DE69711651T2

DE69711651T2 - Versorgungseinheit und lader für batteriebetriebene elektrische vorrichtung und dazugehöriges verfahren

Info

Publication number: DE69711651T2
Application number: DE69711651T
Authority: DE
Inventors: Jiewen Liu
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: EE03786B1; ID18311A; EP0927448B9; RU2195064C2; CO4750743A1; WO1998012790A1; CN1117421C; NO991345L; EP0927448A1; AU730758B2; NO991345D0; DE69711651D1; BR9711518A; US5814973A; AU4480397A; CN1238070A; JP3860217B2; HK1018856A1; JP2001501076A; EE9900096A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft in allgemeinen elektrische Geräte, die durch wiederaufladbare Batterien betrieben werden und insbesondere eine Energieversorgungs- und Ladeeinheit und ein Verfahren für den Betrieb eines elektrischen Gerätes und Batterieladen mit Energiequellen veränderlichen Stroms.
In einer elektrischen Einrichtung wie z. B. einem Zellulartelefon ist eine Batterie üblicherweise die Energieversorgung für die Einrichtung. Eine Telefonbatterie wird beispielsweise durch Verbinden des Telefons mit einer externen, Lader genannten Energieversorgung aufgeladen. Üblicherweise wird der Ladeprozess durch in dem Telefon enthaltene Software gesteuert.
Der Aufbau und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erweitern das derzeitige Steuerverfahren von einer Konstantstromquelle zu einer zeitvarianten Stromquelle, die in neuen Produkten erforderlich ist. Das bedeutet, die konventionelle Konstantstromquelle ist teuer herzustellen und um Herstellungskosten zu reduzieren, schließen neue Produkte einen signifikant weniger teuren Lader ein, der einen zeitvarianten Strom bereitstellt. Die Erfindung verwendet ein neues Verfahren zum Steuern des Aufladens und Betreibens von Telefonbatterien mit variablem Strom. Das Verfahren nutzt eine verbesserte, vereinheitlichte Stromsteuerformel für sowohl das Batterieladen als auch die Energiezufuhr mit variierenden Energiequellen. Eine variierende Zeitperiode wird auch vorgeschlagen zum Glätten des mittleren Ausgangsstroms.
Zuvor stellten Lader für die Zellulartelefone Konstantstromquellen bereit. Die Telefonbatterie konnte direkt geladen werden durch Verbinden eines Laders mit dem Telefon ohne irgendeine Stromsteuerung. Wenn dem Telefon Strom zugeführt worden ist, wurde eine Formel verwendet zum Berechnen der EIN-Periode eines Tastgrades (relative Einschaltdauer), in der ein prozentualer Anteil des Ladestromes (Icharge) EIN-schaltet über eine regelmäßige Zeitperiode T. Daher ist der mittlere Betrag des Stromes (Iphone) über diese Zeitperiode gleich dem bevorzugten Telefonstrom.
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Iphone/Icharge) · T ...(1)
Für eine Konstantstromquelle ist Icharge eine Konstante und Iphone ist eine Konstante entsprechend eines Telefonleistungspegels. Die EIN-Periode des Tastgrades ist demnach auch eine Konstante bei jedem Leistungspegel.
Standardlader sind einfache Wechselstrom-/Gleichstromadapter, die das Telefon unmittelbar mit einer Steckdose über einen Systemverbinder des Telefons verbinden. Die Standardlader stellen einen ungefilterten und ungeregelten Ausgangsstrom bereit unter Verwendung eines traditionellen Transformators und einer Vollbrückengleichrichtereinrichtung zum Umwandeln von 110 V (oder 220 V) Wechselstrom (AC) in 6 V Gleichstrom (DC). Der Betrag des Ausgangsstroms eines Standardladers variiert basierend auf der Zeit und der Spannung über seine Last. Im allgemeinen ist der Ausgangsstrom eine Vollwelle mit Amplituden von 0-1,5 A bei 120 Hz (oder 100 Hz) und ein Mittelwert um 700 mA. Die Lastspannung des Laders ist in diesem Fall die typische Batteriespannung. Je niedriger die Lastspannung ist, um so höher wird der Ausgangsstrom sein und umgekehrt.
Das US-Patent 5,539,298 offenbart ein Computersystem, das mit einem AC-Adapter und einem Batteriesatz bzw. Batteriepack verbunden sein kann. Wenn der AC-Adapter nicht vorhanden ist, wird der Computer von der Batterie mit Energie versorgt, und wenn der AC-Adapter vorhanden ist, stellt die Wechselstromquelle Energie zur Verfügung für den Computer und zum Laden der Batterie. Der Ladestrom kann impulsartig sein und ein Spitzenpegel des Impulses ist abhängig davon, ob der Computer EIN-geschaltet ist oder aus. Ein Nachteil dieses Systems ist jedoch, dass es nicht eine zeitvariante Stromquelle aufnehmen kann.
Wenn eine zeitvariante Stromquelle verwendet wird zum Laden einer Batterie, kann die Telefonbatterie nicht einfach durch Treiben des Ladestroms geladen werden. Der Eingangsladestrom muss kontinuierlich gemessen werden. Daher ist das konventionelle Batterieladeverfahren, das eine Konstantstromquelle verwendet, nicht länger angemessen und ein neues Verfahren ist erforderlich, um einen bevorzugten Ladestrom bei einer Zeitperiode zu generieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein einheitliches Batterieladeverfahren bereitgestellt zum Ermöglichen der Steuerung von Konstantstromquellen sowie von zeitvarianten Stromquellen. Abweichend von den Ladeverfahren, die für eine Konstantstromquelle verwendet werden, muss der Eingangsstrom einer zeitvarianten Stromquelle kontinuierlich während des Ladevorganges geprüft werden. Der Betrag des Ausgangsstroms zum Laden der Batterie oder zum Zuführen der Telefonenergie kann auf unterschiedliche gewünschte Werte eingestellt werden durch Auswählen eines unterschiedlichen Tastgrades basierend auf der Eingangsstrommessung. Um die Berechnung des bevorzugten Ausgangsstroms zu verbessern, wird eine einheitliche Formel für unterschiedliche Energiequellen (Iinput) und unterschiedliche gewünschte Ströme (Iout-des) bereitgestellt in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Zusammenhang. