-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden und zur Ladungskontrolle eines Akkumulators. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
-
Die Weiterentwicklung tragbarer Geräte zeichnet sich in jeder neuen Generation durch das Bereitstellen neuer Funktionalitäten aus. Jede neue Funktionalität trägt dabei potentiell zu einem erhöhten Stromverbrauch bei. Für den Benutzer dieser Geräte ist es zunehmend wichtiger, über die verbleibende Nutzungsdauer, d.h. die verbleibende Batterie- oder Akkumulatorkapazität informiert zu sein. Insbesondere werden Nickel-Cadmium- und Nickel-Metall-Hydrid- Akkumulatoren (NiCd- bzw. NiMH-Akkumulatoren) zunehmend ersetzt durch Akkumulatoren, die auf Lithium (Li) basieren, weil diese eine herausragende Energiedichte pro Volumen aufweisen.
-
Die Messung der Batterie- bzw. Akkumulatorspannung als Maß für den Ladezustand ist einfach und kostengünstig zu realisieren, genügt aber hohen Ansprüchen an die gewünschte Genauigkeit nicht. So nimmt die Akkumulatorspannung kontinuierlich während der Entladung ab, aber der Zusammenhang zwischen dem Spannungspegel und der verbliebenen Ladung verändert sich stark nichtlinear mit der Temperatur und der Entladungsrate. Eine Spannungsmessung als Maß für den Ladezustand des Akkumulators kann je nach Akkumulatortyp zu einem Messfehler von 100% oder deutlich darüber führen. Zwar kann dies gut korrigiert werden, wenn die Temperatur und die Entladungsrate bekannt sind. Die Messung dieser zusätzlichen Parameter macht aber den Prozess komplizierter und teurer als eine Ladungsmessung, ohne zusätzliche Vorteile zu bringen.
-
Genauer ist deshalb eine Ladungsmessung, die mittels einer Strommessung und einer Zeitmessung durchgeführt werden kann, weil Strom als Ladungsänderung pro Zeiteinheit definiert ist. Um eine sehr genaue Abschätzung der verbliebenen Batteriekapazität machen zu können, gibt es einen Entwicklungstrend zu Ladungsmessgeräten (fuel gauge), die den Nettostromfluss in die Batterie bzw. den Akkumulator hinein und heraus verfolgen.
-
Ein solches Ladungsmessgerät umfasst eine integrierte Schaltung (IC) mit einer Recheneinheit und zusätzlichen externen Bauelementen zur Auswertung der Strommessung und zur Bestimmung des Ladezustands. Für das Laden des Akkumulators andererseits wird ein weiterer integrierter Schaltkreis mit externer Beschaltung benötigt, mit dem der Aufladevorgang so gesteuert werden kann, dass er schnell und ohne Schädigung des Akkumulators abläuft.
-
Aus der Veröffentlichung „DS2770 Battery Monitor and Charge Controller“ von Dallas Semiconductor wird ein integrierter Schaltkreis vorgeschlagen, der mit seiner externen Beschaltung die Funktion sowohl des Aufladens als auch die Erfassung des Ladezustands vereint. Dadurch wird vor allem wertvoller Platz auf einer Schaltungsplatine gespart.
-
Mit dem IC sind zwei Akkumulatortypen (Lithium oder NiMH) mit unterschiedlichen Aufladungscharakteristiken einstellbar. Abhängig vom Erreichen seiner Schwellspannung für Unterspannung an den Ausgangsanschlüssen des Akkumulators wird ein definiertes Ladeprogramm für den jeweiligen Akkumulatortyp durchgeführt .
-
Der Aufladevorgang selbst geschieht mit Hilfe zweier Konstantstromquellen, die der IC abhängig von einem Spannungskriterium ansteuert. Wenn die Akkumulatorspannung unter der Schwellspannung liegt, d.h. der Akkumulator tief entladen ist, erzeugt ein erster externer Transistor mit Strombegrenzungswiderstand einen geringen Konstantladestrom, bis die Schwellspannung erreicht ist. Bei einem normalen Aufladevorgang, wenn die Akkumulatorspannung die Schwellspannung erreicht oder darüber liegt, wird ein vergleichsweise hoher Konstantstrom mit einem zweiten externen Transistor in den Akkumulator gespeist. Der IC schaltet bedarfsweise von dem ersten auf den zweiten Transistor und den hohen Ladestrom um. Der Ladevorgang wird je nach Akkumulatortyp bei Erreichen eines Zeit- oder eines Temperaturkriteriums beendet.
