt wird.
Die zweite Schutzspannung kann auf einen Wert nahe der Schwellenspannung eingestellt werden, wobei den Variationen der Schwellenspannungen für unterschiedliche Schaltungen Rechnung getragen wird. Außerdem ist bevorzugt, daß die interne mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs gemäß der vorstehenden Beschreibung bestimmt wird und daß die Batterie im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus geladen wird, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Batterieladeschlußspannung erreicht.
Wiederum ist bevorzugt, daß dem Schritt des Ladens im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus weiteres Laden der Batterie in einem widerstandsfreien Spannungssteuermodus folgt, um die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf der Ladeschlußspannung der Batterie zu halten. Dieser widerstandsfreie Spannungssteuermodus sollte vorzugsweise beendet werden, wenn der Ladestrom auf einen vorbestimmten geringen Ladeschlußstrom gefallen ist. Ferner sollte der Ladestrom vorzugsweise in einem Konstantstrom-Lademodus vor Eintritt in den Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zugeführt werden, und der Konstantstrom-Lademodus sollte eine Ladeperiode aufweisen, in der die Batterie durch einen im wesentlichen konstanten Strom während mindestens eines Teils der Ladeperiode geladen wird.
Um den Spannungskorrekturwert zu bestimmen, ist bevorzugt, daß die Einrichtung zum Bestimmen des Spannungskorrekturwerts aufweist:
eine Einrichtung zum Bestimmen der Batteriespannung, die als Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus gegeben ist,
eine Einrichtung zum Bestimmen der Batterieklemmenspannung,
eine Einrichtung zum Vergleichen der ermittelten Klemmenspannung mit der ermittelten Ausgabe des Spannungsdetektions-Schaltungsaufbaus,
eine Einrichtung zum Bestimmen eines Spannungskorrekturwerts für den Spannungsdetektions-Schaltungsaufbau auf der Grundlage des Vergleichs und
eine Einrichtung zum Speichern des Spannungskorrekturwerts.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung der Erfindung können vorzugsweise zum Laden von Batterien mit einer vorbestimmten Ladeschlußspannung verwendet werden, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der korrigierten Schutzschaltungsspannung vorzugsweise geeignet ist, diese Bestimmung in Entsprechung zu einer oder mehreren Ladeperioden mit ununterbrochener Zufuhr von Ladestrom durchzuführen und die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet ist, die Batterie in einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus auf der Grundlage der ermittelten korrigierten Schutzschaltungsspannung während mindestens eines Teils des Ladevorgangs zu laden, um die an der Schutzschaltung angelegte Spannung über der Ladeschlußspannung und unter der Schwellenspannung der Schutzschaltung zu halten.
Die Einrichtung zum Steuern des Ladevorgangs sollte vorzugsweise ferner geeignet sein, die Batterie in einem konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus zu laden, um die korrigierte Schutzschaltungsspannung im wesentlichen auf einer zweiten Schutzspannung zu halten, die in einer Speichereinrichtung gespeichert ist, wobei die zweite Schutzspannung einen Wert über der Ladeschlußspannung hat und so bestimmt ist, daß die an der Schutzschaltung angelegte Spannung beim Laden mit der zweiten Schutzspannung unter der Schwellenspannung liegt.
Die zweite Schutzspannung kann auf einen Wert nahe der Schwellenspannung unter Berücksichtigung von Variationen der Schwellenspannungen für unterschiedliche Schaltungen eingestellt sein. Zudem ist bevorzugt, daß die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Bestimmen der internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung aufweist, die im Verlauf von Perioden bestimmt werden kann, in denen die Zufuhr von Ladestrom unterbrochen oder reduziert ist, und daß die Ladevorgangs-Steuereinrichtung zum Laden der Batterie im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus geeignet ist, bis die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung die Batterieladeschlußspannung erreicht. Vorzugsweise sollte die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet sein, die Batterie in einem widerstandsfreien Spannungssteuermodus weiter zu laden, um die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf der Batterieladeschlußspannung zu halten.
Ferner kann die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet sein, das Laden im widerstandsfreien Spannungssteuermodus zu beenden, wenn der Ladestrom auf einem vorbestimmten geringen Ladeschlußstrom gesunken ist. Weiterhin kann die Ladevorgangs-Steuereinrichtung geeignet sein, die Zufuhr von Ladestrom in einem Konstantstrom-Lademodus vor Eintritt in den Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zu steuern, wobei der Konstantstrom-Lademodus eine Ladeperiode aufweist, in der die Batterie durch einen im wesentlichen konstanten Strom während mindestens eines Teils der Ladeperiode geladen wird.
Die zuvor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sollten auf alle Arten wiederaufladbarer Batterien mit einer Schutzschaltung anwendbar sein. Zu diesen Batteriearten können die zuvor bereits erwähnten bekannten Batteriearten gehören, wenngleich neue Batteriearten, z. B. Zink-Luft- oder Zink-Silber-Batterien dazu gehören können. Allerdings können die Verfahren und Vorrichtungen vorzugsweise zum Laden von Lithiumbatterien verwendet werden, u. a. Batterien mit Lithium-Ionen-Zellen, Batterien mit Lithium-Festkörper-(LSS-)Zellen und Batterien mit Lithium-Polymer-Zellen.
Zuvor wurde diskutiert, daß bekannt ist, eine Lithiumbatterie mit einer vorbestimmten Ladeschlußspannung in einem Konstantstrom-Lademodus zu laden, dem ein Konstantspannungs-Lademodus folgt. Gewöhnlich wird ein solcher Ladevorgang beendet, wenn der Ladestrom während des Konstantspannungs- Lademodus auf einen vorbestimmten geringen Ladeschlußstrom gefallen ist. Dieser Beendigungsvorgang kann auch in Verbindung mit den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden.
Um aber eine volle Ladung der Batterie zu gewährleisten, kann dieser Ladeschlußstrom auf einen recht geringen Wert eingestellt werden, z. B. 5 bis 10% des maximalen Ladestroms. Solche geringen Ladestromwerte können innerhalb der gewünschten Genauigkeit recht schwierig zu messen sein, was dazu führen kann, daß Ladezeiten länger als notwendig sind. Alternativ kann ein komplizierterer und teurer Stromdetektions-Schaltungsaufbau verwendet werden.
Daher besteht Bedarf an einer einfachen und wirksamen Möglichkeit zum Beenden des Ladevorgangs für Lithium-Batterien oder jede andere Art von Batterien mit einer vorbestimmten Ladeschlußspannung.
Hierbei wird die Restladezeitperiode vorzugsweise so bestimmt, daß ein volles Laden der Batterie ohne Überladung gewährleistet ist.
Der charakteristische Ladeparameter kann aus solchen Parametern ausgewählt sein wie Ladespannung, Schutzschaltungsspannung (für Batterien mit einer Schutzschaltung), Leerlaufspannung (die auch als mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung bezeichnet werden kann), Ladestrom und/oder Batterietemperatur.
So kann der Ladevorgang vorzugsweise ferner die folgenden Schritte aufweisen: Bestimmen der Ladespannung, der Schutzschaltungsspannung oder der Leerlaufspannung für mindestens einen Teil des Ladevorgangs und Bestimmen der Restladezeitperiode, wenn die ermittelte Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht. Diese vorbestimmte Spannung kann eine maximale Ladespannung, eine maximale Schutzschaltungsspannung oder eine maximale Leerlaufspannung darstellen. Vorzugsweise wird der Spannungssteuermodus so gesteuert, daß er die Ladespannung, die Schutzschaltungsspannung oder die Leerlaufspannung nicht ihren entsprechenden maximalen Spannungswert übersteigen läßt.
Um die Restladezeitperiode zu bestimmen, ist bevorzugt, einen elektronischen Speicher zu verwenden, der eine oder mehrere Restladezeitperioden speichert. Diese Perioden können der maximalen Ladespannung, der maximalen Schutzschaltungsspannung und/oder der maximalen Leerlaufspannung entsprechen.
Allerdings wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Ladevorgang so gesteuert, daß der Ladestrom im Spannungssteuer-Lademodus verringert und die Restladezeitperiode als Funktion des Ladestroms bestimmt oder ermittelt wird, wenn der Ladestrom auf einen vorbestimmten Wert gesunken ist. Der Batterieladevorgang kann zuerst einen Stromsteuermodus aufweisen, bevor er in den Spannungssteuermodus eintritt, wobei die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Steuern des Ladevorgangs in einem solchen Stromsteuermodus während mindestens eines Teils des Ladevorgangs aufweist. Dann kann der vorbestimmte Stromwert als Funktion eines maximalen Ladestroms bestimmt werden, der im Stromsteuer-Lademodus zugeführt wird. Der vorbestimmte Stromwert kann im Bereich von 10 bis 90%, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 80% und noch stärker bevorzugt im Bereich von 30 bis 70%, z. B. etwa 50%, des maximalen Ladestroms eingestellt werden.
Beim Bestimmen der Restladezeitperiode als Funktion des Ladestroms ist bevorzugt, einen elektronischen Speicher zu verwenden, der eine oder mehrere Restladezeitperioden in Entsprechung zu dem oder den Ladestromwert(en) speichert.
Zu solchen Batterien können bekannte oder neue Batteriearten gehören, die zuvor bereits erwähnt wurden. Allerdings können die Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung vorzugsweise zum Laden von Lithiumbatterien verwendet werden, u. a. Batterien mit Lithium-Ionen-Zellen, Batterien mit Lithium-Festkörper-(LSS-)Zellen und Batterien mit Lithium-Polymer-Zellen.
Wie zuvor beschrieben wurde, weist die Erfindung mehrere Aspekte auf, die Ladelösungen zum Laden von Batterien bereitstellen, die eine Schutzschaltung haben oder mit einer Schutzschaltung verbunden sind. Gleichwohl können die zugrundeliegenden Ladeprinzipien der zuvor beschriebenen Aspekte der Erfindung auch verwendet werden, um Überladung beim Schnelladen von Batterien ohne Schutzschaltung zu verhindern, oder für Ladevorgänge, in denen die Spannung der Schutzschaltung nicht berücksichtigt wird.
Hierbei kann eine externe Sicherheitsspannung, die über der Ladeschlußspannung liegt, gemäß der Diskussion der Bestimmung der ersten Schutzspannung für Batterien mit einer Schutzschaltung bestimmt oder berechnet werden. Somit sollte die externe Sicherheitsspannung einen Wert haben, der einen hohen Energieverlust im ohmschen Widerstand der Batterie und der Batterieklemmen vermeidet. Vorzugsweise kann die externe Sicherheitsspannung als Funktion der Ladeschlußspannung bestimmt werden. Indes kann die Sicherheitsspannung auch sowohl als Funktion der Ladeschlußspannung als auch als Funktion eines oder mehrerer Strommeßwiderstände, des Klemmenwiderstands des Ladegeräts, des Batterieklemmenwiderstands, des internen Zellenwiderstands und/oder des Ladestroms bestimmt werden. Der durch den Ladestrom gegebene Spannungsabfall multipliziert mit dem berechneten Klemmenwiderstand, Strommeßwiderstand und/oder internen Widerstand kann zur Ladeschlußspannung addiert werden, um so die externe Sicherheitsspannung festzulegen.
Anhand von Experimenten wurde festgestellt, daß die externe Sicherheitsspannung im Bereich von 100 bis 140% der Ladeschlußspannung, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 110% der Ladeschlußspannung liegen sollte. Somit kann für eine 3-Zellen-Batterie, in der die Ladeschlußspannung etwa 4,1 V/Zelle beträgt, was eine Ladeschlußspannung von 12,3 V ergibt, die externe Sicherheitsspannung auf rund 13,5 V eingestellt werden. Weist aber die Batterie eine Schutzdiode auf, sollte der durch diese Diode verursachte Spannungsabfall berücksichtigt werden. Beim Laden einer Batterie ohne eine Schutzschaltung oder ohne Berücksichtigung der Spannung einer Schutzschaltung kann es auch notwendig sein, eine korrekte Messung der internen Batteriezellenspannung während der Zufuhr eines Ladestroms zu haben, um den Spannungsabfall im wesentlichen zu verhindern, der durch den Ladestrom über den Batterieklemmen verursacht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die interne Sicherheitsspannung im wesentlichen gleich der Ladeschlußspannung sein oder als Funktion der Ladeschlußspannung bestimmt werden. Um aber die Batterie schnell zu laden, kann die interne Sicherheitsspannung auf eine höhere Spannung als die Ladeschlußspannung eingestellt werden. Somit kann die Sicherheitsspannung auch sowohl als Funktion der Ladeschlußspannung als auch als Funktion eines internen Zellenwiderstands und/oder des Ladestroms bestimmt werden. Hierbei kann der durch den Ladestrom gegebene Spannungsabfall multipliziert mit dem gemessenen oder berechneten internen Zellenwiderstand zur Ladeschlußspannung addiert werden, um so die interne Sicherheitsspannung festzulegen. Anhand von Experimenten wurde festgestellt, daß die externe Sicherheitsspannung im Bereich von 100 bis 140% der Ladeschlußspannung, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 110% der Ladeschlußspannung liegen sollte.