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Berechnungsmethode zum Steuern des Stroms zu dem Telefon genau ist unabhängig davon, ob die Suromquelle konstant ist oder zeitvariant. Beim Laden der Telefonbatterie ist Iout-des der Strombetrag, der wünschenswert ist zum Laden der Batterie. Beim Versorgen des Telefos mit Energie ist Ioutdes der Strombetrag, der wünschenswert ist zum Betreiben des Telefons in unterschiedlichen Betriebsmodi. Beim Verwenden einer konstanten Energiequelle ist Iinput ein konstanter Wert einer externen Energiequelle. Beim Verwenden einer zeitvarianten Energiequelle variiert Iinput und muss jederzeit gemessen werden. Für alle Situationskombinationen können die unterschiedlichen gewünschten Ausgangsströme erreicht werden durch Ändern des Tastgrades innerhalb einer Zeitperiode.
Gemäß anderer Aspekte der Erfindung wir eine einstellbare Zeitperiode t vorgesehen zum Erhalten eines glatteren Durchschnittstroms, was die Ladeeffizienz erhöht. In manchen Beispielen, beispielweise wenn der Eingangsstrom viel größer ist als der benötigte Strom, müsste der prozentuale Anteil des Einschaltens derart signifikant reduziert werden, dass der Strom nur in kurzen Impulsen angewendet würde. Da der Tastgrad ein prozentualer Anteil davon ist, dass der Ladestrom (Iinput) EIN-geschaltet ist über eine regelmäßige Zeitperiode T, kreiert ein kurzer Impuls ein langes Zeitintervall, in dem der Ladestrom AUS-geschaltet ist. Ein solcher intermittierender Ladeprozess ist nicht glatt und daher nicht erstrebenswert. Für die zeitvariante Stromquelle ist die Differenz zwischen dem gewünschten Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom auch zeitvariant. Wenn eine feste Zeitperiode verwendet wird, wird das mittlere Ergebnis umso schlechter, je größer die Differenz ist. Die Zeitperiode t kann daher modifiziert werden basierend auf der Differenz zwischen Iinput und Iout-des Wenn diese Differenz kleiner ist als 0 (d. h. Iinput ≤ Iout-des), wird die Zeitperiode kontinuierlich weiter ausgedehnt bis ΔI das Vorzeichen wechselt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung schließt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung (a) das Messen eines Eingangsstroms Iinput von der Stromquelle ein, (b) das Auswählen eines gewünschten Ausgangsstroms Iout-des in Übereinstimmung mit vorbestimmten Betriebsparametern, (c) Bestimmen der EIN-Periode eines Tastverhältnisses in Übereinstimmung mit Iinput und Iout-des und (d) Zuführen von Energie Iinput zu der elektrischen Einrichtung in Übereinstimmung mit dem Tastgrad. Der Schritt (b) kann praktiziert werden durch Auswählen von Lout-des in Übereinstimmung mit einer Batterieladeoperation und der Schritt (d) kann praktiziert werden durch Zuführen von Energie zum Laden der Batterie. Die EIN-Periode des Tastgrades ist ein Produkt eines Tastgrades und einer Zeitperiode. In dieser Hinsicht wird Schritt (c) ausgeführt durch Variieren des Tastgrades über die Zeitperiode. In einem alternativen Prozess ist die Zeitperiode eine Funktion von (Iinput - Iout-des) und Schritt (c) wird praktiziert durch Variieren der Zeitperiode.
Schritt (b) kann praktiziert werden durch Bestimmen, ob die Batterie aufgeladen werden muss und wenn ja, Einstellen von Iout-des auf einen Batterieladestrom (Ibattery). Wenn in diesem Zusammenhang die Batterie nicht geladen zu werden braucht, kann Schritt (b) praktiziert werden durch Einstellen von Iout-des auf einen Einrichtungsbetriebsstrom (Idevice).
In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung gemäß der Erfindung ist ein Netzteil für ein batteriebetriebenes elektrisches Gerät bereitgestellt. Das Netzteil ist mit einer Konstantstromquelle koppelbar und einer zeitvarianten Stromquelle. Das Netzteil schließt einen A/D-Umsetzer ein, der den Eingangsstrom (Iinput) von der Stromquelle überwacht, einen Speicher zum Speichern gewünschter Ausgangsströme (Iout-des) entsprechend vorbestimmter Betriebsparameter und einen Controller, der einen Tastgrad bestimmt in Übereinstimmung mit Iinput und Iout-des wobei der Controller einen Schalter steuert, um den Eingangsstrom (Iinput) zu dem elektrischen Gerät zu treiben in Übereinstimmung mit der EIN- Periode des Tastverhältnisses. Das Netzteil kann außerdem eine wiederaufladbare Batterie einschließen, die mit dem elektrischen Gerät gekoppelt ist zum Versorgen des elektrischen Gerätes mit Energie, wenn die Stromquelle unterbrochen ist.
Das Netzteil kann außerdem eine Ladeschaltung enthalten, die mit dem Controller kommuniziert, wobei der Controller die Ladeschaltung schließt zum Laden der Batterie in Übereinstimmung mit den vorbestimmten Parametern. Die vorbestimmten Parameter umfassen vorzugsweise mindestens eine Lademodus und einen Einrichtungsbetriebsmodus. Wenn sich die Einrichtung diesbezüglich im Lademodus befindet, setzt der Controller Iout-des auf einen Batterieladestrom I(battery) und wenn die Einrichtung sich im Einrichtungsbetriebsmodus befindet, setzt der Controller Iout-des auf einen Einrichtungsbetriebsstrom I(device).

