SE515367C2 - Sätt och anordning för reglering av spänningen över enskilda celler i ett batteri - Google Patents

Description

35 4 . » | u 515 367 m. H.

Enligt denna lösning träder regulatorn in först efter det att åtminstone en battericell nått slutlig laddspänning och batteriet övergått till ett tillstånd av underhållsladd- ning. Nackdelen med att vänta med förbiledning eller s k till dess är att den förbiledda strömmen är av hög strömstyrka, vilken leder till stora ef- shuntning av hela eller en del av laddströmmen, att en battericell är fulladdad, fektförluster i form av värmeutveckling i batteriet.

Uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinning är att möjliggöra en effektivare balansering av de olika battericellernas polspänning redan tidigt i uppladdningscykeln. Detta uppnås genom ett sätt och en anordning med de särdrag, som äter- finns i den kännetecknande delen av bifogade självständiga patentkrav. Föredragna utföringsformer av uppfinningen an- ges i efterföljande underkrav.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till den bifogade ritningen, på vilken FIG 1 är ett principiellt kretsschema över en anord- ning enligt uppfinningen för reglering av polspännings- skillnader mellan individuella battericeller i ett batteri under uppladdning av detsamma samt FIG 2 visar ett grundutförande av anordningen enligt FIG l.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen FIG 1 illustrerar en situation, där sättet och anord- ningen enligt uppfinningen tillämpas vid uppladdning av ett batteri, exempelvis ett mobiltelefonbatteri. Batteriet be- står enligt FIG 1 av två identiska battericeller l och 2 av exempelvis litium- eller nickel-metallhydridtyp. Givetvis äger nedanstående resonemang tillämpning även för andra 20 25 30 n» m» u o f- .- 1 y, n: a 1 v; . 1- n-f c vw. ._. =. .. v-n. . 4 « n aa p v n u . .i f. batterityper och för fler battericeller än två. De båda battericellerna 1 och 2 är på sedvanligt manér seriekopp- lade med varandra och är anordnade att via en positiv och en negativ batteripol 14 resp 16 tillföras laddström från ett här ej visat uppladdningsaggregat. Vidare är batteri- cellerna anordnade att via batteripolerna 14 och 16 ström- försörja en godtycklig elektrisk apparat, exempelvis en mobiltelefon.

Två shuntelement 10 och 12 är kopplade parallellt med var sin battericell 1 resp 2. Varje shuntelement har en styringång 11 resp 13, genom vilken strömmen Il, Iz genom shuntelementet regleras. Med andra ord regleras via styrin- 13 hur stor andel av den totala laddströmmen till battericellen, gången 11, som skall ledas förbi densamma. Ström- regleringen sker lämpligen genom att shuntelementets resis- tans varieras som funktion av storleken på insignalen på styringången. Att realisera ett shuntelement enligt ovan torde vara trivialt för fackmannen inom det tekniska om- rådet - exempelvis kan en enkel transistorkoppling utnytt- jas - varför shuntelementens 10, 12 inre konstruktion ej behandlas vidare här.

Systemets reglerande funktion indikeras i figuren i form av ett funktionsblock 30, vilket hädanefter kommer att benämnas styrenhet. Termen styrenhet skall inte tolkas i strikt mening som en hårdvarumässig enhet (vilket uppenbart kommer att framgår av det följande), utan snarare är det fråga om att illustrera en funktion hos uppfinningen.

Styrenheten 30 har ett antal ingångar 31, 32, 33 och ett antal utgångar 34, 35. Varje ingång 31, 32, 33 är an- sluten till var sin pol på någon av battericellerna 1, 2, enligt vad som visas i FIG 1. Genom detta arrangemang ges styrenheten möjlighet att kontinuerligt avläsa respektive battericells polspänning och i beroende därav styra lämp- ligt shuntelement enligt nedan. 15 25 30 35 Styrenheten 30 har även ett antal utgångar 34, 35 för 35 är 13 på ett av shuntele- styrning av shuntelementen 10, 12. Varje utgång 34, förbunden med var sin styringång 11, menten 10, 12. Styrenhetens arbetssätt kan beskrivas enligt följande: 0 Inmätning av aktuella värden på polspänningen för varje battericell 1, 2 via ingångarna 31, 32, 33. 0 Analys av inmätta mätvärden samt beslut om åtgärd måste vidtagas, dvs om något shuntelement 10, 12 bör aktiveras för bortledning av en ström Il, I? 0 Verkställande av eventuell aktivering av shuntele- ment.

Förfarandet ovan upprepas företrädesvis kontinuerligt under hela uppladdningsprocessen från urladdat till fulladdat tillstånd. Styrenheten kan utföras som en enkel återkopp- lingskrets, bestående av analoga komponenter (jfr vad som beskrivs nedan med hänvisning till FIG 2), som ett digitalt sekvensnät, som en mikroprocessor med tillhörande minne eller som någon kombination därav.