Beim Laden einer wiederaufladbaren Batterie gemäß einem oder mehreren der o. g. Aspekte der Erfindung kann verständlich sein, daß es zur Durchführung eines Schnelladevorgangs durch Abgabe eines relativ hohen Ladestroms zur Batterie während mindestens eines Teils des Ladevorgangs zweckmäßig ist, mehr als einen Ladespannungsparameter zu verwenden. Damit aber das Batterieladegerät den Ladevorgang auf der Grundlage solcher Ladespannungsparameter steuert, müssen diese Parameter dem Ladegerätsystem zur Verfügung stehen. Somit können Ladeparameter für unterschiedliche Batterien in einem Speicher des Batterieladegeräts vorab gespeichert sein, und die relevanten Parameter können durch Verwendung einer Batteriekennung oder eines Kenncodes ausgewählt werden, die oder der von der Batterie abgelesen wird.
Bei der Einführung neuer Batteriearten auf dem Markt könnten aber solche Batterien Ladeparameter benötigen, die nicht verfügbar waren, als Ladeparameter im Speicher des Batterieladegeräts gespeichert wurden. Daher wurde eine flexiblere Lösung vorgeschlagen, bei der maximale Ladeparameter, z. B. eine maximale Ladespannung und ein maximaler Ladestrom, im Batteriesatz selbst vorgespeichert sind und dem Batterie ladegerät vor Beginn des Ladevorgangs übermittelt werden. Dadurch kann das Batterieladegerät für jede neue Batterieart geeignet sein, ohne vorher vorab festgelegte Ladeparameter für solche neuen Batterien zu kennen.
Gleichwohl wurde nicht vorgeschlagen, mehrere Ladespannungsparameter zu haben, die in der Batterie gespeichert sind, um so Schnelladen der Batterie zu ermöglichen.
Ein solches Ladesystem wird erfindungsgemäß durch ein Batterieladesystem erreicht, das aufweist:
eine Batterie mit mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle und einer Informationseinrichtung zum Speichern von Batterieinformationen als Anzeige mindestens eines ersten und eines zweiten Ladespannungsparameters, und
ein Batterieladegerät mit einer Informationsempfangseinrichtung zum Lesen oder Erfassen der gespeicherten Batterieinformationen, wodurch das Laden der Batterie auf der Grundlage des ersten und zweiten Ladespannungsparameters gesteuert werden kann,
wobei der erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel darstellen.
Bevorzugt ist, daß der erste Ladespannungsparameter einen höheren Spannungspegel als den anzeigt, der durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigt wird.
Damit das Batterieladegerät den Ladevorgang auf der Grundlage der Ladespannungsparameter steuert, sollte das System ferner eine Stromversorgung zum Zuführen eines Ladestroms zur Batterie und einen Kommunikationsbus aufweisen. Hierbei kann die Informationsempfangseinrichtung die gespeicherten Batterieinformationen über den Kommunikationsbus empfangen, und die Steuereinrichtung kann die Stromversorgungsausgabe auf der Grundlage des ersten und zweiten Ladespannungsparameters steuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zu ladende Batterie eine vorbestimmte Ladeschlußspannung haben, und für solche Batterien ist bevorzugt, daß der zweite Ladespannungsparameter einen zweiten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Ladeschlußspannung ist.
Beim Laden der Batterie ist bevorzugt, daß das Batterieladegerät geeignet ist, mindestens einen Teil des Ladevorgangs in einem ersten Spannungssteuermodus zu steuern, um eine gemessene Ladespannung im wesentlichen auf oder unter einem durch den ersten Ladespannungsparameter angezeigten ersten Spannungspegel zu halten. Hierbei kann das Ladesystem ferner eine Einrichtung zum Bestimmen einer externen Ladespannung als Darstellung einer externen Batterieklemmenspannung aufweisen, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und der erste Ladespannungsparameter kann einen ersten Spannungspegel anzeigen, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen externen Lade- oder Sicherheitsspannung ist. Das System kann zusätzlich oder alternativ eine Einrichtung zum Bestimmen einer internen Ladezellenspannung als Darstellung einer internen Zellenspannung aufweisen, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und hierbei kann der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigen, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen internen Lade- oder Sicherheitsspannung ist. Weist die Batterie eine Schutzschaltung zum Unterbrechen des Ladens auf, wenn die an der Schutzschaltung angelegte Spannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht, kann das System zusätzlich oder alternativ eine Einrichtung zum Bestimmen einer Schutzschaltungs-Ladespannung als Darstellung der an der Schutzschaltung anliegenden Spannung aufweisen, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und hierbei kann der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigen, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Schutzschaltungs-Ladespannung ist.
Verständlich sollte sein, daß gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Batterieinformationen auch einen dritten Ladespannungsparameter anzeigen können. Hierbei kann der erste Ladespannungsparameter den ersten Spannungspegel in Entsprechung zur o. g. maximalen internen Ladespannung oder zur maximalen Schutzschaltungsspannung anzeigen, während der dritte Ladespannungsparameter dann einen dritten Spannungspegel in Entsprechung zur maximalen externen Lade- oder Sicherheitsspannung anzeigen kann. Vorzugsweise zeigt der dritte Ladespannungsparameter eine höhere Spannung als die an, die durch den ersten Ladespannungsparameter angezeigt wird. Somit kann das Batterieladegerät geeignet sein, mindestens einen Teil des Ladevorgangs in einem dritten Spannungssteuermodus zu steuern, um die gemessene externe Ladespannung im wesentlichen auf oder unter dem dritten Spannungspegel zu halten, der die maximale externe Lade- oder Sicherheitsspannung sein kann. Dann kann das Laden im dritten Spannungssteuermodus von Laden im ersten Spannungssteuermodus gefolgt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Batterieladegerät geeignet sein, mindestens einen Teil des Ladevorgangs in einem zweiten Spannungssteuermodus zu steuern, um eine gemessene Batteriespannung im wesentlichen auf oder unter einem durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigten zweiten Spannungspegel zu halten. Hierbei sollte das Batterieladegerät vorzugsweise geeignet sein, die Batterie im ersten Spannungssteuermodus während eines Teils des Ladevorgangs zu laden, gefolgt vom Laden der Batterie im zweiten Spannungssteuermodus während eines weiteren Teils des Ladevorgangs. Folglich weist die Erfindung auch eine Ausführungsform auf, in der das Ladegerät geeignet ist, die Batterie im dritten Spannungssteuermodus zu laden, gefolgt vom Laden im ersten Spannungssteuermodus, dem sich das Laden im zweiten Spannungssteuermodus anschließt. Vorzugsweise weist das System eine Einrichtung zum Bestimmen einer mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung auf, und das Batterieladegerät kann dann geeignet sein, den zweiten Spannungssteuermodus so zu steuern, daß die im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf oder unter der maximalen Ladeschlußspannung gehalten wird.
Beim Laden im ersten Spannungssteuermodus ist bevorzugt, daß das Batterieladegerät geeignet ist, das Laden im ersten Spannungssteuermodus zu beenden, wenn die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung die maximale Ladeschlußspannung erreicht.
Außerdem stellt die Erfindung eine Batterie mit mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle und einer Informationseinrichtung zum Speichern von Batterieinformationen als Anzeige mindestens eines ersten und eines zweiten Ladespannungsparameters bereit, wobei die Batterieinformationen eine Form haben, die durch eine Informationsempfangseinrichtung eines entsprechenden Batterieladegeräts gelesen oder erfaßt werden kann. Verständlich sollte sein, daß erfindungsgemäß das entsprechende Batterieladegerät eine Steuereinrichtung zum Steuern des Ladens der Batterie auf der Grundlage des durch die Batterieinformationen angezeigten ersten und zweiten Ladespannungsparameters aufweist.
Eine solche Batterie sollte zum Gebrauch in einem Batterieladesystem gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Batterieladesysteme anwendbar sein.
Somit ist bevorzugt, daß der in der Batterie gespeicherte erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel anzeigen. Außerdem ist bevorzugt, daß der erste Ladespannungsparameter einen höheren Spannungspegel als den anzeigt, der durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigt wird.
Vorzugsweise hat die Batterie eine vorbestimmte maximale Ladeschlußspannung, und der zweite Ladespannungsparameter zeigt einen zweiten Spannungspegel an, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Ladeschlußspannung ist.
Die erfindungsgemäße Batterie kann ferner eine Schutzschaltung zum Unterbrechen des Ladens aufweisen, wenn die an der Schutzschaltung anliegende Spannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht, und vorzugsweise zeigt der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel an, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Schutzschaltungs-Ladespannung ist.
Die zur Batterie gehörende Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen kann eine ganz einfache Speichereinrichtung sein, z. B, ein Widerstandsnetz mit einem oder mehreren Widerständen, wobei der oder die Werte des oder der Widerstände durch das Batterieladegerät gelesen werden können, um so in der Batterie gespeicherte Batterieinformationen zum Ladegerät zu übertragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist aber die Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen einen oder mehrere elektronische Speicher auf, die aus der Gruppe ausgewählt sein können, die aus nichtflüchtigem ROM, EEPROM, EPROM und jeder Kombination daraus besteht. Vorzugsweise sind die Batterieinformationen im elektronischen Speicher vorab gespeichert, und die Batterieinformationen können ferner einen maximalen Ladestromparameter und/oder einen Ladeschlußstromparameter anzeigen. Hierbei kann der maximale Ladestromparameter zur Steuerung des Ladevorgangs vor Eintritt in einen Spannungssteuermodus verwendet werden, und der Ladeschlußstromparameter kann zum Beenden des Ladevorgangs während eines Spannungssteuermodus verwendet werden.
Verständlich sollte sein, daß das erfindungsgemäße Batteriesystem ein Ladesystem bereitstellt, in dem die Batterie nach einem der o. g. Ladeverfahren geladen werden kann, in denen der Ladevorgang mindestens einen Ladespannungs-Steuermodus aufweist, in dem der Batterie eine Ladespannung zugeführt wird, die größer als eine vorbestimmte Ladeschlußspannung ist.
Somit kann jede der ersten und zweiten Schutzspannung und der externen und internen Sicherheitsspannung, die in der Diskussion der vorstehenden Aspekte der Erfindung beschrieben wurden, als erster Spannungspegel verwendet werden, der durch den ersten Ladespannungsparameter angezeigt wird. Weist die Batterie auch Informationen über einen dritten Ladeparameter auf, kann die erste Schutzspannung oder die externe Sicherheitsspannung als dritter Spannungspegel verwendet werden, während die zweite Schutzspannung oder die interne Sicherheitsspannung als erster Spannungspegel verwendet werden kann.
Verständlich sollte sein, daß die Erfindung auf alle Batteriearten und Technologien anwendbar sein sollte, die für die zuvor diskutierten Verfahren und Vorrichtungen oder Systeme der Erfindung erwähnt wurden.
Der Betrieb der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen wird aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen am besten deutlich. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Batterieladevorrichtung und eines Batteriesatzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß geladenen Batteriesatzes,
3 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
4 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
5 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
6 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
7 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
8 einen Ablaufplan eines Kalibrierverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
9 einen bekannten Ladevorgang,
10 einen Ladevorgang mit hohem Strom gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
11 einen Ladevorgang mit geringem Strom gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
12 einen Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
13 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäß geladenen Batteriesatzes.
Die Grundprinzipien des Betriebs eines erfindungsgemäßen Batterieladegeräts sind in 1 dargestellt.
1 zeigt einen Batteriesatz 10, der durch eine Batterieladegerätvorrichtung 40 zu laden ist. Der Batteriesatz 10 verfügt über eine Anzahl von in Reihe verbundenen Batteriezellen 11a, 11b, 11c mit einem durch 12a, 12b, 12c bezeichneten internen Batteriezellenwiderstand, eine Batteriesatz-Überwachungsschaltung 20 mit einer Schutzschaltung, eine Batterieschutzdiode 13 und Batteriesatzklemmen 14, 15, 16 mit jeweils einem entsprechenden Klemmenverlustwiderstand 14a, 15a, 16a. Batteriespannung wird über den Klemmen 14 und 16 bereitgestellt, während die Klemme 15 mit einem seriellen Eingang/Ausgang 21 der Batteriesatz-Überwachungsschaltung 20 zur Kommunikation über eine einzelne Leitung zwischen dem Batteriesatz 10 und dem Ladegerät 40 verbunden ist. Diese Kommunikation über eine einzelne Leitung ist optional, gehört aber zu einer bevorzugten Ausführungsform gemäß 1. Die Überwachungsschaltung hat Anschlüsse 22, 23 und 24, die mit dem Pluspol der Batteriezellen, dem Minuspol der Batteriezellen bzw. der negativen Batterieausgangsspannungsklemme 16 verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Überwachungsschaltung auch Anschlüsse 25 und 26 zum Überwachen der Einzelzellenspannung der Batteriezellen.