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Dies und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden detailliert beschrieben unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Netzteils gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Prozesses, der von dem Mikroprozessor des Netzteils ausgeführt wird;
Fig. 3 eine Stromsteuergrafik, Iinput und Iout-des über die Zeit darstellend;
Fig. 4 eine Grafik des mittleren Ausgangsstroms, wenn Iinput) > > Iout-des;
Fig. 5A-5C Grafiken der Stromsteuerung unter Verwendung variierender Zeitperioden; und
Fig. 6 ein Zustandsmaschinendiagramm gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm und zeigt den Netzteilaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Netzteil 10 schließt einen Lader 12 ein, der mit einer Wechselromenergiequelle wie z. B. einer Steckdose verbunden ist. Der Eingangsstrom Ich fließt zu dem Schalter 14, der geöffnet und geschlossen wird basierend auf einem Signal ICTRL von einem Mikroprozessor 16. Der Mikroprozessor steuert den Schalter 14 über eine Ladeschaltung 18 in Übereinstimmung mit dem Steueralgorithmus der vorliegenden Erfindung. Der Mikroprozessor 16 greift auf ein EEPROM zu, das benötigte Ausgangsströme (Iout-des) zum Laden und Betriebsparameter des Telefons speichert. Das EEPROM speichert auch andere Variablen in Übereinstimmung mit der folgenden Tabelle:
Die Einrichtungsbatterie 20 empfängt den Eingangsstrom Ibattery zum Laden der Batterie, wenn das Netzteil sich im Lademodus befindet und der Schalter 14 geschlossen ist.
Der von dem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte Algorithmus wird beschreiben unter Bezugnahme auf Fig. 2. Der Beschreibung halber ist ein Zellulartelefon als elektronische Einrichtung beschrieben, obwohl die Erfindung auf andre elektronische Einrichtungen anwendbar ist und die Erfindung nicht als auf ein Zellulartelefon beschränkt gedacht ist.
Wenn ein Lader mit einem Telefon (mit einer Batterie) verbunden ist, wird ein Ladezyklus veranlasst. Die Ladefunktion kann entweder ausgeführt werden, wenn ein Telefon EIN-geschaltet ist mit vollem Dienstangebot oder AUSgeschaltet. Der Ladestrom wird immer moduliert durch Steuern des Ladeschalters ICTRL während eines Ladezyklus. Der Strombetrag, der dem Telefon oder der Batterie zugeführt wird, hängt von unterschiedlichen Betriebsmodi und der Batteriespannung ab.
Eine Laderverbindung wird erfasst durch Fühlen des Ladestroms im Schritt 101. Dieser Strom wird jede Sekunde durch Schalten von ICTRL auf EIN gefühlt und Messwerte des Stromausgangs von dem Lader durch die Ladeschaltung. Ein Lader wird erfasst, wenn der mittlere Stromwert höher ist als der Ladestromschwellwert (Schritt S102).
Wenn ein Lader erfasst wird, wird der Ladealgorithmus aktiviert in Schritt S103. Wie oben erwähnt, muss im Gegensatz zum konventionellen Ladeverfahren, das für eine Konstantstromquelle verwendet wird, der Eingangsstrom einer zeitvarianten Stromquelle kontinuierlich während des Ladeprozesses geprüft werden (Schritt S104). Der Eingangsstrom Icharge wird dann gemittelt zu Iinput im Schritt S105. Das bedeutet, der Ladestrom muss gelesen werden, während ICTRL EIN-geschaltet ist und der Stromausgang von einem Standard-AC/DC-Lader ist 120 Hz Vollwellen. Bedenkend, dass es in einem Standardschnellader einen 4700 uF-Kondensator gibt, der eine lange Übergangszeit bewirkt jedes Mal, wenn ICTRL sich ändert, wird der Strom alle 5 Sekunden durch Aufnehmen von 5 Messwerten in 8 ms gemessen, nachdem ICTRL für 50 ms EIN-gestellt worden ist. Eine neue Stromablesung ist ein Mittelwert von 10 Abtastungen. Der Iinput wird dann berechnet unter Verwendung eines Filtermittelwertes durch Addieren der neuen Stromablesung und des vorangegangenen Iinput Zusammen mit der Gewichtung 1/32 bzw. 31/32.