-
Die zweite Funktion der Schaltung, d.h. die Messung des Akkumulatorstroms und seine Richtung, wird mittels des Spannungsabfalls an einem Messwiderstand (shunt) im masseseitigen Zweig des Ladekreises realisiert. Die Stromrichtung in den Akkumulator hinein oder heraus wird durch eine Subtrahiereinrichtung festgelegt, die das Vorzeichen und den Betrag des Stromflusses festlegt. Die Werte werden digitalisiert und mittels Registern der momentane Stromfluss und der über der Zeit akkumulierte Strom gespeichert.
-
Die beiden Funktionen des IC sind getrennt realisiert. Insbesondere wird das Laden des Akkumulators durch einfaches Ein- bzw. Ausschalten der externen Konstantstromquellen bewirkt. Wenn dieser IC mit einer Ladequelle mit niedriger Impedanz betrieben wird, ist eine externe Strombegrenzung mit zusätzlichen und somit platzraubenden Bauelementen nötig.
-
Dokument
AT 384693 B beschreibt ein Stromversorgungssystem mit einer Pufferbatterie. Ein Strommessgerät ist mit einem Eingang eines Amperestundenzählers und mit einem Eingang eines Strombegrenzers verbunden. Der Strombegrenzer ist über eine Stromversorgungseinheit mit der Pufferbatterie gekoppelt.
-
Gemäß einer Veröffentlichung von R. Kießling, BATLOG an Intelligent Battery Monitoring System, TELESCON '94 -The first International Telecommunications Energy Special Conference, Berlin 1994, S. 219-223 werden bei einem Messzyklus sechs Messungen für die Spannung und den Strom einer Batterie durchgeführt. Die Werte werden in einem Puffer gesammelt. Ein Durchschnitt wird in Intervallen an einen Speicher zur weiteren Auswertung transferiert. Die Stromwerte werden getrennten Zählern für das Amperestunden-Gleichgewicht, für die angesammelten geladenen und entladenen Amperestunden sowie für die derzeit geladenen und entladenen Amperestunden zugeleitet.
-
Dokument
US 2004/0021444 A1 befasst sich mit einem digital kontrollierten Ladungsstrom-Regler. Eine Spannungsquelle ist über einen Transistor und einen Widerstand mit einer Batterie verbunden. Ein Anschluss des Widerstandes ist an einen Eingang eines Komparators angeschlossen. Ein weiterer Anschluss des Widerstandes ist über eine Referenzspannungsquelle mit einem weiteren Eingang des Komparators gekoppelt. Der Ausgang des Komparators ist mit einem Aufwärts-Abwärts-Zähler verbunden. Ein Ausgang des Aufwärts-Abwärts-Zählers ist über einen Analog-Digital-Wandler und einen weiteren Transistor mit einem Steueranschluss des Transistors gekoppelt.
-
In Dokument
CH 648936 A5 ist ein Verfahren zur Überwachung des Entladeverhaltens eines galvanischen Elementes beschrieben. Ein Ladegerät ist über einen Strommesser mit einem Akkumulator verbunden. Dem Strommesser ist ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet. Dabei wird der Ladestrom periodisch abgetastet und die so ermittelte Strommenge zum Ladezustand-Ausgangswert hinzuaddiert. Ein Mikroprozessor ist über eine Steuerleitung an das Ladegerät angeschlossen, wodurch der Ladestrom in Abhängigkeit vom fortlaufend ermittelten Ladezustand gesteuert werden kann. Vorzugsweise wird der Ladestrom dabei in vorbestimmten fixen Stufen verändert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen eines Ladezustands und zum Laden eines Akkumulators sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung anzugeben, mit denen sich ein verbessertes Verhalten und ein vereinfachter Aufbau der Vorrichtung ergibt.
-
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Messung des Akkumulatorstroms mit den beiden Funktionen der Ladungsmessung und des Ladens des Akkumulators zu verbinden. Dies wird realisiert durch eine Regelung für das Laden des Akkumulators. Dazu wird der gemessene Akkumulatorstrom mit einem Referenzstrom verglichen. Bei einer Stromdifferenz wird der Regelkreis entsprechend eingestellt und der Ladestrom nachgeregelt, bis der Differenzstrom verschwindet.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Vorrichtung mit geringem Aufwand eine akkurate Schätzung der restlichen Akkumulatorkapazität erlaubt und gleichzeitig eine Ladeeinrichtung bereit stellt, mit der ein Akkumulator effektiv und optimiert geladen werden kann.
