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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Fachgebiet der wiederaufladbaren
Batterien und der Speicherzellen für wiederaufladbare Batterien. Genauer
gesagt, bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Schaltkreise
und ein Verfahren zum Ausgleich der Ladung von Batteriezellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Batterien
sind eine bequeme Quelle elektrischer Energie für viele Arten tragbarer und/oder
mobiler Elektronikgeräte.
Eine typische Batterie besteht aus der Verbindung einer Anzahl in
Reihe geschalteter elektrischer Zellen. Viele Batterietypen enthalten wiederaufladbare
Zellen, so dass Energie in den Zellen gespeichert wird, wenn eine
externe Energiequelle an die Batteriezellen angelegt wird.
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Für die Kathode
und die Anode der Batteriezellen existieren viele chemische Kombinationen,
jedoch gehören
zu den häufiger
verwendeten Kombinationen Nickel-Cadmium-, Nickelmetallhydrid- und Lithiumionen-Zusammensetzungen
(NiCd, NiMH, Li-Ion).
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Zwar
stellen die wiederaufladbaren Energiezellen eine bequeme Energiequelle
dar, jedoch verfügen
diese Energiezellen nicht über
eine unbegrenzte Lebensdauer, und die Fähigkeit der Zellen, eine Ladung
zu halten, nimmt mit der Lebensdauer der Zelle ab. Außerdem entweicht
aus Batteriezellen Energie und sie verlieren in Perioden der Nichtbenutzung oder
Aufbewahrung an Ladung. Derartige Zeiten der Nichtbenutzung können auftreten,
während
die Zellen sich vor dem Einbau in eine Batterie bei einem Hersteller
befinden, oder wenn die Zellen bereits eingebaut, die Batterie aber
noch nicht verkauft ist, oder während
langer Perioden der Nichtbenutzung durch den Verbraucher. Die Leckage
der Zellen wird durch das Vorhandensein von Wärme verstärkt, was Batterien beeinträchtigen
kann, die nicht in einer klimatisierten Umgebung aufbewahrt werden.
Alternativ kann wärmebedingte
Leckage der Zellen eine Batterie, beispielsweise eine Backup-Batterie,
beeinträchtigen,
die sich sehr nahe bei anderen, normal funktionierenden Stromkreisen
befindet, die Wärme
abgeben. Ferner kann es auf Grund des inneren Widerstands der Batterie
vorkommen, dass die Batteriezellen in der Batterie sich nicht gleichmäßig entladen. Alle
diese Faktoren bewirken, dass jede Batteriezelle im Vergleich zu
den anderen Zellen in der Batterie eine andere Ladung aufweist.
Diese unterschiedlichen Ladeniveaus können unberechenbare Anzeigen
eines niedrigen Batteriestands und mögliche ungewollten Abschaltungen
zur Folge haben.
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Es
werden Batteriewächter
verwendet, um die verbleibende Batterieentladezeit zu überwachen, indem
sowohl die Gesamtladung aller Batteriezellen überwacht wird, als auch die
Ladung einer jeden einzelnen Zelle. Typischerweise wird eine vorgegebene minimale
Ladeschwelle sowohl für
die gesamte Batterieladung als auch für die Ladungen der einzelnen Zellen
festgelegt. Fällt
eine der Messungen unterhalb der entsprechenden minimalen Ladeschwelle
aus, beendet die Batterie den Entladevorgang, indem sie die Stromzufuhr
zu dem Elektronikgerät
unterbricht. Typischerweise ist bei der vorgegebenen Schwelle für die einzelnen
Zellen ein mögliches
Zellungleichgewicht mit einbezogen, indem es einer einzelnen Zelle
ermöglicht
wird, bei einem geringeren Ladeniveau zu arbeiten, als dem Anteil
der Zelle an der vorgegebenen Minimalladung für die gesamte Batterie. Verfügt eine
Batterie beispielsweise über
drei Zellen, und die vorgegebene minimale Batterieladung beträgt 9 Volt,
kann die vorgegebene Minimalladung für eine einzelne Zelle 2,4 Volt
betragen anstatt der 3 Volt, die einem Drittel der Gesamtvoltzahl
entsprechen. Die Batterie kann auch eine Anzeige der verbleibenden
Batterieladung erzeugen, und dieser Anzeigewert wird unter Verwendung
der Gesamtladung aller Batteriezellen ermittelt. Sind die Zellen
daher nicht ausgeglichen, kann die Ladung einer Zelle unter die
Ladeschwelle für
einzelne Zellen fallen, bevor die gesamte Batterieladung die minimale
Ladeschwelle für
die gesamte Batterie erreicht. Das hat zur Folge, dass die Batterie
aufhört,
Ladung zu liefern, bevor die gesamte Batterieladung den Minimalschwellenwert erreicht
hat. Dieses reduziert die Batteriebetriebszeit zwischen Ladevorgängen und
führt zu
einer unvorhergesehenen Beendigung der Batterieentladung.