Das Batterieladegerät 40 hat Batterieklemmen 41, 42, 43 mit jeweils einem entsprechenden Klemmenverlustwiderstand 41a, 42a, 43a. Beim Laden einer Batterie sind die Batterieladegerätklemmen 41, 42, 43 mit den Batterieklemmen 14, 15 bzw. 16 verbunden. Außerdem verfügt das Ladegerät 40 über eine Stromversorgung 46, eine Mikrosteuerung 45 zur Ladesteuerung, einen Signalaufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 und einen Strommeßwiderstand 44, der mit der Ladegerätklemme 43 und Erde verbunden ist. Beim Laden einer Batterie erzeugt der Ladestrom einen Spannungsabfall über dem Widerstand 44, wobei dieses Signal zum Aufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 geführt wird, von wo aus es die Verbindungsleitung 54 zu einem Analog-Digital-(A/D)Wandlereingang der Mikrosteuerung 45 durchläuft. Das Batterieklemmenspannungssignal wird als Spannung zwischen der Klemme 41 und Erde gemessen, indem das Signal der Klemme 41 zum Aufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 geführt wird, von wo aus es die Verbindungsleitung 52 zu einem weiteren A/D-Wandlereingang der Mikrosteuerung 45 durchläuft, während das Einzelleitungs-Kommunikationssignal vom Batteriesatz zu einem Kommunikationsanschluß der Mikrosteuerung 45 über die Leitung 53 geführt wird.
Die Stromversorgung 46, die vorzugsweise eine Schaltstromversorgung ist, hat einen Leistungseingang 47, dem eine Gleichspannung vorzugsweise im Bereich von 15 bis 20 V GS für eine 3-Zellen-Batterie zugeführt wird. Für eine Batterie mit einer oder zwei Zellen kann die Gleichspannung kleiner sein. Die Stromversorgung hat einen Ausgangsanschluß 48, der die Ladeleistung zu den Klemmen 41 und 14 vorzugsweise über einen Schalter 49 führt. Der Ladeausgang 48 der Stromversorgung 46 wird von einem Steuerausgang 50 der Mikrosteuerung 45 aus gesteuert. Ist die Stromversorgung 46 eine Schaltstromversorgung, ist die Steuerausgabe 50 vorzugsweise ein PWM-(impulsbreitenmoduliertes)Signal, das zu einem Filter zum Umwandeln des PWM-Signals in eine variable analoge Spannung geführt werden kann, die dann zur Steuerung der Stromversorgung 46 dient. Bei Verwendung eines PWM-Steuersignals 50 steuert die Mikrosteuerung 45 die Leistungsausgabe zur Batterie 10 und zum Anschluß 48 durch Steuern der Dauer der Ein- und Aus-Perioden des PWM-Signals.
Der Signalaufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 wandelt das Eingangssignal der Klemmen 41 und 43 als Darstellung der Klemmenspannung und des Ladestroms in Spannungsausgangssignale um, die als Eingangssignale für die Analog-Digital-(A/D)Wandlereingänge 52 und 54 der Mikrosteuerung 45 geeignet sind. Vorzugsweise hat der Strommeßwiderstand 44 einen sehr geringen Wert, der rund 0,1 Ω betragen kann, und der Signalaufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 kann dann einen Operationsverstärker aufweisen, um eine geeignete Ausgabe bereitzustellen. Die Versorgungsspannung für die Mikrosteuerung 45 beträgt rund 5 Volt, und da die Batterieklemmenspannung 5 Volt übersteigen kann, kann der Aufbereitungsschaltungsaufbau auch einen Spannungsteiler zum Bereitstellen eines geeigneten Ausgangssignals für die Batterieklemmenspannung aufweisen.
Bevorzugt ist, daß die Mikrosteuerung 45 einen Schaltsteuerausgang 51 zum Ein- und Ausschalten des Schalters 49 aufweist. Der Schalter 49 kann in kurzen Zeitintervallen während des Ladevorgangs ausgeschaltet werden, um eine Leerlaufspannung der Batterie zu messen, wodurch der Spannungsabfall anhand des internen Verlustwiderstands beim Messen der Batterieklemmenspannung vermieden wird. Hat aber die Batterie eine Schutzdiode 13, verbindet ein Umgehungswiderstand 56 den Ladeausgang 48 mit der Klemme 41, um so eine positive Vorspannung der Schutzdiode 13 zu ermöglichen. Vorzugsweise hat der Umgehungswiderstand 56 einen Wert, der es nur einem kleinen Strom ermöglicht, in den Batteriesatz zu fließen, z. B. 1 kΩ.
Beim Laden der Batterie gemäß 1 erzeugt der Ladestrom Spannungsabfälle über dem Widerstand der Klemmen 41, 14, 16, 43, dem internen Widerstand 12 der Batteriezellen 11, dem internen Widerstand der Überwachungsschaltung 20 und dem Meßwiderstand 44. Weiterhin findet sich ein Spannungsabfall auch über der Schutzdiode 13. Die Summe dieser Spannungsabfälle, auch als Klemmenspannungsteil bezeichnet, sollte von der Spannung subtrahiert werden, die durch die Mikrosteuerung 45 an der Klemme 41 gemessen wird, um die tatsächliche Spannung über den Batteriezellen 11 zu bestimmen, die auch als widerstandsfreie Batteriespannung oder Batteriespannungsteil bezeichnet wird. Der Klemmenspannungsteil steigt mit zunehmendem Ladestrom, während für niedrige Ladeströme der Klemmenspannungsteil nahe dem Spannungsabfall über der Schutzdiode 13 oder bei nicht vorhandener Schutzdiode nahe null im Vergleich zum Batteriespannungsteil liegt. Beim Messen der Leerlaufspannung, indem der Schalter 49 ausgeschaltet wird, kann also nur ein kleiner Ladestrom durch den Umgehungswiderstand 56 fließen, was dazu führt, daß die gemessene Klemmenspannung, die eine mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung bei Korrektur für den Spannungsabfall über der Schutzdiode 13 darstellt, ein gutes Maß für die Steuerung der Batteriezellenspannung ist.
Die Mikrosteuerung 45, die z. B. ein Bauelement COP 8ACC von National Semiconductor sein kann, ist so programmiert, daß sie das Batterieladen erfindungsgemäß realisiert. So steuert die Mikrosteuerung 45 die von der Stromversorgung 46 zur Batterie 10 abgegebene Leistung auf der Grundlage der Eingangssignale. Diese Eingangssignale weisen den Ladestrom über die Leitung 54 und die Klemmenspannung über die Leitung 52 auf. Hierbei repräsentiert die Klemmenspannung die Ladespannung beim Messen im Verlauf von Zufuhrperioden eines Ladestroms, während sie die zuvor diskutierte Leerlaufspannung in Perioden darstellt, in denen der Schalter 49 ausgeschaltet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 gehört zu den Eingangssignalen auch das Einzelleitungs-Kommunikationssignal vom Batteriesatz über die Leitung 53. Dadurch weist die Mikrosteuerung 45 eine Kommunikationsschnittstelle auf, die programmiert und geeignet ist, die Kommunikation zum und vom Batteriesatz 10 zu handhaben. Hat die Überwachungsschaltung 20 einen Kommunikationsanschluß 21 zum Kommunizieren mit der Mikrosteuerung 45, weist die Schutzschaltung auch einen Schaltungsaufbau zur Messung der Spannung an der Schutzschaltung und zur Übermittlung von Informationen über die gemessene Spannung zur Mikrosteuerung 45 auf.
Damit die Mikrosteuerung 45 den richtigen Ladealgorithmus und/oder maximale Ladeparameter auswählt, kann die Überwachungsschaltung 20 Informationen über die Batterieart und -größe aufweisen und geeignet sein, solche Informationen zur Mikrosteuerung 45 zu übermitteln. Die Überwachungsschaltung 20 kann auch einen Schaltungsaufbau zum Messen der Temperatur des Batteriesatzes und zum Übermitteln von Informationen über die gemessene Batterietemperatur an die Mikrosteuerung 45 aufweisen.
Der Batteriesatz 10 von 1 ist in 2 gezeigt, die Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform der Batteriesatz-Überwachungsschaltung 20 zeigt. In 2 wurden die gleichen Bezugszahlen wie in 1 zur Bezeichnung der gleichen Komponenten verwendet.
In 2 weist die Batteriesatz-Überwachungsschaltung 20 eine Schutzschaltung 60 zum Schutz der Batterie oder der Batteriezellen 11a, 11b, 11c gegen Überladung auf, d. h. der Ladevorgang wird unterbrochen, wenn die Batterie- oder die Batteriezellenspannung eine vorbestimmte Ladeschwellenspannung Vov übersteigt. Die Schutzschaltung kann auch die Freigabe des Ladevorgangs steuern. So kann geladen werden, wenn die Spannung je Zelle unter einer vorbestimmten Ladefreigabespannung Vce liegt. Wird also ein Ladevorgang unterbrochen, da eine Zellenspannung Vov erreicht, kann der Ladevorgang erst fortgesetzt werden, wenn die Zellenspannung auf Vce gesunken ist. Die Schutzschaltung 60 kann auch zum Schutz der Batterie oder der Batteriezellen 11a, 11b, 11c gegen übermä ßige Entladung geeignet sein, d. h. der Entladevorgang wird unterbrochen, wenn die Batterie- oder Batteriezellenspannung unter eine vorbestimmte Entladeschwellenspannung Vuv sinkt.
Die Schutzschaltung 60 kann geeignet sein, nur die gesamte Batteriezellenspannung zu überwachen, aber bevorzugt ist, daß jede Batteriezelle überwacht wird, um Detektion der Beschädigung einer einzelnen Zelle zu gewährleisten. So kann an jeder Zelle der Plus- und Minuspol mit der Schutzschaltung 60 verbunden sein. Für die Ausführungsform von 1 und 2 verfügt der Batteriesatz über eine 3-Zellen-Lithium-Ionen-Batterie, wobei Zelle 11a über Stifte 61 und 62 verbunden ist, Zelle 11b über Stifte 62 und 63 verbunden ist und Zelle 11c über Stifte 63 und 64 verbunden ist. Über Stifte 65 und 66 steuert die Schutzschaltung 60 zwei Schalter 67 und 68. Diese Schalter sind vorzugsweise MOSFET-Transistoren mit jeweils einem entsprechenden internen Verlustwiderstand 67a und 68a, der einen Wert von etwa 50 mΩ haben kann. Ist die Ladeschwellenspannung erreicht, wird der Ladevorgang durch Ausschalten des Schalters 68 über den Stift 66 unterbrochen, und ist die Entladeschwellenspannung erreicht, wird der Entladevorgang durch Ausschalten des Schalters 67 über den Stift 65 unterbrochen.
Ein Beispiel für eine wie zuvor beschrieben arbeitende Schutzschaltung ist das Bauelement bg2053 von BENCHMARQ Microelectronics, Inc., und weitere Einzelheiten dieser Schaltung finden sich in den Datenblättern des Bauelements bg2053 vom September 1996 von BENCHMARQ Microelectronics, Inc. Hierbei ist die Überladungsgrenze Vov auf 4,20 V/Zelle mit einer Toleranz von ±1,5% eingestellt, während Vce auf (Vov – 100 mV ± 50 mV) eingestellt ist, und die Grenze für übermäßige Entladung ist auf Vuv = (2,3 V ± 100 mV)/Zelle eingestellt. Für die 3-Zellen-Batterie der Erfindung beträgt also die gesamte Batterieschwellenspannung 12,6 V.
Die Überwachungsschaltung des Batteriesatzes von 2 kann ferner eine Schaltung 70 zum Messen der Gesamtbatteriespannung aufweisen, die an der Überwachungsschaltung 20 anliegt und somit die Schutzschaltung 60 erreicht. Hierbei ist bevorzugt, daß die Schaltung 70 zum Messen der gesamten Schutzschaltungsspannung eine Gasmeßschaltung ist, die auch den Lade-/Entladestrom durch Messen des Spannungsabfalls über dem Meßwiderstand 74 über Stifte 72 und 73 überwacht. Die Schutzschaltungsspannung wird über Stifte 71 und 72 gemessen. Kann also ein Ladestrom fließen, liegt eine Differenz der Spannung über den Stiften 61 und 64 der Schutzschaltung 60 und der Spannung über den Stiften 71 und 72 der Schaltung 70 infolge der Verlustwiderstände 67a und 68a vor.
Anhand der Überwachung der Batteriespannung und des Lade-/Entladestroms kann die Schaltung 70 die zur Batterie abgegebene und durch die Batterie zugeführte Leistung bestimmen. Somit kann die Restkapazität der Batterie ermittelt werden. Ist sie zum Messen der Batterietemperatur geeignet, kann die Schaltung 70 Temperaturvariationen beim Bestimmen der Restkapazität kompensieren. Beim Messen des Ladestroms sollte der Meßwiderstand 74 auf einen geringen Wert eingestellt sein, z. B. 50 mΩ, um den Spannungsabfall über diesem Widerstand zu reduzieren. Ferner verfügt die Schaltung 70 über einen seriellen Eingabe-/Ausgabestift 75, der dem Stift 21 der Überwachungsschaltung 20 entspricht, zur seriellen Kommunikation mit der Mikrosteuerung 45, um so Daten zu übertragen, die Spannung, Strom, Temperatur und/oder Batteriekapazität betreffen können.