-
Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Regelung eine kürzere Ladezeit ermöglicht als bekannte Ladeeinrichtungen.
-
Die weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung mit verschiedenen Ladungsquellen verbunden werden kann, ohne dass zusätzliche kostentreibende Maßnahmen zur Strombegrenzung notwendig sind.
-
Die Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass nur ein Ladetransistor erforderlich ist und somit Kosten und Platz gespart werden. Der Ladetransistor wird mittels der Regelschleife so ausgeregelt, dass er je nach gewünschter und vorgesehener Regelcharakteristik verschiedene Ladeströme bereit stellt.
-
Vorteilhaft ist der Transistor intern, d.h. auf dem Chip mit der integrierten Schaltung vorgesehen. Er kann jedoch genauso als externer Transistor realisiert werden, wenn dies unter besonderen Bedingungen zweckmäßig erscheint.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere auf Lithium basierende Akkumulatoren besonders optimal geladen werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Messeinrichtung eine Signalerfassungseinrichtung mit einer Messwerterfassungseinrichtung und einem Signalwandler. Die Messwerterfassungseinrichtung enthält insbesondere einen Messwiderstand (shunt), durch den der Akkumulatorstrom fließt. Ausgangsseitig ist der Signalwandler nachgeschaltet. Der Spannungsabfall am Messwiderstand ist ein zu dem Akkumulatorstrom proportionales Signal. Dieser zum Spannungsabfall proportionale Akkumulatorstrom wird dann mit dem Signalwandler umgewandelt und am Ausgang der Signalerfassungseinrichtung bereit gestellt.
-
Besonders bevorzugt wandelt der Signalwandler den analogen gemessenen Spannungsabfall in einen digitalen Signalwert um. Digitale Signale können einfacher verarbeitet werden als analoge Signale. Bei einer Realisierung auf einem Chip ergeben sich erhebliche Vorteile, auch hinsichtlich des Platzbedarfs der digitalen Signalverarbeitung.
-
Als Wandlerprinzip für den Analog-Digitalwandler (ADC) kommt bevorzugt eine Spannungs-Frequenz-Umsetzung zum Einsatz, bei der das analoge Spannungssignal in ein Frequenzsignal gewandelt wird. Aber auch andere Prinzipien können für den ADC eingesetzt werden, z.B. eine Sigma-Delta-Wandlung.
-
Der Signalwandler mit Spannungs-Frequenz-Umsetzung überwacht kontinuierlich den analogen Spannungsabfall an dem Messwiderstand. Der Signalwandler erzeugt ein digitales Ausgangssignal, das bei dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer eine Pulsfolge ist, deren Frequenz direkt proportional zu einem Spannungswert ist. Vorteilhaft sind zwei Pulsfolgen vorgesehen, die ein direkt proportionales Maß für den Spannungsabfall an dem Messwiderstand darstellen und abhängig von der Stromrichtung des Akkumulatorstroms sind. Die Pulsfolgen bewirken je nach Stromrichtung ein Aufwärtszählen oder ein Abwärtszählen nachgeschalteter Zähler oder Register der Messeinrichtung.
-
Die Auswerteeinrichtung der Messeinrichtung enthält zwei Zähler, nämlich einen Zähler zur Erfassung des Ladungszustands, dessen Zählerwert ein Maß für den Ladungszustand des Akkumulators ist, und einen Stromzähler, der dem aktuellen Wert des Akkumulatorstroms entspricht. Wird der Akkumulator geladen und fließt Strom in den Akku hinein, zählt jeder Zähler aufwärts und der Zählerwert wird inkrementiert. Umgekehrt zählt jeder Zähler abwärts, wenn Strom aus dem Akku entnommen wird und sich die restliche Ladekapazität verringert.
-
Die Zählerwerte werden mit einer Recheneinheit der Messeinrichtung ausgewertet und einerseits der Ladungszustand und andererseits der aktuelle Akkumulatorstrom berechnet. Wenn der Wert des Messwiderstands und die Verstärkung des Signalwandlers bekannt sind, ergibt sich einerseits mit Hilfe des Wertes des Ladungszählers der akkumulierte bzw. integrierte Strom und andererseits mit Hilfe des Wertes des Momentanstromzählers der aktuell fließende Strom. Mit einer Zeitbasis, z.B. einem Taktgeber, lassen sich aus den Stromwerten Ladungswerte berechnen.
