DE69219733T2

DE69219733T2 - Stromquellenkontrollmodul für Batteriekontrolleinheit und Batterie mit diesem Modul

Info

Publication number: DE69219733T2
Application number: DE69219733T
Authority: DE
Inventors: Michel Perelle
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2012-11-20
Also published as: US5438252A; FR2684249A1; DE69219733D1; EP0544566B1; DK0544566T3; GR3024160T3; FR2684249B1; JPH05227676A; EP0544566A1; ATE153142T1; ES2101065T3

Description

Die Erfindung betrifft einen Speisekontrollmodul für eine Kontrolleinheit einer Batterie in einem so gespeisten Gerät sowie die Batterien solcher Moduln, insbesondere Batterien vom Lithiumtyp.
Zahlreiche elektrische Geräte, insbesondere autonome und tragbare Geräte, werden aus Batterien mit Energie gespeist, deren chemische Bestandteile unterschiedlich sind, die aber so gestaltet sind, daß sie in den gleichen Batteriefächern der zu speisenden Geräte untergebracht werden können, so daß sie praktisch austauschbar sind.
Trotz dieser Möglichkeit des Austausches besitzen diese Batterien nicht genau die gleichen elektrischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Ladung und Entladung.
Es ist aber bekannt, eine Überwachung der durch Batterien bewirkten Speisung mit einer Kontrolleinheit zu gewährleisten, die ein Gerät und/oder eine Schaltung aufweist, mit der mindestens einer der Parameter der Batterie gemessen werden kann, wie z.B. die Klemmenspannung, und/oder mit der ggf. die Wiederaufladung und/oder das Ende des Ladevorgangs gesteuert werden kann.
So beschreibt die Druckschrift US-A-3 900 785 eine Kontrolleinheit für den Ladestrom einer Akkumulatorbatterie, die eine Detektorschaltung mit einem Widerstand enthält, der in Reihe mit der Batterie geschaltet ist und mit seinen Klemmen an die Eingänge eines ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist, der als Komparator geschaltet ist, um wenig Strom zu verbrauchen und als Stromdetektor zu arbeiten. Die Druckschriften DE-A-4 103 470, DE-A-3 832 840 und EP-A-0 448 767 beschreiben je eine Kontrolleinheit für Batterien, die auch Detektorschaltungen mit Operationsverstärkern zur Überwachung enthalten und verwendet werden, um mindestens ein Merkmal bezüglich der Betriebsmöglichkeiten der Batterien zu bestimmen, denen sie ggf. zugeordnet sind.
Eine Kontrolleinheit dieser Art kann im allgemeinen nicht die Merkmale des Typs von Batterien erkennen, an die sie angeschlossen ist.
Eine nicht ausreichend wirkungsvolle Speisung kann aber große Nachteile für den Benutzer bringen, insbesondere wenn sie zu einem inkorrekten und/oder sporadischen Betrieb des Geräts oder seiner Kontrolleinheit führt. Außerdem kann in manchen Fällen die Batterie dabei beschädigt werden.
Die Erfindung bezieht sich also auf einen Speisekon trollmodul für die Kontrolleinheit einer Batterie zur Speisung eines Geräts, mit einer Detektorschaltung, die einer im Speisekreis des Geräts und der Batterie angeordneten Schalteinheit zugeordnet ist und einen Ableitwiderstand im Speisekreis des Geräts zwischen der Batterie und der Schalteinheit besitzt, wobei dieser Ableitwiderstand mit seinen Klemmen an die Eingänge eines ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist, der als Komparator geschaltet ist, um wenig Strom zu verbrauchen und als Stromdetektor zu arbeiten, der nur einen Ausgangsstrom liefert, wenn durch den Ableitwiderstand ein Verbrauchsstrom der Batterie oberhalb eines ersten vorbestimmten Werts fließt.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthält die Detektorschaltung außerdem einen zweiten Verstärker, der als Komparator geschaltet ist, um wenig Strom zu verbrauchen und als Stromdetektor zu wirken, wobei dessen Eingänge einerseits an die Klemmen des Ableitwiderstands und andererseits über diesen Widerstand an die Klemmen einer Diode angeschlossen sind, die in Reihe mit einem Eichwiderstand in einem zur Schalteinheit parallelen Zweig liegt, um einen Ausgangsstrom nur dann zu liefern, wenn entweder ein Schnelladestrom für die Batterie im Ableitwiderstand fließt, der auch die Schalteinheit durchfließt und der größer als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, oder wenn an den Klemmen der Diode eine Spannung entsprechend einem Erhaltungsladestromwert anliegt, der zwar größer als ein dritter vorbestimmter Wert, aber deutlich niedriger als der zweite vorbestimmte Wert ist.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt das Schaltbild einer Speisung eines elektrischen Geräts durch eine Batterie mit einem Speisekontrollmodul gemäß der Erfindung.