Für die zuvor diskutierte Ausführungsform der Erfindung ist eine einzelne Kommunikationsleitung 53 gezeigt. Allerdings sollte deutlich sein, daß die Erfindung auch Ausführungsformen erfaßt, die einen Kommunikationsbus mit zwei oder mehr Kommunikationsleitungen zur Datenübermittlung von der Batterie zum Ladegerät verwenden.
Ein Beispiel für eine Gasmeßschaltung, die wie zuvor beschrieben arbeitet, ist das Bauelement bg2050 von BENCHMARQ Microelectronics, Inc., und weitere Einzelheiten zu dieser Schaltung finden sich in den Datenblättern zum bg2050 von September 1996 von BENCHMARQ Microelectronics, Inc., die hiermit durch Verweis eingefügt sind. Zu diesen Datenblättern gehören auch Anweisungen zur Kommunikation mit dem bg2050 und dadurch Anweisungen zu einem Beispiel, wie das Kommunikati onsschnittstellenteil der Mikrosteuerung 45 zu programmieren ist.
BENCHMARQ Microelectronics, Inc. liefert auch eine voll angeschlossene Überwachungsschaltung bg2165, die sowohl den bg2053 als auch den bg2050 aufweist. Weitere Einzelheiten zu dieser Schaltung finden sich in den Datenblättern zum bg2165 von Mai 1996 von BENCHMARQ Microelectronics, Inc., die hiermit durch Verweis eingefügt sind.
Verständlich sollte sein, daß die Erfindung sowohl Ausführungsformen aufweist, in denen die Schutzschaltung 60 geeignet ist, nur den Ladevorgang zu unterbrechen, wenn die gesamte Batterieschwellenspannung erreicht ist, als auch Ausführungsformen, in denen die Schutzschaltung 60 geeignet ist, das Laden zu unterbrechen, wenn eine von mehreren Batteriezellen die Zellenschwellenspannung erreicht. Für Ein-Zellen-Batterien sind die Zellenschwellenspannung und die Batterieschwellenspannung identisch. Somit betrifft die Erfindung Batteriesätze mit einer oder mehreren Zellen.
Gemäß der Überwachungsschaltung 20 von 2 ist die Spannungsdetektionsschaltung 70 geeignet, die Gesamtspannung aller Batteriezellen zu messen. Danach kann ein dieser Spannung entsprechendes Signal zur Mikrosteuerung 45 übermittelt werden, die geeignet sein kann, die Stromversorgungsausgabe während mindestens eines Teils des Ladevorgangs zu steuern, um diese Spannung unter der gesamten Batterieschwellenspannung oder der Überladungsgrenze zu halten, die in diesem Beispiel 12,6 V für eine 3-Zellen-Batterie beträgt. Allerdings erfaßt die Erfindung auch Ausführungsformen, in denen die Spannungsdetektionsschaltung geeignet ist, die Zellenspannung jeder der Zellen einer Batterie mit mehr als einer Zelle zu messen. Somit kann der Ladevorgang während mindestens eines Teils des Ladevorgangs so gesteuert werden, daß die Zellenspannung jeder Zelle unter der Ein-Zellen-Schwellen- oder Überladungsgrenzspannung gehalten wird.
Ein Gegenstand der Erfindung besteht darin, eine hohe Ladestromstärke zu ermöglichen, ohne die Schutzschaltung 60 zu aktivieren, d. h. ohne den Spannungsabfall über den Batteriezellen (die Gesamtspannung über den Zellen oder die Span nung über jeder einzelnen Zelle) die vorbestimmte Schwellenspannung erreichen zu lassen. Hierbei sollte klar sein, daß die höchste Batteriezellenspannung im Verlauf von Perioden erhalten wird, in denen die Batterie mit einem hohen Ladestrom geladen wird, der Spannungsabfälle über den internen Verlustwiderständen 12a, 12b, 12c erzeugt. Diese Spannungsabfälle addieren sich zu den widerstandsfreien Batteriezellenspannungen, was eine resultierende Spannung ergibt, die nicht die Schwellenspannung übersteigen sollte.
Für erfindungsgemäße Ausführungsformen, die keine Spannungsdetektionsschaltung 70 aufweisen, ist die gemessene Spannung bei Zufuhr eines Ladestroms die an der Klemme 41 von 1 gemessene Klemmenspannung. Somit gehört zu dieser Klemmenspannung die gesamte Batteriezellenspannung zuzüglich des Spannungsabfalls über den Schalterwiderständen 67a, 68a, über den Klemmenverlustwiderständen 14a, 41a, 16a, 43a und über dem Meßwiderstand 44. Gehört eine Spannungsdetektionsschaltung 70 dazu, weist die Klemmenspannung auch einen Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 74 auf. Weist der Batteriesatz 10 eine Schutzdiode 13 auf, gehört zur Klemmenspannung auch der Spannungsabfall über dieser Diode.
Der Widerstand der Klemmenverlustwiderstände 14a, 41a, 16a, 43a, 15a, 42a sollte vorzugsweise einen sehr geringen Wert haben, der in der Größenordnung von 10 mΩ liegen könnte. Jedoch variiert dieser Widerstandswert je nach dem verwendeten Kontaktmaterial, wobei ein Material wie Beryllium-Kupfer eine gute Wahl zum Erhalten eines geringen Widerstandswerts ist. Ferner sollte auch der Kontaktwiderstand zwischen den Klemmen 14, 15, 16 des Batteriesatzes 10 und den Ladegeräteklemmen 41, 42, 43 berücksichtigt werden. Dieser Kontaktwiderstand kann große Variationen zeigen, z. B. infolge von Alterung der Kontakte und schlechten Verbindungen. Somit könnte ein gesamter Klemmenverlustwiderstand über den Klemmen 14, 41 und Klemmen 16, 43 bis 100 mΩ oder sogar mehr betragen.
Als Beispiel kann der gesamte Spannungsabfall außerhalb der Batteriezellen für einen Ladestrom von 1 A berechnet werden (Bezugszahlen der Komponenten sind in Klammern genannt): 1 A[100 mΩ (41, 14) + 50 mΩ (67a) + 50 mΩ (68a) + 50 mΩ (74) + 100 mΩ (16, 43) + 100 mΩ (44)] + 300 mV = 750 mV.
Ist der Spannungsabfall der Diode auch auf 300 mV für einen Ladestrom von 2 A eingestellt, wäre der Gesamtspannungsabfall in Entsprechung zu den o. g. Widerstandswerten für den 1-A-Strom 1,2 V. Somit sollte für einen Ladestrom von 2 A und eine Schutzschaltungs-Schwellenspannung von 12,6 V die Klemmenspannung 13,8 V erreichen, bevor der Ladevorgang für diese Widerstandswerte unterbrochen wird. Die Diodenspannung von 300 mV sollte für Schottky-Dioden repräsentativ sein.
Um den Ladevorgang so zu steuern, daß ein hoher Ladestrom und eine hohe Lade- oder Klemmenspannung ermöglicht sind, ohne die Schutzschaltung den Ladevorgang unterbrechen zu lassen, kann eine maximale Ladespannung bestimmt und für die Steuerung des Ladevorgangs verwendet werden. Dann sollte die Ausgabe der Stromversorgung 48 so gesteuert werden, daß die Lade- oder Klemmenspannung nicht diese maximale Ladespannung übersteigen kann. Die maximale Ladespannung kann auch als erste Schutzspannung bezeichnet werden.
In den hier beschriebenen Beispielen ist der Spannungsabfall der Diode 13 auf 300 mV eingestellt. Allerdings kann ein genauerer Diodenspannungsabfall bestimmt werden, indem der Spannungsabfall als Funktion des Diodenstroms unter Verwendung der Datenblätter der Diode berechnet wird. So könnte für hohe Ströme ein Spannungsabfall von 400 mV das Ergebnis sein, wogegen für einen geringen Ladestrom ein Spannungsabfall von 200 mV resultieren könnte. Bevorzugt ist, 300 mV während des Teils des Ladevorgangs mit hohem Strom zu verwenden, wogegen bevorzugt ist, 200 mV beim Korrigieren von Meßwerten der Leerlaufspannung anhand des Diodenspannungsabfalls zu verwenden.
Wie zuvor beschrieben, kann bei Verwendung eines Kontaktmaterials mit einem geringen Widerstand der Klemmenverlustwiderstand rund 10 mΩ betragen. Anhand von Experimenten wurde festgestellt, daß eine sichere Wahl für den gesamten Klemmenverlustwiderstand über den Klemmen 41, 14 und Klemmen 16, 43 25 mΩ betragen sollte, was zu einem Spannungsabfall außerhalb der Batteriezellen von 600 mV für 1 A und 900 mV für 2 A unter Verwendung eines Diodenspannungsabfalls von 300 mV führt. Vor Bestimmung der maximalen Ladespannung sollten auch die Variationen der Schwellenspannung berücksichtigt werden. Für eine Variation von ±1,5% an 12,6 v beträgt die minimale Schwellenspannung 12,411 V, was aus Sicherheitsgründen zu einer minimalen Schwellenspannung von 12,4 V führt. Somit kann die maximale Ladespannung auf 13,3 V für einen Ladestrom von 2 A und 13,0 V für einen Ladestrom von 1 A eingestellt werden, was eine Ladespannung ermöglicht, die höher als die Schwellenspannung ist.
Für die Lithium-Ionen-Batterien dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Batterieladeschlußspannung als 4,1 V/Zelle gegeben, was zu einer Ladeschlußspannung von 12,3 V für die 3-Zellen-Batterie führt. Somit erhält man ein Spannungsfenster von 100 mV zwischen der Ladeschlußspannung und der minimalen Schutzschaltungs-Schwellenspannung, wogegen Spannungsfenster von 400 mV und 700 mV erhalten werden, korrigiert man für die 300-mV-Diodenspannung und lädt man mit einer maximalen Ladespannung bei 1 A bzw. 2 A. Hierbei sollte deutlich sein, daß die Ladeschlußspannung definiert werden kann als Batteriespannung einer voll oder nahezu voll geladenen Batterie in der Messung beim Laden mit einem geringen Ladeschlußstrom in Entsprechung zur Messung der mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung. Somit sollte die widerstandsfreie Spannung über den Batteriezellen nicht die Ladeschlußspannung übersteigen, aber die gesamte Batteriespannung beim Laden mit einem Ladestrom kann sehr wohl über der Ladeschlußspannung infolge der Spannungsabfälle über dem Innenwiderstand 12a, 12b, 12c der Batteriezellen liegen. Je höher der Ladestrom ist, um so höher ist der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand 12a, 12b, 12c der Batterie.
Ferner ist zu beachten, daß beim Laden einer Lithiumbatterie mit einer maximalen Ladespannung für eine Periode des Ladevorgangs der Ladestrom sinken kann, wenn der Ladevorgang ab dem Zeitpunkt fortfährt, an dem die maximale Ladespannung erreicht ist. Somit sinkt der Spannungsabfall außerhalb der Batteriezellen mit dem Ergebnis, daß die die Schutzschaltung erreichende Spannung ab dem Zeitpunkt zunimmt, an dem die maximale Ladespannung erreicht ist. Dies könnte beim Bestimmen der maximalen Ladespannung berücksichtigt werden.
Zum Beispiel könnte beim Laden mit einem 2-A-Ladestrom die Batterie mit einer maximalen Ladespannung für eine Periode geladen werden, bis der Ladestrom auf einen geringeren Pegel, z. B. 1,5 A, gesunken ist, und ab diesem Zeitpunkt könnten andere Steuermechanismen übernehmen. Hierbei sollte die maximale Ladespannung anhand des Gesamtspannungsabfalls außerhalb der Batteriezellen bestimmt werden, der durch einen Strom von 1,5 A verursacht ist. Somit sollte ein Spannungsabfall von etwa 750 mV gegenüber dem zuvor berechneten Spannungsabfall von 900 mV für einen Ladestrom von 2 A bevorzugt werden, was zu einer maximalen Ladespannung oder ersten Schutzspannung von 13,15 V und einem Spannungsfenster von 850 mV führt.
Für erfindungsgemäße Ausführungsformen, die sowohl eine Schutzschaltung 60 als auch eine Spannungsdetektionsschaltung 70 aufweisen, können andere oder zusätzliche Verfahren zum Steuern des Ladevorgangs zur Anwendung kommen. So kann die Ausgabe der Stromversorgung 48 während eines Teils des Ladevorgangs auf der Grundlage der Spannungsmessung der Spannungsdetektionsschaltung 70 gesteuert werden. Bei Zufuhr eines Ladestroms zur Batterie weicht die durch die Schaltung 70 erfaßte Spannung von der durch die Schutzschaltung 60 erfaßten Spannung ab, was Folge des Spannungsabfalls über den Schalterverlustwiderständen 67a und 68a ist. Für Schalterverluste von etwa 50 mΩ je Schalter können Ladestrome von 1 A und 2 A Gesamtspannungsabfälle von etwa 100 mV bzw. 200 mV über den Verlustwiderständen 67a und 68a erzeugen.