-
Mit einer Zuordnung bzw. Verknüpfung zwischen dem akkumulierten Strom und der Akkumulationszeit lässt sich die GesamtLadung berechnen, die in den Akkumulator hinein- und herausgeflossen ist. Mit diesen Werten lässt sich die im Akkumulator gespeicherte Ladung und die restliche verbleibende Kapazität des Akkumulators abschätzen.
-
Es ist vorgesehen, dass der Wert des Ladezustandszählers (akkumulierender Zähler) an einem Anschluss bereitgestellt ist. Damit kann der Ladezustand des Akkumulators alternativ außerhalb der Vorrichtung weiterverarbeitet werden und dem Benutzer angezeigt werden, wie viel verbleibende Akkumulatorkapazität ihm noch zur Verfügung steht.
-
Der Wert für den momentanen oder aktuellen Strom lässt sich ebenfalls mit dem Stromzähler und einer Zeitinformation erhalten. Dazu wird eine Messperiode bestimmt, die kurz genug ist, um die vorgegebene Messgenauigkeit zu erfüllen. Während aufeinander folgender Messperioden wird jeweils der Zähler integriert und sein Wert am Ende der laufenden Periode ausgegeben. Dieser Wert entspricht einem Strom-Mittelwert während der Messperiode und wird durch die Verstärkung des Signalwandlers und den Wert des Messwiderstand bestimmt. Danach werden der Zeitzähler und der Stromzähler zurück gesetzt und die Messung beginnt erneut.
-
Der jeweils am Ende der laufenden Messperiode ausgegebene aktuelle Stromwert wird an die Regeleinrichtung abgegeben und bildet deren Istwert (erster Eingangswert). Dieser Istwert wird in einer Vergleichseinrichtung (Differenzbildner) mit einem Referenzwert (zweiter Eingangswert) verglichen. Das Differenzsignal der Vergleichseinrichtung wird in einer nachgeschalteten Reglereinheit zu einem Stellwert für die Ladeeinrichtung aufbereitet. Der Regler bzw. die Reglereinheit kann ausgelegt bzw. programmiert werden, um unterschiedliche Regelcharakteristiken zu realisieren. Die gewählte Regelcharakteristik bestimmt dann, welches Signal die Ladeeinrichtung ansteuert.
-
Als Regelcharakteristik kommen sowohl die klassischen Reglerverhalten wie digitale PI- oder PID-Verhalten in Betracht als auch nichtlineare Regelverfahren oder solche speziellen Reglercharakteristiken, die für die digitale Signalverarbeitung optimiert sind, z.B. Echtzeitverfahren. Ziel kann zum Beispiel eine zeitoptimierte Aufladung des Akkumulators sein. Auch kann für einen tiefentladenen Akkumulator ein anderes Reglerverhalten vorgesehen werden als für einen normalen Standard-Ladevorgang nach einem Ladungsabfluss oder als wiederum zur Aufrechterhaltung der Ladung bei einem aufgeladen Akkumulator. Grundsätzlich können auch verschiedene Reglerprogramme vorgesehen sein, die ausgewählt oder auch selbst programmiert werden können.
-
Das Ausgangsignal des Reglers, die Regelstellgröße, wird vorzugsweise wieder mit Hilfe eines Regelsignalwandlers, insbesondere eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges Signal gewandelt. Das analoge Regelsignal wird der Ladeeinrichtung zugeführt und steuert diese eingangsseitig. Vorteilhaft besteht die Ladeeinrichtung aus einem Ladetransistor, dessen Ausgangskreis den Ladestrom in den Akkumulator einspeist. Ist der Ladetransistor bevorzugt ein p-Kanal MOS-Transistor, dann steuert das Reglersignal den Gateeingang und der Akkumulator ist mit der Drain verbunden. An seiner Source ist der Transistor mit der Ladungsquelle, z.B. einem Netzgerät mit ausreichender Leistung verbunden. Zwischen Source und Gate kann ein Ladewiderstand (pull up Widerstand) geschaltet sein, der das Gatepotential in Bezug auf das Sourcepotential festlegt. Selbstverständlich kann auch ein pnp-Transistor an Stelle des MOS-Transistors als Ladetransistor eingesetzt werden.