Dieser Speisekontrollmodul ist für eine Batterie 1 bestimmt, die aus mindestens einem und meist aus mehreren Akkumulatorelementen, hier 1a, 1b, ... in gebildet wird.
Diese Batterie 1 speist ein elektrisches Gerät 2, das von einer Kontrolleinheit überwacht wird, welche beispielsweise wie üblich einen Mikroprozessor enthält, was hier nicht weiter erläutert wird. Diese Kontrolleinheit kann verschiedene spezialisierte Moduln, die als Untereinheit 3 dargestellt, aber hier nicht weiter erläutert sind, da sie keinen direkten Bezug zur Erfindung haben, sowie einen Speisekontrollmodul enthalten, der Gegenstand der Erfindung ist.
Der Speisekontrollmodul der Batterie besteht hier aus einer Schalteinheit 4 und einer Detektorschaltung 5 sowie einer logischen Schnittstellenschaltung 6, die die Detektorschaltung mit der Schalteinheit und der Kontrolleinheit verbindet.
Die Batterie 1 enthält zwei Klemmen G1 und G2, nämlich eine positive und eine negative, über die einerseits das Gerät 2 und andererseits die Schaltungen 4, 5, 6 und mindestens ein Teil der Moduln der Kontrolleinheit gespeist werden können. Die Batterie ist ggf. über ein Ladegerät 0 wiederaufladbar, das beispielsweise eine individuelle Schnellaufladung der Akkumulatorelemente 1a bis 1n gewährleistet.
Das Ladegerät 0 und das elektrische Gerät 2 werden hier nicht weiter erläutert, da sie dem Fachmann wohlbekannt sind und ihre jeweiligen internen Strukturen keinen direkten Bezug zur Erfindung haben.
Die Schalteinheit 4 ist eine klassische Elektronikschaltung, die in Reihe in den Speisekreis zwischen dem Gerät 2 und der Batterie 1 eingefügt ist, d.h. hier zwischen die Klemme G2 der Batterie und eine Klemme G3 zur Speisung des Geräts, wobei die Speisung des Geräts und die Aufladung der Batterie über das Ladegerät zwischen den Klemmen G1 und G3 erfolgen. Die Schalteinheit 4 enthält mindestens einen, hier zwei Steuereingänge E1 und E2, deren Wirkung zu einer Unterbrechung einer leitenden inneren Verbindung führt, die ansonsten zwischen den Klemmen G2 und G3 besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schalteinheit 4 physisch der Batterie zusammen mit den Schaltungen 5 und 6 zugeordnet, beispielsweise in einem Modul, der in das individuelle Gehäuse eines Akkumulatorelements, falls dieses allein verwendet werden soll, oder in das gemeinsame Fach aller Akkumulatorelemente einer Batterie inkorporiert ist.
Die Detektorschaltung 5 enthält zwei Operationsverstärker 7, 8 und einen Ableitwiderstand 9. Der Ableitwiderstand liegt in Reihe zwischen der Schalteinheit 4 und der Klemme G2 der Batterie und wird vom Strom durchflossen, der von dieser Batterie kommt, wenn die innere leitende Verbindung der Schalteinheit hergestellt ist.
Die Operationsverstärker sind in ähnlicher Weise je als Komparator geschaltet. Einer von ihnen ist bei Verwendung der Batterie als Speisequelle wirksam und der andere bei der raschen Wiederaufladung oder der Erhaltungsladung der Batterie. Das Gerät wird während dieser Zeit nicht gespeist.
Der Operationsverstärker 7 ist an die Klemmen des Ableitwiderstands 9 über zwei Widerstände 10 und 11 angeschlossen, von denen der eine an den invertierenden Eingang und der andere an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers führt. Ein hochohmiger Regelwiderstand 13 verbindet weiter den invertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers 7 mit der positiven Klemme G1 und wirkt mit dem Widerstand 10 zur Bildung der Kippschwelle des Komparators in der Nutzungsphase des Geräts 2 zusammen.
Der Verstärker 8 ist während des Ladens aktiv und besitzt einen invertierenden Eingang, der über einen Widerstand 14 an die Klemme G2 angeschlossen ist, sowie einen nicht-invertierenden Eingang, der über einen Widerstand 15 an den gemeinsamen Punkt der Widerstände 16 und 17 einer Spannungsteilerbrücke angeschlossen ist, die mit einem Ende und über den Widerstand 16 an der Klemme G1 und mit dem anderen Ende über den Widerstand 17 und einen Eichwiderstand 18 in Reihe an der Klemme G3 liegt. Der Widerstand 17 wirkt mit dem Widerstand für die Festlegung der Kippschwelle des entsprechenden Komparators in der Schnelladephase zusammen.
Eine Diode 19, ggf. eine Elektrolumineszenzdiode, ist in Reihe mit dem Widerstand 18 in einem Zweig parallel zur Schalteinheit 4 eingefügt und einerseits mit der Kathode an die Klemme G2 über den Ableitwiderstand 9 genauso wie die negativen Speiseeingänge der Verstärker 7 und 8 und der Kontrolleinheit 3 sowie andererseits mit der Anode an die Klemme G3 über den Widerstand 18 angeschlossen.