Somit sollte beim Laden der Batterie mit einer maximalen Schutzschaltungsspannung während eines Teils des Ladevorgangs die gemessene Schutzschaltungsspannung vorzugsweise anhand des Spannungsabfalls über den Verlustwiderständen 67a, 68a korrigiert werden. Erfolgen könnte dies durch Bestimmen dieses Spannungsabfalls als Funktion des Ladestroms und Addieren dieses ermittelten Spannungsabfalls zur minimalen Schwellen spannung, um eine maximale Schutzschaltungsspannung zur Steuerung des Ladevorgangs zu erhalten. Allerdings ist bevorzugt, eine konstante maximale Schutzschaltungsspannung unter Berücksichtigung des geringeren Spannungsabfalls bei geringeren Ladeströmen zu verwenden, und für das hier beschriebene Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird der Ladevorgang so gesteuert, daß der an der Schaltung 70 gemessene Strom nicht etwa 12,43 V übersteigt, d. h. ein Spannungsabfall von rund 30 mV wurde zur minimalen Schwellenspannung von 12,4 V der Schutzschaltung addiert. Diese korrigierte maximale Schutzschaltungsspannung kann auch als zweite Schutzspannung bezeichnet werden. Mit einer Ladeschlußspannung von 12,3 V ergibt eine zweite Schutzspannung von 12,43 V ein Spannungsfenster von 130 mV.
Beim Laden einer Lithiumbatterie in einem maximalen Schutzschaltungs-Spannungsmodus kann der Ladestrom abnehmen, wenn der Ladevorgang ab dem Zeitpunkt fortfährt, an dem die maximale Schutzschaltungsspannung erreicht ist. Dadurch sinkt der Spannungsabfall des internen Widerstands 12a, 12b, 12c der Batteriezellen mit dem Ladestrom, und bevorzugt ist, daß dem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus andere Ladesteuermechanismen folgen, um Überladung der Batterie zu vermeiden, die auftreten kann, wenn die Batteriezellen mit einer höheren Spannung als der Ladeschlußspannung geladen werden.
Daher ist bevorzugt, erfindungsgemäße Ausführungsformen zu haben, die den Schritt des Messens der Leerlaufspannung gemäß der vorstehenden Beschreibung im Verlauf von Perioden aufweisen, in denen sich der Schalter 49 in einer ausgeschalteten Position befindet, was eine Detektion der internen mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung ermöglicht. Gehört eine Schutzdiode zum Batteriesatz, sollte die detektierte Spannung anhand des Spannungsabfalls über dieser Diode korrigiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Laden im Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus beendet, wenn die gemessene Leerlaufspannung die anhand des Spannungsabfalls korrigierte Ladeschlußspannung erreicht, die für die beschriebenen Ausführungsformen der Leerlaufspannung entspricht, die etwa 12,3 V + 0,2 V erreicht, was gleich etwa 12,5 V ist. Wurde diese Leerlaufspannung erreicht, ist bevorzugt, die Batterie weiter zu laden, indem der Ladevorgang so gesteuert wird, daß die Leerlaufspannung unter dieser korrigierten Ladeschlußspannung bleibt.
Das Ladeverfahren und die Ladevorrichtung gemäß der Erfindung wurden zum Laden zweier unterschiedlich großen Lithium-Ionen-Batterien mit jeweils 3 Zellen und der zuvor beschriebenen Schwellenspannung und Ladeschlußspannung verwendet. Die erste Batterie hat eine Nennkapazität von 1300 mAh, und die zweite Batterie hat eine Nennkapazität von 2600 mAh. Die erste Batterie wird zuerst in einem nahezu konstanten Strommodus mit einem maximalen Ladestrom von 1,2 A geladen, während die zweite Batterie zuerst mit einem maximalen Ladestrom von 2 A geladen wird. Während des Ladevorgangs werden die Ladespannung, die Schutzschaltungsspannung und die Leerlaufspannung bestimmt, und der nahezu konstante Stromlademodus wird beendet, wenn die Ladespannung die erste Schutzspannung erreicht, die Schutzschaltungsspannung die zweite Schutzspannung erreicht oder die Leerlaufspannung die Ladeschlußspannung erreicht, wobei ab diesem Zeitpunkt der Ladevorgang wie zuvor beschrieben gesteuert wird und durch Laden der Batterie in einem Leerlaufspannungs- oder widerstandsfreien Batteriespannungs-Steuermodus endet, in dem die widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf der Ladeschlußspannung gehalten wird.
Hierbei ist zu beachten, daß wenn ein erfindungsgemäßer Ladevorgang sowohl einen Ladespannungs-Steuermodus als auch einen Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus aufweist, die maximale Ladespannung oder die erste Schutzspannung auf einen höheren Wert als für Vorgänge eingestellt werden kann, die nicht den Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus aufweisen. Tatsächlich kann die maximale Ladespannung so hoch eingestellt werden, daß sie nicht den Ladevorgang beeinflußt, sondern lediglich als Sicherheitsspannung wirkt. Beim Laden mit hohen Ladeströmen kann es aber von Vorteil sein, eine maximale Ladespannung zu verwenden, die den Ladevorgang beeinflußt, um nicht zu viel Leistung in den Klemmen und Kontakten der Batterie und des Ladegeräts zu verlieren.
Der Leerlaufspannungs-Steuermodus wird beendet, wenn der Ladestrom auf einen vorbestimmten Wert im Bereich von 60 mA für die erste Batterie und 120 mA für die zweite Batterie gesunken ist. Für den Ladeschlußstrom können aber andere Werte verwendet werden. Nachstehend folgt eine nähere Beschreibung der Ladevorgänge.
In der vorstehenden Diskussion zur Messung der Schutzschaltungsspannung durch Verwendung der Spannungsdetektionsschaltung 70 wurde die Genauigkeit oder Toleranz der Spannungsmessung der Schaltung 70 nicht diskutiert. Für das Bauelement bg2050 wird die Spannung mit einer minimalen Auflösung von etwa 56,25 mV gemessen. Allerdings kann die Ablesung der Spannung mit einer Variation von etwa ±60 mV/Zelle gegeben sein, was zu einem maximalen Fehler oder einer maximalen Abweichung der Messung der Batteriespannung von ±180 mV führt. Um also die Schutzschaltungsspannung mit einer akzeptablen Toleranz zu messen, muß die Messung der Spannungsdetektionsschaltung 70 kalibriert werden, bevor die Batterie in einem Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus geladen wird. Im folgenden wird ein solcher Kalibriervorgang beschrieben.
Unterschiedliche Ausführungsformen von Ladevorgängen gemäß einem oder mehreren der unterschiedlichen Aspekte der Erfindung werden nunmehr im Zusammenhang mit 3 bis 8 diskutiert.
In 3 ist ein Ablaufplan veranschaulicht, der mit einem Anfangsschritt 80 beginnt und dann mit einem Verarbeitungsschritt 81 fortfährt. Der Schritt 80 bezeichnet das Verbinden des Batteriesatzes 10 mit dem Ladegerät 40 und das Initialisieren der Mikrosteuerung 45. Während des Initialisierungsvorgangs 80 kann die Mikrosteuerung 45 eine Batteriekennung über die Kommunikationsschnittstellenleitung 53 ablesen, wobei die Kennung als Bezug zum Adressieren batteriespezifischer vorbestimmter Ladeparameter verwendet werden kann, die in der Mikrosteuerung 45 gespeichert sind. Zu diesen Parametern können gehören: der maximale Ladestrom Imax, die maximale Ladespannung Vchmax, die maximale Schutzschaltungsspannung Vpcmax, die Ladeschlußspannung Veoc und/oder der Ladeschlußstrom Ieoc. Zu beachten ist, daß für Batterien mit einer Schutzdiode Veoc anhand des Spannungsabfalls über dieser Diode korrigiert werden sollte, was eine maximale Leerlaufspannung Vocmax ergibt, die in der Mikrosteuerung 45 zu speichern ist. Allerdings brauchen diese Parameter nicht vorab in der Steuerung 45 gespeichert zu sein, sondern können in der Batterie vorgespeichert sein und der Mikrosteuerung 45 übermittelt werden.
Für den Vorgang von 3 kann der Wert von Vchmax wie zuvor beschrieben bestimmt werden, um eine hohe Ladeleistung zu gewährleisten. Somit ist Vchmax größer als Veoc, aber ausreichend klein, um eine Unterbrechung durch die Schutzschaltung zu verhindern.
Nach der Einleitung im Schritt 80 beginnt der Ladevorgang im Schritt 81. Hierbei beginnt der Ladevorgang mit einem vorbestimmten geringen Ladestrom, und der Ladevorgang wird auf der Grundlage von Meßwerten des Ladestroms Ich, der Ladespannung Vch und der Leerlaufspannung oder mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung Voc gesteuert. Somit werden im Schritt 81 Daten gemessen und verarbeitet, um die aktuellen Werte von Ich, Vch und Voc zu bestimmen. Kurz nach Beginn des Ladevorgangs liegt die Spannung Voc unter Veoc, und die Antwort im Entscheidungsschritt 82 ist verneinend, was zum Entscheidungsschritt 83 führt. Wiederum gilt zu Beginn des Ladevorgangs Ich < Imax, Vch < Vchmax und Voc < Veoc, und die Antwort im Schritt 83 ist bejahend, was zum Verarbeitungsschritt 84 führt. Im Schritt 84 wird die Ladeleistung erhöht, was durch Erhöhen des Tastverhältnisses des PWM-Signals 50 geschehen kann.
Vorzugsweise erfolgt die Messung von Daten im Schritt 81 in Zeitrahmen oder Meßperioden in regelmäßigen Zeitintervallen, in denen der Ladestrom Ich und die Ladespannung Vch gemessen werden, wenn der volle Ladestrom zugeführt wird, d. h. wenn der Stromversorgungsschalter 49 eingeschaltet ist, wogegen die Leerlaufspannung Voc gemessen wird, wenn der Ladestrom unterbrochen oder reduziert ist, indem sich der Schalter 49 in seiner Aus-Stellung befindet. Dadurch läßt sich die Ladeleistung in Zeitintervallen in Entsprechung zu den Zeitintervallen zwischen aufeinanderfolgenden Datenmeßperioden regulieren.
Während der ersten Phase des Ladevorgangs folgt die Schleife in 3 den Schritten 81, 82, 83 und 84, wodurch die Ladeleistung erhöht wird, bis Ich den Wert Imax erreicht, wobei zu diesem Zeitpunkt der Schritt 83 zum Entscheidungsschritt 85 führt. Haben weder Vch noch Voc ihre entsprechenden Grenzen Vchmax und Veoc erreicht, ist die Ausgabe des Schritts 85 verneinend, und die Ladeleistung bleibt durch Durchlaufen der Schleife 81, 82, 83 und 85 beibehalten. Wird aber Ich größer als Imax gemessen, wird die Ladeleistung im Verarbeitungsschritt 86 verringert, indem das Tastverhältnis des PWM-Signals 50 gesenkt wird. Hat Ich den Wert Imax erreicht, wird als Ergebnis der Ladevorgang so gesteuert, daß in einem konstanten Ladestrommodus geladen wird, bis entweder Vch oder Voc ihre Grenze erreicht.
Während eines normalen Ladevorgangs erreicht die Ladespannung Vch als erste ihren Grenzwert Vchmax. Zu diesem Zeitpunkt geht die Schleife vom Schritt 83 zu den Schritten 85 und 86 über, um so die Ladeleistung zu verringern. Zu diesem Zeitpunkt tritt der Ladevorgang in einen konstanten Ladespannungsmodus ein, in dem Vch im wesentlichen konstant gehalten wird, während der Ladestrom Ich reduziert wird. Dies entspricht der Schleife mit den Schritten 81, 82, 83, 85 und 86 oder für Perioden, in denen die Leistung nicht gesenkt zu werden braucht, der Schleife mit den Schritten 81, 82, 83 und 85.
In 3 ist der Wert von Vchmax so eingestellt, daß er größer als der Wert von Veoc ist, und der konstante Ladespannungsmodus wird aufrecht erhalten, bis Voc den Wert Veoc erreicht. Zu diesem Zeitpunkt tritt der Ladevorgang in einen widerstandsfreien oder Leerlaufspannungs-Steuermodus in Entsprechung zur Schleife 81, 82, 83, 85 und 86 oder, wenn keine Leistungsverringerung nötig ist, zur Schleife 81, 82, 83 und 85 ein. Der Leerlaufspannungs-Steuermodus bleibt gewahrt, bis der Ladestrom auf den Ladeschlußstrom Ieoc gesunken ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Antwort im Entscheidungsschritt 82 bejahend, was zu einer Beendigung des Ladevorgangs in einem Verarbeitungsschritt 87 führt.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladevorgangs läßt sich erhalten, indem man Vch und Vchmax von 3 durch die Schutzschaltungsspannung Vpc bzw. die maximale Schutzschaltungsspannung Vpcmax ersetzt. Dadurch wird der konstante Ladespannungsmodus durch einen konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus ersetzt, bis Voc den Wert Veoc erreicht. veranschaulicht ist dies in 4, in der der Wert von Vpcmax so eingestellt ist, daß er unter der Schwellenspannung der Schutzschaltung, aber über der Ladeschlußspannung Veoc liegt, wodurch eine höhere Ladeleistung während des konstanten Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus verglichen mit einem normalen Ladevorgang möglich ist, in dem die Ladespannung nicht höher als die Ladeschlußspannung Veoc sein darf. In 4 entsprechen die Schritte 90 bis 97 den Schritten 80 bis 87 von 3.