-
Der geschlossene Regelkreis umfasst den Akkumulator, die Messeinrichtung mit Auswerteeinrichtung und die Regeleinrichtung, die dann die Ladeeinrichtung für den Akkumulator steuert. Im eingeschwungenen Zustand entspricht der in den Akku fließende Ladestrom dem Referenzwert des Ladestroms. Auf diese Weise wird der mit der Auswerteeinrichtung errechnete Strom als Regelgröße verwendet.
-
Es ist besonders vorteilhaft, die Einrichtung zum Laden des Akkumulators und zum Erfassen des Ladezustandes des Akkumulators als integrierte Schaltungsanordnung zu realisieren, an die nur noch der Akkumulator angeschlossen werden muss. Damit kann die gesamte Peripherievorrichtung als ein einziges Bauelement ausgebildet werden.
-
Wenn es dagegen zweckmäßig ist, können der Messwiderstand und/oder die Ladeeinrichtung oder Teile davon nicht mit integriert werden und als separate Elemente mit der Schaltung verbunden werden. So erhält man eine optimale Anpassung an den zu ladenden Akkumulatortyp. Es ist auch möglich, die Vorrichtung vollständig integriert auszuführen und neben den Anschlüssen für den Akku weitere Anschlüsse vorzusehen, an die eine externe Messeinrichtung bzw. Ladeeinrichtung angeschlossen werden können. Die jeweilige interne Mess- bzw. Ladeeinrichtung kann dann beim Anschluss einer externen Einrichtung abgeschaltet werden.
-
Bei dem Verfahren zum Laden und zur Ladungskontrolle eines Akkumulators sind folgende Schritte vorgesehen:
- - Erfassen eines Messsignals für den Akkumulatorstrom,
- - Erzeugen eines digitalen Messsignals aus dem Messsignal,
- - Verarbeiten des digitalen Messsignals zu einem ersten Stromwert zur Ermittlung des Ladezustands des Akkumulators,
- - Verarbeiten des digitalen Messsignals zu einem zweiten Stromwert,
- - Vergleich des zweiten Stromwertes mit einem Referenzwert und Ermitteln eines Differenzergebnisses,
- - Erzeugen einer Regelstellgröße aus dem Differenzergebnis und
- - Steuern einer Ladeeinrichtung für den Akkumulator mit Hilfe der Regelstellgröße.
-
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es sich mit der eingangs beschriebenen Vorrichtung realisieren lässt. Das Ver-_ fahren und die Vorrichtung haben dabei den Vorteil, dass sie eine Rückkopplung nutzen, um den Akkumulator optimal zu laden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung den Akkumulatorstrom als Spannungsabfall über einem Messwiderstand, der sich im Strompfad des Akkumulators befindet, erfasst und dass der Wert dieses Spannungsabfalls proportional umgewandelt wird zu einem digitalen Signal, bevorzugt zu einer Pulsfolge mit spannungsproportionaler Frequenz.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Richtung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand das Vorzeichen der Pulsfolge festlegt und dass je eine Pulsfolge für einen negativen oder einen positiven Spannungsabfall erzeugt wird. Damit wird erreicht, dass der Stromfluss durch den Akkumulator unterschieden werden kann in Laden oder Entladen des Akkumulators. Ein positiver Spannungsabfall kennzeichnet einen Ladevorgang und ein negativer Spannungsabfall kennzeichnet einen Entladevorgang. Durch eine Differenzbildung kann der Nettostromfluss ermittelt werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Auswerteeinrichtung einen Momentanstromzähler enthält, in dem die Pulsfolge periodisch wiederkehrend zu einem Wert summiert wird und dass dieser Wert am Ende einer Periode in einem ersten Speicher abgelegt wird und anschließend der Wert zurückgesetzt wird. Damit wird der Stromfluss bestimmt, der aktuell durch den Akkumulator fließt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung einen Ladezustandszähler enthält, der den Ladezustand des Akkumulators ermittelt, in dem die Pulsfolgen für negativen bzw. positiven Stromfluss für eine Entladung bzw. Ladung des Akkus fortlaufend zu einem Wert summiert werden und dieser Wert in einem zweiten Speicher abgelegt wird. Für die präzise Bestimmung des Stromflusses durch den Akkumulator ist noch die Verstärkung der Messeinrichtung und der Wert des Messwiderstands hinzuzuziehen. Der Speicherwert für den Strom multipliziert mit der Überwachungszeit gibt die integrierte Ladung an. Damit lässt sich der Ladezustand des Akkumulators einfach und kostengünstig ableiten und die restliche Akkuladung ermitteln. Es sind keine zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen erforderlich.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Wert des Momentanstromzählers verglichen wird mit einem Referenzwert und daraus ein Vergleichsergebnis ermittelt wird. Aus diesem Vergleich wird eine Regelstellgröße abgeleitet, die die Rückkopplungs-Information der Regelung darstellt und die Ladeeinrichtung steuert.