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Beim
Laden der Batterie werden gleichermaßen die Zellen geladen, bis
die Gesamtladung der Zellen einen Schwellenwert erreicht. Die Aufladung wird
auch beendet, wenn die Ladung einer einzelnen Zelle eine vorgegebene
maximale Ladeschwelle erreicht. Sind daher Zellen nicht ausgeglichen,
kann eine Zelle die maximale Ladeschwelle für einzelne Zellen erreichen,
während
die gesamte Batterieladung noch nicht der Vollaufladung der Batterie
entspricht. Das führt
dazu, dass die Batterie nicht voll aufgeladen wird, was die Batteriebetriebszeit
zwischen Aufladevorgängen
verringert.
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Es
wurden Verfahren und Systeme entwickelt, um das Problem des Zellungleichgewichts
zu beheben. Das manuelle Verfahren, den Ladestatus jeder Zelle zu
messen und die Zellen mit gleichen Ladungen einander zuzuordnen,
wenn die Zellen in eine Batterie eingebaut werden, ist ungenau und
sehr zeitraubend. Außerdem
betrifft dieses manuelle Verfahren keine Zellleckage, wie sie nach
der Batteriemontage auftreten kann. Alternativ kann ein aktiver
Zellausgleich durch eine Reihenschaltung eines Lastwiderstands und
eines Transistors, die mit jeder einzelnen Zelle parallel geschaltet
werden, realisiert werden, wobei der Widerstand und der Transistor während der
Aufladung der Batteriezellen zu diesen parallel geschaltet sind,
um den Strom teilweise zu übernehmen.
Diese Art des Zellausgleichs wird durch Software erreicht, die einen
komplexen Steueralgorithmus verwendet und den Zell-Ladungsausgleich
lediglich emuliert, anstatt einen inhärenten Zell-Ladungsausgleich
zu erzwingen, und die deshalb anfällig gegenüber Fehlerquellen vieler Art
ist, wie beispielsweise die ursprüngliche Ladung der Zellen und
die Leerlaufspannung.
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Daher
ist es in Bezug auf das Fachgebiet der wiederaufladbaren Batterien
wünschenswert,
eine Batterie zur Verfügung
zu stellen, die in der Lage ist, die Ladung jeder der Zellen auszugleichen,
um die Batterieentladezeit zu maximieren. Es ist außerdem eine
Batterie zu wünschen,
die einen Zell-Ladungsausgleich erzielt, dass sie nicht so abhängig von komplexen
Softwarealgorithmen ist, um die Erwzingung eines inhärenten Zellausgleichs
zu emulieren. Es ist eine Batterie wünschenswert, die einen Zellausgleich
erzielt und zur Steuerung des Zellausgleichs gemessene Werte der
Zellmerkmale verwendet. Weiterhin ist ein Verfahren zum Ausgleich
der Zellladungen einer Batterie wünschens wert. Es ist wünschenswert,
dass das Verfahren vor dem Einbau der Zellen in eine Batterie und
nach dem Zusammenbau der Batterie betriebsfähig ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der Batterie in der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Vielzahl
von Zellen, die eine Batterieladung erzeugen, und die Batterie umfasst
eine Vielzahl von zwischen die Batteriezellen und eine Last geschalteten
Schaltern, wobei die Schalter derart konfigurierbar sind, dass die Batteriezellen
entweder in einer normalen Konfiguration oder alternativ in einer
Ausgleichskonfiguration verbunden sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Zellen mit einer Entladelast verbunden, wenn sie sich in
einer Ausgleichskonfiguration befinden, wobei in einer Ausführungsform
die Entladelast aus einer Konstantstrom-Konstantspannungs-Entladelast besteht.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
ist die Entladelast mit einer Steuerschaltung verbunden, so dass
die elektrischen Eigenschaften der Entladelast während der Entladung der Batteriezellen
geändert werden
können.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens in der vorliegenden Offenbarung ist ein Ausgleichsschaltkreis
mit zumindest einer elektrischen Zelle verbunden, wobei der Ausgleichsschaltkreis
eine programmierbare Last und einen Spannungswächter umfasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die programmierbare Last so betrieben, dass sie auf Grund der
empfohlenen maximalen Entladespannung für zumindest eine Zelle eine
Spannung aufnimmt, bis die Spannung dieser zumindest einen Zelle
die empfohlene minimale Entladespannung erreicht.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens wird das Verfahren durchgeführt, bevor die Zellen zu einer
Batterie zusammengebaut werden.