Als nächstes wird in Schritt S106 bestimmt, ob die Batterie geladen zu werden braucht. Ist dies der Fall (JA in Schritt S106), geht der Mikroprozessor zu Schritt S107. Wenn nicht (NEIN in Schritt S106), geht der Mikroprozessor zu Schritt S108. In Schritten S107 und S108 wird der für das Laden der Batterie bzw. das Betreiben des Telefons benötigte Strom eingestellt als gewünschter Ausgangsstrom Iout-des basierend auf dem Betriebsmodus. Der Betrag des Ausgangsstroms zum Laden der Batterie zur Energieversorgung des Telefons wird eingestellt auf einen gewünschten Wert von dem Mikroprozessor durch Auswählen eines unterschiedlichen Tastgrades basierend auf der Eingangsstrommessung (siehe Fig. 3). Eine einheitliche Formel für unterschiedliche Energiequellen (Iinput) und verschiedene benötigte Ströme (Iout-des) wird folgendermaßen bereitgestellt:
Iout-des = Iinput · Tastgrad ...(2)
Und
EIN-Periode des Tastverhältnisses = Tastgrad · T ...(3)
Wobei T die Zeitperiode zum Erhalten des mittleren Stroms Iout-des ist. Wie oben bemerkt, ist ein Vorteil der einheitlichen Formel, dass es egal ist, welcher Art Stromquelle verwendet wird, eine konstante oder eine zeitvariante, die Formel (2) kann immer verwendet werden als gemeinsames Berechnungsverfahren. Beim Laden der Telefonbatterie ist Iout-des der Betrag des Stroms, der benötigt wird zum Laden der Batterie und wenn das Telefon mit Energie versorgt wird ist Iout-des der Betrag des Stroms zum Kompensieren des in unterschiedlichen Betriebsmodi verbrauchten Telefonstroms. Wenn eine Konstantenergiequelle verwendet wird, ist Iinput ein konstanter Wert der externen Energiequelle. Wenn eine zeitvariante Energiequelle verwendet wird, ändert sich Iinput und muss die ganze Zeit gemessen werden. Für alle Situationskombinationen können unterschiedliche Ausgangsströme eingehalten werden durch Ändern des Tastgrades innerhalb einer Zeitperiode. Fig. 3 zeigt die Stromsteuerung unter Verwendung der Formeln (2) und (3) für Batterieladen und für Telefonenergieversorgung. Beachte, dass für einen spezifizierten Ausgangsstrom Iout-des der Tastgrad zunimmt, wenn der Eingangsstrom Iinput abnimmt.
In Schritt S109 wird diee EIN-Periode des Tastgrades berechnet in Übereinstimmung mit Iinput und Iout-des basierend auf den Formeln (2) und (3) derart, dass:
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Iout-des/Iinput) · T ...(4)
Die EIN-Periode des Tastverhältnisses wird dann ausgegeben für die ICTRL-EIN-Schalt- oder AUS-Schalt-Steuerung und die Leistung (Ioutput) wird dem elektrischen Gerät zugeführt in Übereinstimmung mit der bestimmten EIN-Periode des Tasteverhältnisses. Um die Rechenbelastung des Mikroprozessors zu reduzieren, können die EIN-Perioden des Tastverhältnisses vorberechnet werden und in Tabellen in dem EEPROM gespeichert werden. Der Mikroprozessor greift auf die entsprechende Tabelle zu und nimmt die EIN-Periode des Tastverhältnisses entsprechend dem Eingangsstrom Iinput und dem gewünschten Ausgangsstrom Iout-des.
Die EIN-Periode des Tastverhältnisses ist auf 100% von T gesetzt, wenn Iinput niedriger ist als Iout-des. Andernfalls wird die EIN-Periode des Tastverhältnisses berechnet unter Verwendung der obigen Formel. In einem Spezialfall, wenn der Sender EIN-geschaltet ist und die Batteriespannung oberhalb von 5,3 V liegt, wird ICTRL auf niedrig gesetzt für den Rest der Zeitperiode zum Schützen des Telefons vor interner Überhitzung.
Während der Tastverhältnis-EIN-Periode kann es einen kurzen ICTRL-Niedrigimpuls für Batteriespannungsmessung geben. Während ICTRL-AUS (t&sub9; - (EIN-Periode des Tastverhältnisse)) kann es einen kurzen ICTRL-Hochimpuls für die Laderverbindungserfassung geben.
Glattere Strommittelwerte können erhalten werden unter Verwendung einer einstellbaren Zeitperiode T. Da der Eingangsstrom zeitvariant ist, ist der Unterschied zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom ebenfalls zeitvariant. Wenn eine feste Zeitperiode verwendet wird, wird das Mittelungsergebnis um so schlechter sein, je größer die Differenz ist (siehe Fig. 4).
Sei t eine variable Zeitperiode zur Verwendung als Strommittelwert, dann wird die EIN-Periode des Tastverhältnisses in Formel (3) Tastverhältnis-EIN-Periode = Tastgrad · t. In dieser Formel ist die Zeitperiode t modifiziert basierend auf der Differenz zwischen Iinput und Iout-des. Im allgemeinen kann t ausgedrückt werden als Funktion von ΔI