In 5 ist ein Ablaufplan eines Ladevorgangs gezeigt, der einer Kombination der Ladevorgänge von 3 und 4 entspricht. So entsprechen Schritte 100 bis 107 von 5 den Schritten 80 bis 87 von 3, wobei der Unterschied ist, daß der Verarbeitungsschritt 101 die Messung von Daten mit der Schutzschaltungsspannung Vpc aufweist und die Entscheidungsschritte 103 und 105 den Vergleich von Vpc mit der maximalen zulässigen Schutzschaltungsspannung Vpcmax aufweisen. Bevorzugt ist, daß die Werte von Vchmax und Vpcmax so bestimmt wurden, daß Vchmax vor Vpcmax erreicht wird. Wird also Vchmax erreicht, so wird der Ladestrom reduziert, was zu einem verringerten Klemmenspannungsabfall führt, während die widerstandsfreie Batteriespannung erhöht wird, was zu einer Zunahme der Spannung an der Schutzschaltung Vpc führt. Beim Laden in einem konstanten Ladespannungsmodus steigt somit der Wert von Vpc, bis Vpcmax erreicht ist.
Hierbei ist Vchmax als Sicherheitsspannung vorgesehen. Der Gebrauch von Vpcmax kann gewährleisten, daß die Schutzschaltung nicht ausgelöst wird, aber hohe ohmsche Widerstände oder schlechte Verbindungen in den Klemmen können hohe Spannungsabfälle und einen entsprechenden hohen Leistungsverlust über den Klemmen einführen. Um einen solchen Leistungsverlust zu reduzieren, der die Klemmen beschädigen könnte, kann Vchmax gemäß der vorstehenden Diskussion bestimmt werden, um den Ladespannungs-Steuermodus mit aufzunehmen.
Folgt man der Diskussion von 3, wird im Ladevorgang von 5 zuerst die Ladeleistung erhöht, bis Imax erreicht ist, woran sich ein Konstantstrom-Lademodus anschließt, bis Vch den Wert Vchmax erreicht. Hier tritt der Ladevorgang in den konstanten Ladespannungs-Steuermodus ein, dem gefolgt wird, bis Vpc den Wert Vpcmax erreicht, wobei ab diesem Zeitpunkt die Ladeleistung weiter verringert werden kann, um einem konstanten Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus zu folgen, der gewahrt bleibt, bis Voc den Wert Veoc erreicht. Zu diesem Zeitpunkt kann die Ladeleistung weiter verringert werden, um dem Leerlaufspannungs-Steuermodus zu folgen, bis Ich den Wert Ieoc im Schritt 102 erreicht, was zur Beendigung des Ladevorgangs im Schritt 107 führt.
Für die Ladevorgänge von 3 bis 5 können die zum Steuern des Ladevorgangs notwendigen Ladeparameter Ich, Vch, Vpc und/oder Voc in regelmäßigen Zeitintervallen gemessen werden. Die Dauer solcher Zeitintervalle könnte 32 Millisekunden betragen, aber es sollte verständlich sein, daß viel längere Zeitintervalle erfindungsgemäß verwendet werden könnten. So könnten Zeitintervalle bis zu mehreren Sekunden je nach verwendeter Meßtechnik zum Einsatz kommen. Jeder Parameter kann in einem Zeitrahmen gemessen werden, der viel kürzer als das o. g. Zeitintervall ist. Ein solcher Zeitrahmen könnte 0,1 bis 1 Millisekunde lang sein, aber wiederum könnten Zeitrahmen mit längerer Dauer verwendet werden, solange die Summe der Gesamtzahl von Zeitrahmen nicht die Meßzeitintervalle übersteigt.
Für den Vorgang von 3 kann der Ladestrom Ich in einem Zeitrahmen von etwa 0,1 Millisekunde gemessen werden, gefolgt von einem Zeitrahmen von 0,1 Millisekunde zur Messung von Vch, dem sich wiederum ein Zeitrahmen von 0,1 Millisekunde anschließt, in dem sich der Schalter 49 zur Messung von Voc in der Aus-Stellung befindet. Für den Vorgang von 4 sollte die Messung von Vch durch eine Messung von Vpc ersetzt werden. Hier kann ein längerer Zeitrahmen zur Messung von Vpc notwendig sein, um die Spannung über die Kommunikationsleitung abzulesen. Allerdings kann Vpc auch durch Verwendung eines A/D-Wandlers direkt gemessen werden, was eine schnellere Messung ermöglicht. Für den Vorgang von 5 können Meßzeitschlitze sowohl zu Vch als auch zu Vpc gehören.
6 zeigt einen Ablaufplan eines Ladevorgangs, der dem Ladevorgang von 5 entspricht. Für den Vorgang von 6 erfolgt jedoch die Ablesung oder Messung der Schutzschaltungsspannung Vpc in Zeitintervallen, die sich von den Zeitintervallen zwischen Messungen von Ich, Vch und Voc unterscheiden, die in Zeitintervallen gemäß der Beschreibung anhand von 3 gemessen werden. So können die Zeitintervalle zwischen Messungen von Vpc in 6 beliebig höher als die Zeitintervalle von 3 bis zu mehreren Sekunden sein. In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Ablesen von Vpc in Zeitintervallen von 30 Sekunden durchgeführt.
In 6 entsprechen die Schritte 110 bis 117 den Schritten 80 bis 87 von 3, während Schritte 118 bis 120 die Messung und Steuerung der Schutzschaltungsspannung aufweisen. Zu beachten ist, daß die Werte von Vchmax und Vpcmax gemäß der Diskussion von 5 bestimmt wurden. Beim Laden einer voll entladenen Batterie sollte also Vchmax erreicht werden, bevor Vpcmax erreicht wird.
Gemäß der Diskussion von 3 wird im Ladevorgang von 6 zuerst die Ladeleistung erhöht, bis Imax erreicht ist, woran sich ein Konstantstrom-Lademodus anschließt, bis Vch den Wert Vchmax erreicht, wobei zu diesem Zeitpunkt der Ladevorgang in den konstanten Ladespannungs-Steuermodus eintritt. Im Entscheidungsschritt 118 wird bestimmt, ob eine Vpc-Messung bereit ist, und wenn nicht, fährt der normale Ladevorgang im Schritt 113 fort, während bei Bejahung im Entscheidungsschritt 119 bestimmt wird, ob Vpc den Wert Vpcmax erreicht hat. Wenn nicht, erfolgt ein Rücksprung zum Schritt 113, während bei Bejahung anschließend im Verarbeitungsschritt 120 der vorbestimmte Wert von Vchmax vor Eintritt in den Schritt 113 verringert wird. Wurde Vchmax im Schritt 120 verringert, ist die Antwort im Schritt 113 verneinend, was zu einer Senkung der Ladeleistung über Schritte 115 und 116 führt. Wenn Vpc somit Vpcmax erreicht hat, tritt der Ladevorgang in einen konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus ein, in dem die maximale Ladespannung Vchmax und somit die Ladespannung Vch so eingestellt wird, daß die Schutzschaltungsspannung auf Vpc für einen Teil des Ladevorgangs gehalten wird.
Im Ladevorgang von 6 kann dem konstanten Schutzschaltungs-Spannungssteuermodus gefolgt werden, bis Voc den Wert Veoc erreicht. Ab diesem Zeitpunkt kann die Ladeleistung weiter verringert werden, um dem Leerlaufspannungs-Steuermodus zu folgen, bis Ich im Schritt 112 Ieoc erreicht, was zur Beendigung des Ladevorgangs im Schritt 117 führt.
Zuvor wurde diskutiert, daß die Messung der Schutzschaltungsspannung möglicherweise kalibriert werden muß. Dies ist in 7 veranschaulicht, die einen Ablaufplan für einen Ladevorgang entsprechend dem Ladevorgang von 6 zeigt, aber ferner Kalibrierschritte 141 und 142 aufweist. In 7 entsprechen die Schritte 130 bis 140 den Schritten 110 bis 120 von 6, aber in 7 folgt dem Anfangsschritt 130 der Verarbeitungsschritt 141, in dem ein Kalibrier- oder Korrekturwert calib gemessen und gespeichert wird, bevor im Schritt 131 der Eintritt in die Ladeschleife erfolgt. Ist eine Vpc-Messung im Entscheidungsschritt 138 bereit, wird der gespeicherte Korrekturwert calib zu Vpc addiert, um eine korrigierte Schutzschaltungsspannung Vpcc im Verarbeitungsschritt 142 zu erhalten. Der ermittelte Wert von Vpcc wird im Entscheidungsschritt 139 mit Vpcmax verglichen, um zu bestimmen, ob Vchmax gesenkt werden sollte.
Somit wird für den Vorgang von 7 der konstante Schutzschaltungs-Spannungsmodus so gesteuert, daß die korrigierte Schutzschaltungsspannung Vpcc auf Vpcmax während eines Teils des Ladevorgangs gehalten wird. Beim Verringern von Vchmax im Schritt 140 ist bevorzugt, den neuen Wert von Vchmax als den alten Wert von Vchmax abzüglich der Differenz von Vpcc und Vpcmax zu bestimmen.
Der Kalibrierschritt 141 des Vorgangs von 7 ist in 8 näher gezeigt. Hierbei weist der Kalibriervorgang ei nen Verarbeitungsschritt 150 zum Messen und/oder Ablesen der Schutzschaltungsspannung Vpc auf, was der Bestimmung der Spannungsausgabe der Schutzschaltung entspricht. Dem folgt ein Verarbeitungsschritt 151, in dem die Leerlaufspannung oder die mindestens im wesentlichen widerstandsfreie Spannung Voc der Batterie gemessen wird, woran sich ein Verarbeitungsschritt 152 anschließt, in dem die erhaltenen Werte von Vpc und Voc verglichen werden, um die Spannungsdifferenz zu bestimmen. In einem Verarbeitungsschritt 153 wird der resultierende Spannungskorrekturwert calib auf der Grundlage der im Schritt 152 erhaltenen Spannungsdifferenz und eines vorbestimmten Spannungsabfalls über der Schutzdiode des Batteriesatzes bestimmt. Ist keine Schutzdiode vorhanden, ist der Spannungskorrekturwert gleich dem Ergebnis von Schritt 152. Abschließend wird im Verarbeitungsschritt 154 die Korrekturspannung calib zur weiteren Verwendung während des Ladevorgangs gespeichert.
In 9 ist ein bekannter Ladevorgang gezeigt. Die Batterie von 9 ist eine voll entladene 1300-mAh-Lithium-Ionen-Batterie mit 3 Zellen und einer Ladeschlußspannung Veoc von 12,3 V. Allerdings weist der Batteriesatz eine Schutzdiode mit einem Spannungsabfall auf, der auf 300 mV eingestellt wurde, was beim Laden der Batterie berücksichtigt werden sollte. In 9 und den folgenden Darstellungen von 10 und 11 repräsentieren die punktierten Wellenformen die gemessene Ladespannung Vch, die durchgezogenen Linien stellen die gemessene Leerlaufspannung Voc dar, und die gestrichelten Wellenformen geben den gemessenen Ladestrom Ich an.
Der Ladevorgang von 9 weist einen Konstantstrommodus mit einem maximalen Ladestrom Imax von 1 A auf, dem ein konstanter Ladespannungsmodus mit einer maximalen Ladespannung Vmax von 12,66 V unter Berücksichtigung des Diodenspannungsabfalls folgt. Beendet wird der Ladevorgang im konstanten Ladespannungsmodus, wenn der Ladestrom auf etwa 60 mV gesunken ist. Aus 9 wird deutlich, daß innerhalb von 15 Minuten die Ladespannung auf etwa 12,66 V mit dem Ergebnis gestiegen ist, daß der Konstantstrom-Lademodus sehr kurz ist und nach 15 Minuten Laden endet, wobei zu diesem Zeitpunkt der Eintritt in den konstanten Ladespannungsmodus erfolgt. Um also die konstante Ladespannung beizubehalten, wird der Ladestrom in einem frühen Stadium des Ladevorgangs gesenkt, was zu einer recht langen Ladezeit von etwa 190 Minuten führt. Für Batterien mit einer größeren Kapazität als 1300 mAh ist die Ladezeit viel länger, folgt man dem bekannten Ladevorgang gemäß 9. Beim Beenden des Ladevorgangs von 9 hat die Leerlaufspannung etwa 12,42 V erreicht, was zeigt, daß die Ladeschlußspannung etwas geringer als 12,3 V ist, berücksichtigt man den Spannungsabfall über der Schutzdiode.
Der Batteriesatz von 9 weist auch eine Schutzschaltung mit einer Schwellenspannung von 12,6 V auf. Die Schutzschaltung 60 ist im Batteriesatz gemäß 2 angeordnet. Aus den Kurven von 9 geht hervor, daß Vchmax unter Berücksichtigung des Diodenspannungsabfalls so gering eingestellt wurde, daß die Schutzschaltungsspannung nie die Schwellenspannung von 12,6 V erreichen sollte.