Die Diode und der Operationsverstärker 8 erlauben die Erfassung eines Erhaltungs-Ladestroms, der aufgrund seiner relativ geringen Stromstärke im Vergleich zu dem Schnelladestrom und dem Entladestrom zu gering ist, um in Höhe des Ableitwiderstands 9 erfaßt werden zu können.
Die Schnittstellenschaltung 6 ist an die Ausgänge der Operationsverstärker 7 und 8 angeschlossen.
Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 7 gelangt an einen ersten Eingang von zwei NICHT-UND-Toren 21 und 22 über einen Inverter 23, während das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 8 an einen ersten Eingang von zwei NICHT-UND-Toren 24, 25 gelangt, und zwar an das Tor 24 über einen Inverter 29.
Ein zweiter Eingang jedes der Tore 22 und 24 empfängt ein Signal von der Kontrolleinheit 3 über eine Klemme G5, was das Tor 22 angeht, bzw. über eine Klemme G4, was das Tor 24 angeht, das außerdem über einen hochohmigen Widerstand 27 mit der Klemme G1 verbunden ist.
Ein NICHT-UND-Tor 26 ist schließlich über einen ersten Eingang an den Ausgang des Tors 22 und über einen zweiten Eingang an den Ausgang des Tors 25 angeschlossen, wobei letzteres mit seinem zweiten Eingang an den Ausgang des Tors 26 gemäß einer klassischen Schaltung angeschlossen ist.
Der Inverter 23 speist über in Reihe liegende Tore 21 und 30 entweder direkt oder über die Torschaltung 22, 25, 26 die nicht dargestellten wesentlichen Elemente der Kontrolleinheit 3, die während der Nutzung der Batterie zur Speisung des Geräts aktiv sind.
Dieser Inverter 23 steuert auch den Aufbau der inneren leitenden Verbindung in der Schalteinheit 4 zwischen den Klemmen G2 und G3 über einen Steuereingang E1 dieser Einheit und gemäß den Pegeln des Ausgangssignals des Verstärkers 7 bzw. des entsprechenden an das Tor 22 von der Kontrolleinheit 3 über eine Klemme G5 gelieferten Signals.
Der Inverter 29 speist auch die nicht dargestellten wesentlichen Elemente der Steuereinheit 3, die in der Ladephase der Batterie aktiv sind.
Dieser Inverter 29 steuert auch die Schaltung 28 zur Steuerung der Schalteinheit 4 in Verbindung mit dem Tor 24 und wirkt auf den Eingang E2 der Schalteinheit derart ein, daß die innere leitende Verbindung dieser Schalteinheit hergestellt wird, wenn die Batterie sich im Schnelladebetrieb befindet, während die Verbindung unterbrochen wird, wenn eine Angabe hinsichtlich der Erhaltungsladung gemacht wird.
Die Steuerschaltung 28 besitzt beispielsweise einen nicht dargestellten Multivibrator.
Wenn die Batterie 1 und der Speisekontrollmodul alleingelassen werden, beispielsweise im Lager, ohne an ein Gerät 2 mit der zugeordneten Kontrollogik, oder an ein Ladegerät 0 angeschlossen zu sein, ist die innere leitende Verbindung der Schalteinheit 4 unterbrochen, und der Verbrauch beschränkt sich auf den der Operationsverstärker 7 und 8 und der Widerstände zwischen ihnen.
Dieser Verbrauch ist vernachlässigbar, wenn die Verstärker als Komparatoren betrieben werden und einen sehr geringen Einheitsverbrauch aufgrund ihrer Technologie aufweisen, die beispielsweise vom Typ C-MOS ist.
Befindet sich die Batterie 1 in der Schnelladephase, dann durchquert den Ableitwiderstand 9 ein starker Strom und steuert den Operationsverstärker 8. Die wesentlichen Elemen te der Moduln der Steueruntereinheit 3, die in der Ladephase aktiv sind, werden dann gespeist und die Schalteinheit 4 ist durchgeschaltet.
Befindet sich die Batterie 1 in der Erhaltungsladephase, wird die Spannung an den Klemmen der Diode 19 vom Operationsverstärker 8 berücksichtigt, da kein ausreichender Strom durch den Ableitwiderstand 9 fließt und da deshalb die Schalteinheit 4 in den gesperrten Zustand gesteuert ist.
In der Nutzphase der Batterie 1 zur Speisung des Geräts 2 speist der Operationsverstärker 7 die wesentlichen in der Nutzphase aktiven Elemente der Steueruntereinheit 3 und hält die Verbindung in der Schalteinheit 4 in Abwesenheit eines Fehlers aufrecht, wie z.B. eines Überstroms oder einer Tiefentladung während der Entladung der Batterie, wobei dieser Fehler der Schaltung 6 über die Klemme G5 mitgeteilt wird.
Wenn mindestens die Detektorschaltung 5 eines Speisekontrollmoduls permanent einer Batterie eines bestimmten Typs zugeordnet ist, indem sie beispielsweise in das Gehäuse dieser Batterie ggf. mit den beiden weiteren Schaltungen eingebaut ist, dann gibt es keine Schwierigkeit, stets über einen Modul zu verfügen, der speziell den besonderen Merkmalen einer solchen Batterie angepaßt ist und unter standardisierten Bedingungen für verschiedenen Typen von austauschbaren Batterien die übrigen Elemente einer Batteriekontrolleinheit steuern kann.