T = (ΔI) = (Iinput - Iout-des) ...(5)
Wenn ΔI zunimmt, wird die Zeitperiode t reduziert und umgekehrt. Wenn ΔI kleiner als Null ist (Iinput < Iout-des) wird die Zeitperiode weiterhin ausgedehnt bis ΔI das Vorzeichen wechselt. Fig. 5A-5C zeigen den glatten mittleren Ausgangsstrom unter Verwendung einer variierenden Zeitperiode berechnet in Formel (5).
Fig. 6 ist ein Zustandsmaschinendiagramm für den Algorithmus gemäß der Erfindung. Wenn ein Telefon EIN-geschaltet wird, entweder von einer Batterie oder einer externen Energiequelle, tritt der Ladealgorithmus in einen Startzustand ein, in dem alle Parameter, die zu dem Algorithmus gehören, initialisiert werden. Ein 10-Minuten- Startzeitgeber wird aktiviert, um dem Telefon zu ermöglichen, die Batterietemperatur zu ermitteln. Das Telefon startet, um die Laderbedingungen konstant zu prüfen und identifiziert die Art der Energiequelle, die dem Telefon zugeführt wird. Wenn kein Lader erfasst wird, wird das Telefon von einer Batterie betrieben und der Algorithmus geht in den Zustand eines tragbaren Geräts, in dem Laden inaktiv ist und das Telefon wird als ein tragbare Gerät betrieben.
Jedesmal, wenn ein Lader erfasst wird, wird das Laden aktiviert und der Zustand wird geändert vom tragbaren Zustand in einen Wartezustand. Der Wartezustand ist ein Analysezustand des Ladealgorithmus. Im Wartezustand prüft der Mikroprozessor alle Ladeerfordernisse, um sicherzustellen, dass die Batterie in einer sicheren Situation geladen wird. Die Ladeerfordernisse schließen ein: (1) der Startzeitgeber ist abgelaufen, (2) Sender ist AUS-geschaltet, (3) das Telefon greift nicht auf das System zu oder tastet Kanäle ab, (4) die Batterietemperatur liegt innerhalb des Bereichs zum Laden, und (5) die Batteriespannung ist unterhalb des "ersten Voll-Pegels". Wenn alle Erfordernisse erfüllt sind, wird der Algorithmus in den Ladezustand geschaltet. Anderenfalls verbleibt der Algorithmus im Wartezustand und wartet die Batterie. Wenn die Batteriespannung oberhalb des "ersten Voll-Pegels" erfasst wird vor dem Laden, tritt der Algorithmus direkt in den "Laden abgeschlossen"-Zustand, um ein Überladen einer vollen Batterie zu vermeiden.
Im Ladezustand wird die Batterie mit dem Ladestrom des Netzteils geladen. Während des Ladens werden einige Erfordernisse wie die Situationen des Senders, die Batterietemperatur und der Telefonbetriebsmodus konstant überwacht. Wenn irgendeines dieser Erfordernisse einen inakzeptablen Pegel erreicht, kehrt der Algorithmus in den Wartezustand zurück. Anderenfalls wird die Batterie kontinuierlich geladen, bis der "Batterievoll-Pegel" erreicht ist. Vier Bedingungen werden verwendet zum Bestimmen, wenn eine Batterie vollgeladen ist: (1) Minus-Delta-V-Erfassung, (2) Spitzenspannungserfassung, (3) maximale Batteriespannung, und (4) Sicherheitszeitgeberbegrenzungen. Wenn irgendeine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird der Ladezustand beendet. Der Algorithmus wird dann in den Laden-abgeschlossen-Zustand geschaltet und die Batterie als voll erklärt.
Im Laden-abgeschlossen-Zustand erhält der Algorithmus den Vollladezustand der Batterie aufrecht mit einem modulierten Ladestrom. Eine Ausrastfunktion wird zugelassen zum Schützen der Batterie vor Neuladen innerhalb kurzer Zeit. Die in dem Wartezustand geprüften Erfordernisse werden auch im Ladenabgeschlossen-Zustand überprüft. Der Algorithmus kehrt zum Ladezustand zurück, um die Batterie neu zu laden, wenn die Spannung unterhalb den Bereitschaftewideraufladepegel im Bereitschaftsmodus fällt. Wenn die Spannung unter den Konversationswiederaufladepegel im Konversationsmodus fällt, kehrt der Algorithmus zum Wartezustand zurück und dann zum Ladezustand, wenn der Sender AUS-geschaltet wird.
Wenn kein Lader erfasst worden ist für 3 Sekunden während des Ladeprozesses, geht der Algorithmus zum tragbaren Zustand und bricht den Ladeprozess ab.