Ett enkelt utföringsexempel av styrenheten skall nu beskrivas med hänvisning till FIG 2. Den övergripande strukturen är densamma som den i FIG 1 visade, varför be- skrivningen av komponenter såsom battericellerna 1, 2, 12 eller batteripolerna 14, shuntelementen 10, 16 ej uppre- pas här. Styrenheten 30, här begreppsmässigt illustrerad såsom innefattad i en streckad ram, består på ingångssidan 42, logi med ovan är förbundna med respektive battericells av två operationsförstärkare 41, vilkas ingångar i ana- P0* de- ope- ler. Operationsförstärkaren 41 är således anordnad att tektera den första battericellens 1 polspänning, medan rationsförstärkaren 42 i stället mäter på den andra batte- ricellen 2.

Utgångarna på operationsförstärkarna 41, 42 är för- bundna med ingångarna på en tredje operationsförstärkare 43, vilken är anordnad att på sin utgång avge en spänning, 25 30 35 . . V - .. 515 367 vars storlek motsvarar skillnaden mellan de båda batteri- cellernas polspänningar. Tecknet på denna utspänning från operationsförstärkaren 43 indikerar vilken av battericel- lerna 1, 2, som håller högst polspänning.

Operationsförstärkarens 43 utgång är förbunden med dels en ingång på en fjärde operationsförstärkare 44, dels en ingång på en femte operationsförstärkare 45. Den andra ingången på operationsförstärkarna 44, 45 är förbunden med en referensspänningskälla Unfll respektive Umfz, vilka exem- pelvis kan vara baserade på var sin Zener-diodkoppling.

Värdena på referensspänningarna är lämpligen av motsatt polaritet men till absolutbeloppet identiska. Utgàngen på operationsförstärkaren 44 är förbunden med styringången 11 på shuntelementet 10, medan utgången på operationsförstär- karen 45 är förbunden med styringången 13 på shuntelementet 12.

Operationsförstärkarna 44 och 45 är anordnade att jämföra det från operationsförstärkaren 43 erhållna värdet på polspänningsdifferensen mellan battericellerna med vär- det från respektive referensspänningskälla Umfw Ikea och i beroende därav avge en styrsignal till respektive shuntele- ment 10, 12, så snart polspänningsskillnaden mellan batte- ricellerna stigit över det gränsvärde, som anges av Uæfl respektive Un¿2. Som följd av mottagen styrsignal aktiveras shuntelementet 10 eller 12 och leder bort en del Il eller I2 av laddströmmen till battericell 1 eller 2. Storleken på den förbiledda strömmen Il, Iz får väljas med hänsyn till aktuell tillämpning, men ett värde på mellan 10 och 100 mA kan vara lämpligt.

Styrenheten enligt FIG 1 eller FIG 2 kan, som redan nämnts, realiseras på många olika sätt, och även dess funk- tion kan variera inom ramen för uppfinningen. Nedan be- skrivs några föredragna funktionssätt för styrenheten 30.

I sin enklaste form är styrenheten anordnad att en- ligt ovan inmäta polspänningen över varje battericell i 15 20 25 30 35 - « » v .- fn n. batteriet samt fastställa storleken på spänningsdifferensen mellan varje par av battericeller (i figurerna endast ett par celler). Om spänningsdifferensen överstiger ett förut- bestämt gränsvärde, säg 100 mV, aktiverar styrenheten 30 ifrågavarande shuntelement, så att en ström på t ex 100 mA leds förbi den battericell, som uppvisar den högre polspän- ningen. Härigenom tillförs den andra battericellen en rela- tivt sett starkare laddström, varvid denna battericell ges möjlighet att s a s knappa in på den andra cellens för- språng. Förbiledningsströmmen kan bibehållas ända tills batteriet är fulladdat, men företrädesvis är styrenheten anordnad att detektera, när polspänningsdifferensen sjunker under ett andra förutbestämt gränsvärde, och som följd där- av deaktivera ifrågavarande shuntelement.

Enligt en något mera avancerad form är styrenheten anordnad att tillsammans med shuntelementen 10, 12 verk- ställa en förbiledning av laddström, där storleken på den förbiledda strömmen Il, I2 är proportionell mot spännings- differensen mellan battericellerna. Företrädesvis påbörjas förbiledningen av laddström, så snart spänningsdifferensen överstiger ett första gränsvärde, säg 40 mV, varvid en ström Il eller Iz på t ex 40 mA leds förbi aktuell batteri- cell 1 eller 2. Om spänningsdifferensen fortsätter att öka, exempelvis till 70 mV, ökar även förbiledningsströmmens strömstyrka, exempelvis till 70 mA. Lämpligen är strömstyr- kan av praktiska skäl maximerad till ett förutbestämt övre gränsvärde på, säg, 100 mA.