Ein erfindungsgemäßes Ladeverfahren, das in den Ablaufplänen von 5 bis 7 beschrieben ist, zeigt 10. Die Batterie von 10 ist eine voll entladene 2600-mAh-Lithium-Ionen-Batterie mit 3 Zellen und einer Ladeschlußspannung Veoc von 12,3 V. Der Batteriesatz entspricht dem Batteriesatz 10 von 2 und weist somit eine Schutzdiode 13, eine Schutzschaltung 60 und eine Schaltung 70 zum Messen der Schutzschaltungsspannung auf.
Während des Starts des Ladevorgangs wird die Schaltung 70 zum Messen der Schutzschaltungsspannung kalibriert, wobei ab diesem Zeitpunkt der Ladestrom erhöht wird und der Ladevorgang in den Konstantstrom-Lademodus, die Phase I von 10, eintritt, in dem der maximale Ladestrom Imax auf 2 A eingestellt ist. Während des Ladevorgangs werden die Werte von Ich, Vch, Voc und Vpc bestimmt. Für den Ladevorgang von 10 wurde die maximale Ladespannung Vchmax auf 13,41 V eingestellt, und dieser Wert wurde durch Testladen der Batterie mit 2 A für unterschiedliche Spannungen bis zu dem Punkt ermittelt, an dem die Schutzschaltung 60 den Ladevorgang unterbricht. Der resultierende Wert Vchmax wurde also auf einen geringeren Wert eingestellt. Treten Variationen der Schwel lenwerte unterschiedlicher Ladeschaltungen auf, sollte dies berücksichtigt werden. Vchmax könnte auf einen geringeren Wert als zuvor diskutiert eingestellt werden. Durch Verwendung eines so hohen Werts von Vchmax ist der Ladestrom von 2 A für eine lange Zeitperiode bis etwa 47 Minuten ermöglicht, wobei zu diesem Zeitpunkt die Ladespannung Vchmax erreicht und der Ladevorgang in den konstanten Ladespannungsmodus, die Phase II von 10, eintritt.
Für den Ladevorgang von 10 wurde die maximale Leerlaufspannung Vocmax auf 12,48 V eingestellt, was der Ladeschlußspannung Veoc von 12,3 V nach Berücksichtigung des Schutzdioden-Spannungsabfalls von etwa 200 mV entspricht. Ferner wurde der Wert der maximal zulässigen Schutzschaltungsspannung Vpcmax auf 12,43 V gemäß der vorstehenden Diskussion eingestellt. Während der Ladephase II wird der Ladestrom verringert, um eine konstante Ladespannung zu halten, während die Batterieleerlaufspannung erhöht wird. Zu einem Zeitpunkt, der in 10 etwa 67 Minuten im Ladevorgang liegt, ist die Batteriespannung so weit gestiegen, daß die Schutzschaltungsspannung Vpcmax erreicht. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es der korrigierte Wert Vpcc, der Vpcmax erreichen sollte. Zu diesem Zeitpunkt tritt der Ladevorgang in den konstanten Schutzschaltungs-Spannungsmodus, in die Phase III von 10 ein. Während der Phase III wird die Ausgabe der Stromversorgung so gesteuert, daß sowohl der Ladestrom als auch die Ladespannung reduziert werden, um die Schutzschaltungsspannung auf Vpcmax zu halten.
Ist die Batteriespannung so weit gestiegen, daß Voc den Wert Vocmax erreicht, tritt der Ladevorgang in den konstanten wiederstandsfreien Spannungssteuermodus oder den konstanten Leerlaufspannungsmodus, in die Phase IV von 10 rund 76 Minuten nach Beginn des Ladevorgangs ein. Die Phase IV des Ladevorgangs setzt sich fort, bis der Ladestrom auf einen vorbestimmten Ladeschlußstrom Ieoc von 120 mA gesunken ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Ladevorgang schließlich beendet wird. Aus 10 wird deutlich, daß die Gesamtladezeit rund 113 Minuten beträgt, was viel kürzer als jene ist, die man durch die bekannte Technik von 9 erhalten könnte. Beim Beenden des Ladevorgangs liegt eine Differenz von etwa 240 bis 300 mV zwischen Vch und Voc vor. Diese Differenz ist Folge der zuvor diskutierten Spannungsabfälle der Verlustwiderstände und einer Differenz des Schutzdioden-Spannungsabfalls.
11 veranschaulicht einen Ladevorgang für eine voll entladene Lithium-Ionen-Batterie mit 3 Zellen und 1300 mAh. Der Ladevorgang wird durch das für den Ladevorgang von 10 verwendete Ladegerät durchgeführt. Allerdings wurde der maximale Ladestrom Imax wegen der geringeren Kapazität der Batterie auf 1,2 A reduziert, und der Ladeschlußstrom Ieoc wurde auf 60 mA gesenkt. Die anderen gespeicherten Ladeparameter haben die gleichen Werte wie für den Vorgang von 10. So ist für Veoc gleich 12,3 V der Wert von Vocmax auf 12,48 V eingestellt, Vchmax beträgt 13,41 V und Vpcmax beträgt 12,43 V. Aus 11 wird ersichtlich, daß infolge des geringeren maximalen Ladestroms der Ladevorgang nie in die Phasen III und IV von 10 eintritt. Somit wird nach dem Anfangs- und dem Speicherschritt der Kalibrierspannung dem konstanten Ladestrommodus etwa 55 Minuten gefolgt, bis Voc den Wert Vocmax erreicht, und ab diesem Zeitpunkt folgt der Ladevorgang dem konstanten widerstandsfreien Spannungssteuermodus oder konstanten Leerlaufspannungsmodus. Der konstante Leerlaufspannungsmodus bleibt beibehalten, bis der Ladestrom unter Ieoc sinkt, und der Ladevorgang wird nach etwa 89 Minuten Ladezeit beendet.
Beim Beenden des konstanten Ladestrommodus in 11 hat die Ladespannung einen Wert von 13,38 V, der sehr nahe an Vchmax liegt. Somit sollte der Ladevorgang für einen etwas höheren Imax-Wert auch einen konstanten Ladespannungsmodus und einen konstanten Schutzschaltungsmodus aufweisen. Dies wäre auch der Fall, wenn ein geringerer Wert für Vocmax gewählt ist.
Vergleicht man aber den Ladevorgang von 11, in dem die Ladeschlußspannung mit der Leerlaufspannung während des Ladevorgangs verglichen wird, mit dem Ladevorgang von 9, in dem die Ladeschlußspannung mit der Ladespannung verglichen wird, ist die Gesamtladezeit auf etwa 50% der Ladezeit von 9 reduziert.
Somit sollte klar sein, daß die Erfindung eine Lösung für das Schnelladen von Batterien mit einer Schutzschaltung bereitstellt, ohne den Ladevorgang durch eine solche Schutzschaltung unterbrechen zu lassen.
Ein Ablaufplan eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts der Erfindung ist in 12 gezeigt.
Der Ladevorgang von 12 zeigt einen einfachen Ladevorgang, der mit Hilfe eines Batterieladegeräts gemäß 1 durchgeführt werden kann. Da aber der Ladevorgang von 12 nur die Messung der Ladespannung Vch und des Ladestroms Ich erfordert, sind die Batterieüberwachungsschaltung 20, die Kommunikationsschnittstelle und die Kommunikationsleitung 53 unnötig. Weiterhin können die relevanten vorbestimmten Ladeparameter in der Mikrosteuerung 45 gespeichert sein. Zu diesen Parametern können gehören: der maximale Ladestrom Imax, die maximale Ladespannung Vmax, die vorzugsweise gleich der Ladeschlußspannung Veoc oder eine Funktion dieser Spannung sein sollte, eine oder mehrere Restladezeitperioden und der Stromwert Iend, bei dem es sich um den Wert handelt, bei dem der Ladestrom verringert werden sollte, bevor eine Restladezeitperiode bestimmt wird.
Hierbei können die gespeicherten Restladezeitperioden anhand von Testladen der Batterie in einem Ladevorgang bestimmt werden, in dem die Batterie in einem Konstantstrommodus gefolgt von einem Konstantspannungsmodus geladen wird, bis der Ladestrom auf einen Ladeschlußstrom Ieoc von 5 bis 10% des maximalen Stroms im Konstantstrom-Lademodus gesunken ist. Die Zeitperiode vom Erreichen von Iend bis zum Erreichen von Ieoc kann dann als Restladezeitperiode bestimmt werden.
In 12 beginnt der Ablaufplan mit einem Anfangsschritt 160 und fährt mit einem Verarbeitungsschritt 161 fort. Der Schritt 160 bezeichnet die Verbindung des Batteriesatzes 10 mit dem Ladegerät 40 und die Initialisierung der Mikrosteuerung 45. Soll das Ladegerät 40 für unterschiedliche Batteriearten und/oder -größen verwendet werden, kann die Batterie eine Schaltung zum Übermitteln von Batterieinformationen über eine Kommunikationsschnittstellenleitung 53 zur Mikrosteuerung 45 aufweisen. So kann während des Initialisierungsprozesses 160 die Mikrosteuerung 45 eine Batteriekennung von der Batterie ablesen, wobei diese Kennung als Referenz zum Adressieren batteriespezifischer vorbestimmter Ladeparameter verwendet werden kann, die in der Mikrosteuerung 45 gespeichert sind. Allerdings brauchen diese Parameter nicht im Ladegerät 40 oder in der Steuerung 45 gespeichert zu sein, sondern können in der Batterie vorgespeichert sein und der Mikrosteuerung 45 übermittelt werden.
Nach dem Beginn im Schritt 160 beginnt der Ladevorgang im Schritt 161. Hierbei beginnt der Ladevorgang mit einem geringen Ladestrom, und der Ladevorgang wird auf der Grundlage der Meßwerte des Ladestroms Ich und der Ladespannung Vch gesteuert. Somit werden im Schritt 161 Daten gemessen und verarbeitet, um die aktuellen Werte von Ich und Vch zu bestimmen. Kurz nach Beginn des Ladevorgangs liegt die Spannung Vch unter Vmax, und die Antwort im Entscheidungsschritt 162 ist verneinend, was zum Entscheidungsschritt 163 führt. Wiederum gilt zu Beginn des Ladevorgangs Ich < Imax, Vch < Vmax, und die Antwort auf den Schritt 163 ist bejahend, was zum Verarbeitungsschritt 164 führt. Im Schritt 164 wird die Ladeleistung erhöht, was durch Erhöhen des Tastverhältnisses des PWM-Signals 50 geschehen kann.
Während der ersten Phase des Ladevorgangs durchläuft die Schleife in 12 die Schritte 161, 162, 163 und 164, wodurch die Ladeleistung erhöht wird, bis Ich den Wert Imax erreicht, und zu diesem Zeitpunkt führt der Schritt 163 zum Entscheidungsschritt 165. Hat Vch noch nicht die Grenze Vmax erreicht, ist die Ausgabe des Schritts 165 verneinend, und die Ladeleistung wird durch Durchlaufen der Schleife 161, 162, 163 und 165 beibehalten. Wird aber Ich größer als Imax gemessen, wird die Ladeleistung im Verarbeitungsschritt 166 durch Senken des Tastverhältnisses des PWM-Signals 50 verringert. Hat Ich also Imax erreicht, wird als Ergebnis der Ladevorgang so gesteuert, daß in einem konstanten Ladestrommodus geladen wird, bis Vch den Grenzwert erreicht.
Erreicht Vch den Wert Vmax, geht die Schleife vom Schritt 163 zu den Schritten 165 und 166 über, um dadurch die Ladeleistung zu senken. Zu diesem Zeitpunkt tritt der Ladevorgang in einen konstanten Ladespannungsmodus ein, in dem Vch im wesentlichen konstant gehalten wird, während der Ladestrom Ich reduziert wird. Dies entspricht der Schleife mit den Schritten 161, 162, 163, 165 und 166 oder für Perioden, in denen die Leistung nicht verringert zu werden braucht, der Schleife mit den Schritten 161, 162, 163 und 165.
Ist der Ladestrom Ich auf den Wert Iend gesunken, ist die Antwort im Entscheidungsschritt 162 bejahend, und es erfolgt der Eintritt in einen Verarbeitungsschritt 168. Im Schritt 168 wird die Restladezeitperiode in Entsprechung zum Wert von Iend bestimmt, und der Ladevorgang fährt im konstanten Ladespannungsmodus für diese ermittelte Periode bis zum Ladeschluß im Schritt 167 fort.
Andere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Ladevorgängen lassen sich erhalten, indem Ieoc von 3 bis 7 durch Iend ersetzt und ein dem Schritt 168 entsprechender Verarbeitungsschritt vor dem Ende des Ladeschritts eingefügt wird.