In dem Nur-Lademodus wird eingetreten, wenn das Telefon EIN- geschaltet wird durch Verbinden eines Laders mit dem Telefon oder wenn das Telefon abgeschaltet wird, während es mit dem Lader verbunden ist. Im Nur-Ladezustand ist die Sendereinheit AUS-geschaltet und die Tastatur ist gesperrt. Der Batterieladeprozess ist die einzige aktivierte Funktion. Die Ladesteuersoftware ist eine vereinheitlichte Funktion, die entworfen worden ist für sowohl den Normal- als auch den Nur- Lademodus.
Wenn mit einem Lader verbunden, kann ein Telefon zwischen dem Normalmodus und dem Nur-Lademodus durch Drücken der < ENDE> - Taste umgeschaltet werden. Während eines Modusübergangs wird der Ladeprozess sanft vom momentanen Betriebsmodus in den anderen Modus übergeführt. Einige Ladezustände werden gewahrt, den Ladeprozess fortzuführen. Der Ladezyklus wird nicht neu gestartet, wenn das Telefon bedingt durch Betriebsmodusumschalten zurückgesetzt wird. Dieser Entwurf ist auch anwendbar auf eine Situation, in der ein Telefon von der Software neu gestartet wird (Warmstart oder Neuhochfahren).
Da der Ladestrom zeitvariant ist, muss auch der Strom, der benötigt wird zum Laden der Batterie oder zum Versorgen des Telefons die gesamte Zeit moduliert werden. Die Modulation generiert eine Tastverhältnis-EIN-Periode, die ein prozentualer Anteil einer regelmäßigen Zeitperiode ist, derart, dass der mittlere Strom über diese Zeitperiode gleich dem bevorzugten Ladestrom ist. Die Tastverhältnis-EIN-Periode ist eine variable, deren Wert nicht nur vom Betrag des Ladestroms und dem benötigten Strom abhängt, sondern auch von vielen anderen Parametern wie Ladezuständen, Batteriespannung, Sender-EIN-geschaltet/AUS-geschaltet und dessen Leistungspegel und der EIN-/AUS-Zustand der Hintergrundbeleuchtungswahl. In diesem Zusammenhang:
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Iout-des / Iinput) · Tp ...(6)
wobei Tp die regelmäßige Zeitperiode ist (5 Sekunden), Icharge der mittlere Strom eines Laders ist und Iout-des der benötigte Strom zum Laden der Batterie oder Zurverfügungstellen des Telefonstroms.
Um eine Batterie zu laden, ist die EIN-Periode des Tastverhältnisses eine Funktion von Iinput und des Batterieladestroms Ibattery.
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Ibattery / Iinput) · Tp ...(7)
Um den Telefonstrom bereitzustellen, ist die Tastverhältnis- EIN-Periode eine Funktion von Iinput und dem Telefonstrom Iphone Zusätzliche 10% der Tastverhältnis-EIN-Periode werden für die Ladeeffizienz bereitgestellt, so dass:
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Iphone/Iinput) · Tp · 100% (8)
Wenn die Hintergrundbeleuchtung EIN-geschaltet ist, wird die Tastverhältnis-EIN-Periode kompensiert durch den Hintergrundstrom Ibacklight und:
EIN-Periode des Tastverhältnisses = ((Ibattery + Ibacklight/Iinput) · Tp ...(9)
oder
EIN-Periode des Tastverhältnisses = (Iphone + Ibacklight)/Iinput) · Tp · 110% ...(10)
Die EIN-Periode des Tastverhältnisses ist auf Null gesetzt, wenn der Sender EIN-geschaltet ist und die Batteriespannung oberhalb von 5,3 V liegt oder das Telefon auf das System zugreift oder Kanäle abtastet und die Batteriespannung oberhalb 4,5 V liegt. Wenn der Sender EIN-geschaltet ist und die Batteriespannung unterhalb 4,5 V liegt, wird die EIN- Periode des Tastverhältnisses berechnet unter Verwendung von Gleichung (7).
Im Ladezustand wird der Ladestrom, wenn alle im Wartezustand geprüften Erfordernisse erfüllt sind, an die Batterie angelegt, bis ein Batterie-Voll-Zustand festgestellt wird. Da kein Thermistor in die Batterie eingebaut ist, wird die Batterie-Voll-Erfassung nur auf der Basis einer Spannungsmessung durchgeführt. Eine mittlere Spannung VMEAN wird jede Minute berechnet und geprüft durch Vergleichen der neuen Spannungsmessung mit der vorangegangenen. Wenn die Ladekurve ansteigt, wird eine maximale Messung VMEAN MAX aktualisiert durch die neue Messung VMEAN. Andernfalls wird die Batterie-Voll-Bestimmung aktiviert, wenn VMEAN MAX oberhalb des Batterie-Voll-Pegels gelegen hat.
Das unten beschriebenen Verfahren werden zum Bestimmen verwendet, ob die Batterie voll ist.