Claims

1. Speisekontrollmodul für die Kontrolleinheit einer Batterie (1) zur Speisung eines Geräts (2), mit einer Detektorschaltung (5), die einer im Speisekreis des Geräts und der Batterie angeordneten Schalteinheit zugeordnet ist und einen Ableitwiderstand (9) im Speisekreis des Geräts zwischen der Batterie und der Schalteinheit besitzt, wobei dieser Ableitwiderstand mit seinen Klemmen an die Eingänge (+, -) eines ersten Operationsverstärkers (7) angeschlossen ist, der als Komparator geschaltet ist, um wenig Strom zu verbrauchen und als Stromdetektor zu arbeiten, der nur einen Ausgangsstrom liefert, wenn durch den Ableitwiderstand ein Verbrauchsstrom der Batterie oberhalb eines ersten vorbestimmten Werts fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung außerdem einen zweiten Verstärker (8) aufweist, der als Komparator geschaltet ist, um wenig Strom zu verbrauchen und als Stromdetektor zu wirken, wobei dessen Eingänge (+, -) einerseits an die Klemmen des Ableitwiderstands und andererseits über diesen Widerstand an die Klemmen einer Diode (19) angeschlossen sind, die in Reihe mit einem Eichwiderstand (18) in einem zur Schalteinheit parallelen Zweig liegt, um einen Ausgangsstrom nur dann zu liefern, wenn entweder ein Schnelladestrom für die Batterie im Ableitwiderstand fließt, der auch die Schalteinheit durchfließt und der größer als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, oder wenn an den Klemmen der Diode eine Spannung entsprechend einem Erhaltungsladestromwert anliegt, der zwar größer als ein dritter vorbestimmter Wert, aber deutlich kleiner als der zweite vorbestimmte Wert ist.

2. Speisekontrollmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Detektorschaltung mit dem ersten und dem zweiten Operationsverstärker (7, 8) enthält, deren Eingänge (+, -) mit demselben Ableitwiderstand (9) verbunden sind und von denen der erste bei der Entladung der Batterie und der zweite beim Laden der Batterie aktiv ist.

3. Speisekontrollmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Operationsverstärker (7) über seinen Ausgang die wesentlichen Elemente der anderen Moduln der Steuereinheit speist, die von der Batterie in der Nutzphase der Batterie als Stromquelle gespeist werden sollen.

4. Speisekontrollmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Operationsverstärker (8) über seinen Ausgang die wesentlichen Elemente der anderen Moduln der Steuereinheit speist, die aus der Batterie während der Ladephase der Batterie gespeist werden sollen.

5. Speisekontrollmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine logische Schnittstellenschaltung (6) zwischen den beiden Operationsverstärkern (7, 8) seiner Detektorschaltung (5), der Schalteinheit (4) und einer Untereinheit (3) aufweist, die von den anderen Moduln der Steuereinheit gebildet wird, wobei diese logische Schaltung die Speisung der Moduln der während der Ladephase bzw. während der Nutzphase der Batterie ausgehend von der Batterie und über die Operationsverstärker (7, 8) kontrolliert, sowie die Schalteinheit (4) steuert.

6. Speisekontrollmodul für eine leichte Batterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Detektorschaltung (5) und ggf. eine Schalteinheit (4) und/oder eine Schnittstellenschaltung (6) enthält, die physisch in ein Gehäuse eines Akkumulatorelements, falls es allein verwendet werden soll, oder in das Gehäuse von einer Gruppe von Akkumulatorelementen einer Batterie inkorporiert sind.

7. Akkumulatorbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Speisekontrollmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in ihrem Gehäuse enthält.