Die Ablaufpläne von 3 bis 7 und 12 zeigen keine Bestimmung oder Ablesung der Batterietemperatur. Allerdings liegt es im Schutzumfang der Erfindung, einen oder mehrere Schritte zum Bestimmen und/oder Ablesen der Batterietemperatur vorzusehen. Durch Bestimmen der Batterietemperatur, die durch die Schaltung 70 in der Batterie gemessen und zur Mikrosteuerung 45 des Batterieladegeräts 40 übertragen werden könnte, kann der Ladevorgang gestoppt werden, wenn die Batterietemperatur eine vorbestimmte Grenze übersteigt, z. B. über 45°C oder über 50°C. Die Mikrosteuerung 45 kann auch geeignet sein, den Ladevorgang bei niedrigen Batterietemperaturen, z. B. unter 0°C, nicht zu starten. Für solche tiefen Temperaturen kann das Ladegerät geeignet sein, einen geringen Erhaltungsladestrom von z. B. 50 mA zuzuführen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Batteriesatzes 10 mit einer Überwachungsschaltung 20 ist in 13 gezeigt. Die Überwachungsschaltung 20 von 13 ist einfacher im Vergleich zur Überwachungsschaltung 20 von 2. So weist in der Ausführungsform von 13 die Überwachungs schaltung keinen Gasmeßschaltungsaufbau 70 zum Messen der Schutzschaltungsspannung auf, und der Strommeßwiderstand 74 entfällt ebenso. Statt dessen weist die Überwachungsschaltung 20 von 13 eine einfache RC-Stufe mit einem Widerstand 77 und einem Kondensator 76 auf. Vorzugsweise sind der Widerstand 77 und Kondensator 76 direkt über den Zellenklemmen mit dem Ergebnis verbunden, daß die Spannung des Kondensators 76 im wesentlichen gleich der Spannung über der (den) Batteriezelle(n) ist. Die anderen Komponenten des Batteriesatzes 10 in 13 entsprechen den Komponenten des Batteriesatzes 10 in 2.
Vorzugsweise sollten die Werte des Widerstands 77 und Kondensators 76 so hoch eingestellt sein, daß die Spannung des Kondensators 76 nicht wesentlich in Perioden geändert wird, in denen der Ladestrom ausgeschaltet sein kann, um Voc zu messen. Durch Messen der Spannung des Kondensators 76 kann somit die Zellenklemmenspannung in Entsprechung zur Schutzschaltungsspannung gemessen werden. Die Spannung kann am Stift 15 im verlauf von Meßperioden gemessen werden, in denen der Ladestrom unterbrochen ist, wobei die gemessene Spannung die Spannung für Perioden ununterbrochener Ladestromzufuhr darstellt. Die Schutzschaltungsspannung kann auch am Stift 15 gemessen werden, wenn die Batterie durch den Ladestrom geladen wird. Bei Verwendung der RC-Stufe von 3 ist keine Datenkommunikation auf der Leitung 53 zur Mikrosteuerung 45 nötig. Hier kann die Mikrosteuerung 45 geeignet sein, die Spannung an der Batterieklemme 15 zu messen, z. B. durch Verwendung eines A/D-Wandlers, der seine Eingabe über die Leitung 53 erhält. Als Alternative kann das Spannungssignal von der Batterieklemme 15 zum Signalaufbereitungs-Schaltungsaufbau 55 geführt werden, von wo aus das Spannungssignal eine Verbindungsleitung zur Mikrosteuerung 45 durchläuft.
Muß die zusätzliche Batterieklemme 15 eingespart werden, kann die Spannung des Kondensators 76 durch das Ladegerät 40 über die Batterieklemme 14 erfaßt werden, indem ein speziell gestalteter Schaltungsaufbau vorgesehen wird, der die Spannung des Kondensators 76 der Klemme 14 in Perioden zuführt, in denen die Ladestromzufuhr unterbrochen ist.
Zu beachten ist, daß die RC-Stufe 77, 76 von 13 auch für Batterien ohne Schutzschaltung verwendet werden könnte, wenn Bedarf am Messen der internen Batteriezellenspannung in Entsprechung zur Zellenspannung während der Zufuhr eines Ladestroms besteht. Die Spannung des Kondensators 76 kann wie zuvor beschrieben gemessen werden.
Verständlich sollte sein, daß die Erfindung auch eine einfache Ausführungsform eines Batteriesatzes 10 abdeckt, in dem der Widerstand 77 und der Kondensator 76 von 13 weggelassen sind und die Batterieklemme 15 direkt mit der Plusseite der Batteriezelle(n) 11a verbunden ist. So kann die interne Zellenspannung oder Schutzschaltungsspannung über den Batterieklemmen 15 und 16 gemessen werden. Alternativ kann eine zusätzliche Batterieklemme direkt mit der Minusseite der Batteriezelle(n) 11c verbunden sein, um den Spannungsabfall zu vermeiden, der durch die Schalter 67 und 68 der Schutzschaltung bewirkt wird. Ist keine Schutzschaltung 60 im Batteriesatz angeordnet, kann die Klemme 16 direkt mit der Minusseite der Batteriezelle(n) 11c verbunden sein.
Die Batteriesätze von 1, 2 und 13 weisen alle eine Überwachungsschaltung 20 mit einer Schutzschaltung 60 auf, und dem Fachmann sollte klar sein, daß der fünfte Aspekt der Erfindung Ausführungsformen erfaßt, die durch ein Batterieladegerät in Entsprechung zum Ladegerät 40 von 1 und für Batterien gemäß den Batteriesätzen 10 von 1, 2 und 13 betrieben werden könnten. Gemäß den Ausführungsformen des fünften Aspekts der Erfindung ist aber eine Schutzschaltung 60 unnötig, so daß dieser Aspekt der Erfindung auch für Batteriesätze ohne die Schutzschaltung 60 von 2 und 13 funktionieren würde.
Deutlich sollte sein, daß die Ablaufpläne von 3 bis 6 und der Ladevorgang von 10 auch Ladevorgänge gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung darstellen, wenn Vch gleich der externen Batterieklemmenspannung ist, Vchmax durch die externe Sicherheitsspannung ersetzt ist, Vpc durch die interne Zellenspannung ersetzt ist und Vpcmax durch die interne Sicherheitsspannung ersetzt ist.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung weist die zu ladende Batterie eine Speichereinrichtung auf, die vorzugsweise eine elektronische Speichereinrichtung sein kann, z. B. ein ROM, EEPROM und EPROM. Ein solcher elektronischer Speicher kann Teil der Überwachungsschaltung 20 der Batteriesätze von 1, 2 oder 13 sein, aber die elektronische Speichereinrichtung kann auch Teil eines Batteriesatzes ohne eine Überwachungsschaltung 20 und/oder Schutzschaltung 60 sein. Dem Fachmann sollte klar sein, daß der sechste Aspekt der Erfindung Ausführungsformen abdeckt, die durch ein Batterieladegerät in Entsprechung zum Ladegerät 40 von 1 betrieben werden könnten. So können die gespeicherten Batterieinformationen der Ladesteuerung 45 über die Kommunikationsleitung 53 übermittelt werden. Allerdings erfaßt die Erfindung auch Ausführungsformen unter Verwendung eines Kommunikationsbus mit zwei oder mehr Leitungen zur Datenkommunikation von der Batterie zum Ladegerät.
Verständlich sollte sein, daß die Batterie und das Ladesystem gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung auch Ausführungsformen erfassen können, die eine sogenannte intelligente Batterie und/oder ein intelligentes Batterieladegerät aufweisen. Die intelligente Batterie und das intelligente Batterieladegerät können vorzugsweise so konfiguriert sein, daß sie über einen sogenannten System-Management-Bus (SMBus) miteinander kommunizieren.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung diente zur Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll weder erschöpfend sein noch die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken, und natürlich sind zahlreiche Abwandlungen und Varianten für den Fachmann angesichts der Erfindung möglich.

Claims

Batterie (10) mit: mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle (11a, 11b, 11c) und einer Informationseinrichtung zum Speichern von Batterieinformationen als Anzeige mindestens eines ersten und eines zweiten Ladespannungsparameters, wobei die Batterieinformationen eine Form haben, die durch eine Informationsempfangseinrichtung eines entsprechenden Batterieladegeräts gelesen oder erfaßt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel darstellen.
Batterie nach Anspruch 1, wobei der erste Ladespannungsparameter einen höheren Spannungspegel als den anzeigt, der durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigt wird.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Ladespannungsparameter einen zweiten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Ladeschlußspannung ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen externen Lade- oder Schutzspannung ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen internen Lade- oder Schutzspannung ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Batterie ferner eine Schutzschaltung (60) zum Unterbrechen des Ladens aufweist, wenn die an der Schutzschaltung anliegende Spannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht, und der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Schutzschaltungs-Ladespannung ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen einen oder mehrere Widerstände aufweist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen einen oder mehrere elektronische Speicher aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sein können, die aus nichtflüchtigem ROM, EEPROM, EPROM und jeder Kombination daraus besteht.
Batterie nach Anspruch 8, wobei die Batterieinformationen im elektronischen Speicher vorab gespeichert sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Batterieinformationen ferner einen maximalen Ladestromparameter und/oder einen Ladeschlußstromparameter anzeigen.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Batterieinformationen ferner einen dritten Ladespannungsparameter anzeigen, wobei der dritte Ladespannungsparameter vorzugsweise einen höheren Spannungspegel als den anzeigt, der durch den ersten Ladespannungsparameter angezeigt wird.
Batterieladesystem mit: einer Batterie (10) nach Anspruch 1, und einem Batterieladegerät (40) mit einer Informationsempfangseinrichtung zum Lesen oder Erfassen der gespeicherten Batterieinformationen, wodurch das Laden der Batterie auf der Grundlage des ersten und zweiten Ladespannungsparameters gesteuert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Ladespannungsparameter vorbestimmte maximale Ladespannungspegel darstellen.
Batterieladesystem nach Anspruch 12, wobei der erste Ladespannungsparameter einen höheren Spannungspegel als den anzeigt, der durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigt wird.
Batterieladesystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei das System ferner aufweist: eine Stromversorgung (46) zum Zuführen eines Ladestroms zur Batterie, und einen Kommunikationsbus, und wobei die Informationsempfangseinrichtung die gespeicherten Batterieinformationen über den Kommunikationsbus empfängt und wobei ferner eine Steuereinrichtung die Stromversorgungsausgabe auf der Grundlage des ersten und zweiten Ladespannungsparameters steuert.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der zweite Ladespannungsparameter einen zweiten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Ladeschlußspannung ist.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Batterieladegerät geeignet ist, mindestens einen Teil des Ladevorgangs in einem ersten Spannungssteuermodus zu steuern, um eine Meßladespannung im wesentlichen auf oder unter einem durch den ersten Lade spannungsparameter angezeigten ersten Spannungspegel zu halten.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei das System ferner eine Einrichtung zum Bestimmen einer externen Ladespannung als Darstellung einer externen Batterieklemmenspannung aufweist, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen externen Lade- oder Schutzspannung ist.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei das System ferner eine Einrichtung zum Bestimmen einer internen Ladezellenspannung als Darstellung einer internen Zellenspannung aufweist, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen internen Lade- oder Schutzspannung ist.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei die Batterie ferner eine Schutzschaltung (60) zum Unterbrechen des Ladevorgangs aufweist, wenn die an der Schutzschaltung anliegende Spannung eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht, das System ferner eine Einrichtung zum Bestimmen einer Schutzschaltungs-Ladespannung als Darstellung der an der Schutzschaltung anliegenden Spannung aufweist, wenn ein Ladestrom der Batterie zugeführt wird, und der erste Ladespannungsparameter einen ersten Spannungspegel anzeigt, der im wesentlichen gleich einer vorbestimmten maximalen Schutzschaltungs-Ladespannung ist.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das Batterieladegerät geeignet ist, mindestens einen Teil des Ladevorgangs in einem zweiten Spannungssteuermodus zu steuern, um eine Meßbatteriespannung im wesentlichen auf oder unter einem durch den zweiten Ladespannungsparameter angezeigten zweiten Spannungspegel zu halten.
Batterieladesystem nach Anspruch 16 und 20, wobei das Batterieladegerät geeignet ist, die Batterie im ersten Spannungssteuermodus während eines ersten Teils des Ladevorgangs zu laden, gefolgt vom Laden der Batterie im zweiten Spannungssteuermodus während eines zweiten Teils des Ladevorgangs.
Batterieladesystem nach Anspruch 15 und 20 oder 21, wobei das System ferner eine Einrichtung zum Bestimmen einer mindestens im wesentlichen widerstandsfreien Batteriespannung aufweist, und das Batterieladegerät geeignet ist, den zweiten Spannungssteuermodus so zu steuern, daß die im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung im wesentlichen auf oder unter der maximalen Ladeschlußspannung gehalten wird.
Batterieladesystem nach Anspruch 22, wobei das Batterieladegerät geeignet ist, das Laden im ersten Spannungssteuermodus zu beenden, wenn die im wesentlichen widerstandsfreie Batteriespannung die maximale Ladeschlußspannung erreicht.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 23, wobei die Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen einen oder mehrere Widerstände aufweist.
Batterie nach einem der Ansprüche 12 bis 23, wobei die Informationseinrichtung zum Speichern der Batterieinformationen einen oder mehrere elektronische Speicher aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sein können, die aus nichtflüchtigem ROM, EEPROM, EPROM und jeder Kombination daraus besteht.
Batterieladesystem nach Anspruch 25, wobei die Batterieinformationen im elektronischen Speicher vorab gespeichert sind.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 26, wobei die Batterieinformationen ferner einen maximalen Ladestromparameter und/oder einen Ladeschlußstromparameter anzeigen.