(1) Minus-Delta-V-Erfassung

Die Batterie wurde voll geladen, wenn die Batteriespannung VMEAN bei zwei A/D-Ablesewerten (entsprechend etwa 28 mV) geringer als der maximale Ablesewert VMEAN MAX für zwei aufeinanderfolgende Zyklen ist.

(2) Spitzenspannungserfassung

Das Laden ist abgeschlossen, wenn die Batteriespannung VMEAN geringer ist oder Gleich dem maximalen Ablesewert VMEAN MAX für 10 Minuten.

(3) Maximale Grenzspannung

Das Laden stoppt, wenn der maximale Spannungsablesewert VMEAN MAX den Maximalpegel der Batteriespannung erreicht oder übersteigt.

(4) Sicherheitszeitgebergrenzwert

Das Laden wird beendet, wenn es eine maximale Ladezeit erreicht. Dieser Zeitgeber ist aktiv, wenn die Batterie tatsächlich geladen wird.
Bei einem Standardlader bewirkt der variierende Ladestrom auch eine Variation der Batteriespannung. Die Spannung kann nicht gemessen werden durch direktes Ablesen des A/D- Umsetzers. Die Spannungsmessung wird alle 5 Sekunden aktiviert, während der ICTRL AUS-geschaltet ist. Die Spannung wird nach dem Einstellen von ICTRL auf AUS für 100 ms abgetastet und eine neue mittlere Spannung ist eine mittlere Spannung der neuen Abtastung und der vorherigen mittleren Spannung.
Ohne einen eingebauten Thermistor wird die Batterietemperatur bezogen auf die telefoninterne Temperatur, die von einem Oszillator-Termistor bereitgestellt wird. Da die tatsächliche Batterietemperatur nicht genau von dem Thermistor gemessen werden kann, wird er als Referenz der Telefonumgebungstemperatur verwendet während des Ladeprozesses. Die Batterie wird nicht aufgeladen werden, wenn die Temperatur außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt. Die Temperatur wird einmal pro Sekunde geprüft und gemittelt unter Verwendung eines filternden Mittelwertes durch Addieren der neuen Temperaturablesung des vorhergehenden mittleren Temperaturwertes zusammen mit einer Gewichtung von 1/8 bzw. 7/8. Die Temperaturgrenzen sind erforderlich für den gesamten Ladeprozess.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden ein Netzgerät und ein Verfahren bereitgestellt zum Betreiben eines elektrischen Gerätes und des Ladens einer Gerätebatterie unabhängig davon, ob die Stromquelle konstant oder zeitvariant ist. Daher kann ein weniger teurer Lader wie z. B. ein Standardlader, der wie oben erwähnt, einen zeitvarianten Strom bereitstellt, verwendet werden, was die Gesamtproduktkosten reduziert. Darüber hinaus werden glattere Strommittelwerte und daher effizienteres Laden erreicht durch Verwenden einer einstellbaren Zeitperiode für die Strommittelung.