-
Der dem Akkumulator zur Verfügung gestellt Ladestrom wird somit mit Hilfe der vorher genannten Verfahrensschritte geregelt. Wenn die Regelung im eingeschwungenen Zustand ist, entspricht der Ladestrom dem Referenzwert.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1 ein prinzipielles Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und zur Ladungskontrolle eines Akkumulators,
- 2 ein konkretes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach 1 und
- 3 ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach 1.
-
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Laden und zur Ladungskontrolle eines Akkumulators gemäß der Erfindung. Ein Akkumulator B hat einen Ausgangsanschluss VB, an dem die Akkuspannung anliegt und eine Ladeeinrichtung L angeschlossen ist. Die Ladeeinrichtung wird über einen Anschluss VC an eine Ladequelle, z.B. ein Gleichspannungsnetzgerät angeschlossen. In den Ladekreis aus Akku B und Ladeeinrichtung L ist eine Messeinrichtung M geschaltet, die den Strom durch den Akkumulator misst und auswertet.
-
Die Messeinrichtung stellt als Ausgangssignal einen aktuellen Stromwert bereit, der auf eine Regeleinrichtung R gekoppelt wird. Der aktuelle Stromwert wird in der Regeleinrichtung mit einem Sollwert an dem Anschluss IS verglichen. Die Regeleinrichtung erzeugt aus dem Differenzsignal des Vergleichs eine Regelstellgröße, die die Ladeeinrichtung L steuert und den Regelkreis schließt.
-
Die Messeinrichtung ist in der Lage, auch einen akkumulierten Stromwert zu ermitteln und daraus eine Aussage über die restlich Akkumulatorkapazität bzw. die Restbetriebsdauer des Akkus abzuleiten und anzuzeigen.
-
2 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel, bei dem bis auf den Akku alle Elemente der Vorrichtung in einen integrierten Schaltkreis (IC) integriert sind.
-
Der Akkumulatorstrom fließt durch eine Messwerterfassungseinrichtung MW mit einen Messwiderstand, der in Reihe zu dem Akku B geschaltet ist. Der an dem Messwiderstand erzeugte Spannungsabfall wird an den Enden des Messwiderstands erfasst und mit einem Signalwandler SW in ein digitales Signal gewandelt. Der Signalwandler ist auch in der Lage, die Richtung des Stromes in den Akku hinein oder aus dem Akkumulator heraus zu detektieren. Dies kann durch einen Vergleich, z.B. eine Differenzbildung des gemessenen Signals mit einem Bezugssignal erfolgen, bei dem das Vorzeichen des Vergleichsergebnisses die Richtung des Stromflusses angibt. Dem Strombetrag und der Stromrichtung entsprechende digitale Signale 1 und 2 werden am Ausgang der Signalerfassungseinrichtung, die MW und SW enthält, ausgegeben und der Auswerteeinrichtung AE zugeführt. Die Messwerterfassungseinrichtung MW, der Signalwandler SW und die Auswerteeinrichtung AE sind Elemente der Messeinrichtung M.
-
Der Signalwandler SW ist als Spannungs-Frequenz-Wandler ausgeführt und erzeugt Pulsfolgen, deren Frequenz direkt proportional zu der Höhe des Spannungsabfalls am Messwiderstand ist. Eine Abwärts-Pulsfolge charakterisiert einen negativen Stromfluss und eine Aufwärts-Pulsfolge einen positiven Stromfluss, jeweils bezogen auf die Stromrichtung durch den Messwiderstand.
-
Die Auswerteeinrichtung AE enthält einen akkumulierenden Zähler ZA und einen Momentanstromzähler ZM, die jeweils von der gültigen Pulsfolge aufwärts oder abwärts gezählt werden. Auf diese Weise führt ein positiver Spannungsabfall am Messwiderstand zu einer Erhöhung des Momentanstromzählers ZM und des akkumulierenden Ladezustandszählers ZA. Dieses entspricht einem Ladevorgang. Demzufolge gilt für einen negativen Spannungsabfall, dass dieser zu einer Verringerung des Momentanstromzählers ZM und des Ladezustandszählers ZA führt. Dieses entspricht einem Entladevorgang.