Enligt en alternativ utföringsform är styrenheten 30 anordnad att lagra information, som sammanställs under upp- laddningen av batteriet. Sådan information kan utgöras av värdet på inmätta spänningsskillnader vid olika tidpunkter under uppladdningen samt storleken på den förbiledda ström- men Il, Iz vid samma tidpunkter. Styrenheten är försedd med ett minne med förmåga att lagra informationen under åtmins- tone sä lång tid, som normalt förflyter mellan två på var- 20 25 nu .- andra följande batteriuppladdningar. Styrenheten 30 reali- seras enligt denna utföringsform med fördel av någon kom- mersiellt tillgänglig mikroprocessor med tillhörande icke- flyktigt minne.

Styrenheten 30 år anordnad att vid uppladdning ut- nyttja information från föregående uppladdning för att för- utsäga behov av förbiledning av laddström till någon batte- ricell och i beroende därav aktivera lämpligt shuntelement så snart som möjligt. Antag exempelvis, att shuntelement l under föregående uppladdning aktiverades efter 30 minuter med en förbiledningsström Il på 80 mA. När nästa uppladd- ning av batteriet skall påbörjas, drar styrenheten 30 nytta av den i minnet lagrade informationen och aktiverar shunt- element l redan från början med Il= 40 mA. Härigenom upp- nås en uppladdning, som både är effektivare och skonsammare än föregående uppladdning. Givetvis övervakar styrenheten 30 hela uppladdningsförloppet och ingriper med aktivering resp deaktivering av lämpligt shuntelement, om så skulle erfordras. Under förutsättning att de yttre betingelserna (såsom temperatur) är oförändrade, visar det sig dock, att uppladdningskarakteristiken för respektive battericell vanligen är väsentligen densamma under två på varandra följande uppladdningar.

Inom ramen för uppfinningen, såsom den definieras i efterföljande patentkrav, kan uppfinningen realiseras på andra sätt än de ovan beskrivna, vilket enkelt torde inses av en fackman inom det aktuella tekniska området. Vad som beskrivits ovan skall därför endast betraktas som ut- föringsexempel.

Claims (7)

W U 20 25 30 . » » \ 1 n 515 367 PATENTKRAV

1. Sätt att reglera polspånningsskillnader mellan in- dividuella battericeller (1, 2) i ett batteri under upp- laddning av detsamma, där polspänningen för varje indivi- duell battericell (1, 2) ningarna fastställs samt en del inmäts, skillnader mellan polspän- (Ill 12) leds förbi åtminstone en av battericellerna i beroende av av laddströmmen fastställda polspänningsskillnader, k ä n n e t e c k n a t av att: polspänningsdata kontinuerligt inmäts och lagras för varje battericell (1, 2) under pågående uppladdningscykel, samt av att lagrade polspänningsdata analyseras under en efter- följande uppladdningscykel för fastställande av storlek och varaktighet för den förbiledda strömmen (Il, I2). k ä n n e t e c k n a t av (Il, IJ så snart battericellens

2. Sätt enligt krav 1, att förbiledandet av en del viss battericell (1, 2) av laddströmmen för en inleds, polspänning överstiger ett förutbestämt första referens- värde, samt upphör, då battericellens polspänning under- skrider ett förutbestämt andra referensvärde.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- (Il, IQ 2) polspänning. n a t av att storleken av den förbiledda strömmen varieras som funktion av battericellens (1,

4. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- (Ill 12) varieras som funktion av skillnaden mellan ifrågavarande n a t av att storleken av den förbiledda strömmen battericells (1, 2) polspänning och någon annan batteri- cells polspänning. 10 Ü 20 25 30 515 367 gfiwgffwyj

5. Sätt enligt något av krav 3-4, k ä n n e t e c k- n a t av att storleken av den förbiledda strömmen (Il, IQ är proportionell mot nämnda polspänning eller nämnda pol- spänningsskillnad i ett intervall mellan en första förut- bestämd minimiströmstyrka och en andra förutbestämd maximi- strömstyrka.

6. Anordning för reglering av spänningen över indivi- duella battericeller (1, 2) i ett batteri under uppladdning av detsamma, innefattande ett till varje battericell (1, 2) hörande shuntelement (10, 12), som är kopplat parallellt med respektive battericell och som är anordnat att i beroende av insignalvärdet på en styringång (11, 13) leda en elektrisk ström (Il, I2) av viss storlek förbi batteri- cellen, samt en styrenhet (30) med ingångar (31, 32, 33) förbundna med varje battericell och med utgångar (34, 35) förbundna med styringången på respektive shuntelement, varvid styrenheten är anordnad att mäta spänningsskillnader mellan individuella battericeller samt i beroende därav styra shuntelementen för reducering eller eliminering av nämnda spänningsskillnader, k ä n n e t e c k n a d av att styrenheten (30) är anordnad att lagra kontinuerligt inmätta polspänningsdata för varje battericell (1, 2) under pågående uppladdningscykel, samt läsa och analysera dessa lagrade polspänningsdata under en efterföljande uppladdningscykel för fastställande av storlek och varaktighet för den förbiledda strömmen (Iw IQ.

7. Uppladdningsbart batteri för en portabel elektrisk apparat för radiokommunikation, företrädesvis en mobiltele- fon, k ä n n e t e c k n a t av att batteriet är försett med en anordning enligt krav 6.