ZUSSAMMENFASSUNG

Ein einheitliches Batterieladeverfahren ermöglicht das Steuern konstanter sowie zeitvarianter Stromquellen. Im Gegensatz zu den Ladeverfahren, die für Konstantstromquellen verwendet werden, muss der Eingangsstrom einer zeitvarianten Stromquelle kontinuierlich geprüft werden während des Ladeprozesses. Der Betrag des zum Laden der Batterie oder zum Versorgen des Telefons mit Energie ausgegebenen Ausgangsstroms wird eingestellt auf einen gewünschten Wert durch Auswählen des Einschaltprozentsatzes basierend auf der Eingangsstrommessung. Eine vereinheitlichte Formel für unterschiedliche Energiequellen und verschiedene benötigte Ströme verbessert die Berechnung des bevorzugten Ausgangsstroms. Daher kann eine einheitliche Formel verwendet werden zum Steuern der Eingangs- und. Ausgangsströme unabhängig davon, ob eine Konstantstromquelle oder eine zeitvariante Stromquelle verwendet wird. Um einen glatteren mittleren Strom zu erhalten, schließt das Verfahren eine einstellbare Zeitperiode ein, die bestimmt wird basierend auf dem Unterschied zwischen einem Eingangsstrom und einem gewünschten Ausgangsstrom.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer Stromversorgung für eine Batteriebetriebene elektrische Einrichtung von einer externen Stromquelle, wobei die Stromquelle eine von einer Konstantstromquelle und einer zeitvarianten Stromquelle ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Messen eines Eingangsstroms Iinput von der Stromquelle zu der Einrichtung;

b) Auswählen eines gewünschten Ausgangsstromes Iout-des in Übereinstimmung mit vorbestimmten Betriebsparametern der elektrischen Einrichtung;

c) Bestimmen der EIN-Periode eines Tastgrades in Übereinstimmung mit Iinput und Iout-des, und

d) Zuführen von Energie Ioutput zu der elektrischen Einrichtung in Übereinstimmung mit der EIN-Periode des Tastgrades.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt b) ausgeführt wird durch Auswählen von Iout-des in Übereinstimmung mit einer Batterieladeoperation und wobei Schritt d) ausgeführt wird durch Zuführen von Energie zum Laden der Batterie.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die EIN-Periode des Tastgrades ein Produkt eines Tastverhältnisses und einer Zeitperiode ist und wobei Schritt c) ausgeführt wird durch Variieren des Tastverhältnisses über die Zeitperiode.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ETN-Periode des Tastgrades ein Produkt eines Tastverhältnisses und einer Zeitperiode ist und die Zeitperiode eine Funktion von (Iinput - Iout-des) ist, wobei Schritt c) ausgeführt wird durch Variieren der Zeitperiode.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt b) ausgeführt wird durch Bestimmen, ob die Batterie des Ladens bedarf und wenn die Batterie des Ladens bedarf, Einstellen von Iout-des auf einen Batterieladestrom Ibattery.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei, wenn die Batterie keines Ladens bedarf, Schritt b) ausgeführt wird durch Einstellen von Iout-des auf einen Einrichtungsbetriebsstrom Idevice.

7. Energieversorgungseinheit für eine batteriebetriebene elektrische Einrichtung, wobei die Energieversorgungseinheit ankoppelbar ist an eine von einer Konstantstromquelle und einer zeitvarianten Stromquelle und die Energieversorgungseinheit umfasst:

einen A/D-Umsetzer, der einen Eingangsstrom Iinput von der Stromquelle der elektrischen Einrichtung überwacht;

einen Speicher (EEPROM), der gewünschte Ausgangsströme Iout-des speichert entsprechend vorbestimmten Betriebsparametern der elektrischen Einrichtung; und

eine Steuereinheit (16), die kommuniziert mit dem A/D- Umsetzer und dem Speicher, wobei die Steuereinheit Ioutdes auswählt basierend auf den vorbestimmten Betriebsparametern und ein Tastverhältnis bestimmt in Übereinstimmung mit Iinput und Iout-des und wobei die Steuereinheit den Eingangsstrom Iinput zu der elektrischen Einrichtung betreibt in Übereinstimmung mit der EIN-Periode eines Tastgrades.

8. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 7, außerdem eine wiederaufladbare Batterie (20) umfassend, die mit der elektrischen Einrichtung gekoppelt ist, um die elektrische Einrichtung mit Energie zu versorgen, wenn die Stromquelle getrennt ist.

9. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 8, außerdem einen Ladeschalter (14) umfassend, der mit der Steuereinheit kommuniziert, wobei die Steuereinheit den Ladeschalter schließt, um die Batterie zu laden in Übereinstimmung mit einem der vorbestimmten Parameter.

10. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmten Parameter mindestens einen Lademodus umfassen und einen Gerätebetriebsmodus.

11. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit Iout-des auf einen Batterieladestrom Ibattery einstellt, wenn die Einrichtung sich in diesem Lademodus befindet.

12. Energieversorgungseinheit nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit Iout-des auf einen Einrichtungsbetriebsstrom Idevice einstellt, wenn die Einrichtung sich in diesem Einrichtungsbetriebsmodus befindet.