-
Eine Zeitbasis TB taktet die Zähler ZM und ZA, damit aus den Zählerwerten der momentane Strom und der zeitintegrierte Strom, d.h. die Ladung des Akkus, berechnet werden können. Die Berechnung kann in der Auswerteeinrichtung AE z.B. mittels einer nicht dargestellten Recheneinheit erfolgen. Aus dem Wert für den zeitintegrierten Strom ergibt sich die verbleibende restliche Kapazität. Der Momentanstrom und der Ladezustand des Akkus sind in Speichern der Auswerteeinrichtung abgelegt und können mit Hilfe einer nicht dargestellten Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
-
Der Ausgang des Momentanstromzählers bzw. -speichers führt auf eine Vergleichseinrichtung V der Regeleinrichtung R. Am anderen Eingang des Vergleichers V liegt ein an den Anschluss IS angelegter Referenzwert. Die Vergleichseinrichtung V führt einen digitalen Vergleich zwischen dem Wert des Momentanstromzählers und dem Referenzwert durch. Am Ausgang des Vergleichers ist ein Differenzsignal als Vergleichsergebnis ermittelt, das einer Reglereinheit RE zugeführt ist. Diese erzeugt entsprechend ihrer Regelcharakteristik ein Regelstellsignal, das mit einem Regelsignalwandler DAC, z.B. einem Digital-Analog-Wandler in ein analoges Signal gewandelt wird und die Ladeeinrichtung steuert.
-
Die Ladeeinrichtung L enthält einen MOS-Transistor TL vom p-Kanal-Typ, dessen Source und Gate über einen Ladewiderstand RL verbunden sind. Der Widerstand RL dient der Einstellung einer Bias-Spannung zwischen Source und Gate des Transistors TL. Das Steuersignal der Regeleinrichtung R wird an das Gate angelegt. Sourceseitig ist TL mit der Klemme VC zum Anschluss der Ladequelle verbunden, drainseitig mit dem positiven Spannungsanschluss des Akkumulators B.
-
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich von 2 folgendermaßen unterscheidet.
-
Die Ladeeinrichtung enthält einen bipolaren pnp-Transistor TL1 an Stelle des MOS-Transistors und ist als externe Ladeeinrichtung ausgebildet. Deshalb ist auch der Widerstand RL1 extern, obwohl er auch in den IC integriert werden könnte. Der Widerstand RL1 dient der Einstellung einer Bias-Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors TL1.
-
Der Messwiderstand MW1 ist extern an den IC angeschlossen und liegt in Reihe zum positiven Anschluss des Akkumulators zwischen der Ladeeinrichtung und dem Akkumulator.
-
Der Signalwandler SW1 enthält explizit dargestellt einen Vergleicher V2, mit dem der Strom bestimmt wird, insbesondere auch nach seiner Richtung, und einen Analog-Digital-Wandler ADC, der das analoge Messsignal in ein digitales Signal umsetzt, z.B. durch eine Spannung-zu-Frequenz-Umsetzung.
-
Integriert in einen IC sind der Signalwandler SW1, die Auswerteeinrichtung AE mit den Zählern ZM, ZA und der Zeitbasis TB sowie die Regeleinrichtung R.
-
Bezugszeichenliste
-
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- AE
- Auswerteeinrichtung
- B
- Akkumulator (Akku)
- DAC
- Regelsignalwandler
- IS
- Stromsollwertanschluss
- L
- Ladeeinrichtung
- M
- Messeinrichtung
- MW
- Messwerterfassungseinrichtung
- R
- Regeleinrichtung
- RE
- Reglereinheit
- RLi
- Widerstand
- SW
- Signalwandler
- TB
- Zeitbasis
- TLi
- Ladetransistor
- Vi
- Vergleicher
- VB
- Ausgangsanschluss
- VC
- Anschluss der Ladeeinrichtung
- VG
- Bezugspotentialanschluss
- ZA
- akkumulierender (Strom-)Zähler
- ZM
- Momentanstromzähler
- 1
- Signalleitung für Aufwärtszählung
- 2
- Signalleitung für Abwärtszählung \
- i
- kein Index, Index 1