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In
einer noch anderen Ausführungsform
wird das Verfahren vor dem Wiederaufladen der Batterie durchgeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1a–c zeigen
Schemadiagramme der Zellen einer Batterie in verschiedenen Stadien
des Ladungsausgleichs und Ladungsungleichgewichts;
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2 zeigt
ein Schemadiagramm einer Ausführungsform
des Zellausgleichsschaltkreises;
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der Zellausgleichsbatterie;
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4 zeigt
ein Schemadiagramm einer Ausführungsform
der Zellausgleichsbatterie in einer Normalkonfiguration und
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5 zeigt
ein Schemadiagramm einer Ausführungsform
der Zellausgleichsbatterie in einer Ausgleichskonfiguration.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die 1a–c zeigen
eine Reihe von Schemadiagrammen einer Batterie 10, die
die in Reihe geschalteten elektrischen Zellen C1, C2 und C3 umfasst.
Die Batterie 10 umfasst einen positiven Pol 12 und
einen negativen Pol 14. Die Gesamtladung der Batterie 10 ist
die Spannung zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen
Pol 14. Ein Elektronikgerät 16 oder eine andere
Art elektrischer Last ist an dem positiven Pol 12 und an
dem negativen Pol 14 durch einen Lastschalter 18 mit
der Batterie 10 verbunden. Der Lastschalter 18 kann
alternativ auch eine andere Art geeigneter elektrischer Verbindung
zwischen dem Elektronikgerät 16 und
den Polen 12 und 14 sein, die nicht notwendigerweise
ein Schalter ist. Ist die Batterie 10 mit dem Elektronikgerät verbunden, liefert
die Batterie 10 dem Elektronikgerät 16 einen Vorrat
an elektrischer Ladung. Das Elektronikgerät 10 verwendet diese
Ladung für
seinen Betrieb.
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Die
Zellen C1, C2 und C3 sind in Reihe geschaltet, daher wird die Spannung
der einzelnen Zellen addiert, um die Gesamtspannung der Batterie 10 zu
ermitteln. Die Ladung oder Spannung der Batterie 10 wird
typischerweise von einer Energieanzeige (nicht gezeigt) überwacht,
die aus einem Coulomb-Zähler
und einem Spannungswächter
besteht, um festzustellen, wann die Batterie 10 entladen
ist. Dieses wird festgestellt, wenn die Spannung der Batterie 10 unter
die vorgegebene minimale Batterieschwellenspannung abfällt. Bei
Erfassen einer Batteriespannung unterhalb der minimalen Schwellenspannung,
wird einer der Schalter 18 geöffnet, so dass die Batterie 10 den
Entladevorgang beendet und das Elektronikgerät 16 nicht mit Strom
versorgt. Alternativ kann die Batterie 10 den Entladevorgang beenden,
wenn erfasst wird, dass eine der Zellen C1, C2 und C3 eine Ladung
unterhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung aufweist. Während des
Ladevorgangs wird die vollständige
Aufladung der Batterie festgestellt, wenn die gesamte Batteriespannung
zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 14 einen
vorgegebenen Spannungsmaximalwert erreicht. Ab dem Erreichen dieses
Spannungsmaximalwerts nimmt die Batterie keine weitere Ladung mehr
auf. Gleichermaßen
wird das Laden der Batterie 10 beendet, wenn die Spannung
einer einzelnen Zelle C1, C2 oder C3 einen vorgegebenen Spannungsmaximalwert
erreicht.
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Als
beispielhafte Beschreibung wurden in der 1a jeder
der Zellen C1, C2 und C3 hypothetische Spannungen zugeordnet. In
diesem Beispiel beträgt
die minimale Batterie-Entladeschwellenspannung
9 Volt und die minimale Zell-Entladespannung 2,4 Volt. Wie in 1a gezeigt,
sind die Spannungen der Zellen C1, C2 und C3 relativ ausgeglichen
und die gesamte Batteriespannung ist gleich 8,9 Volt. Da 8,9 Volt
unterhalb der Batterie-Entladeschwellenspannung von 9,0 Volt liegt,
wird festgestellt, dass die Batterie entladen ist, die Entladung
der Batterie wird beendet und das Elektronikgerät 16 wird nicht mit Strom
versorgt. Die in 1a gezeigte Batterie 10 hat
bei dem Betrieb der Batterie 10 alle oder im Wesentlichen
alle Potentialladung in jeder der Zellen aufgebraucht. Daher ist
die Lebensdauer der Ladung der Batterie 10 maximiert und
die Vorhersage der verbleibenden Batterie-Betriebsdauer sollte auf Grund
der gleichmäßigen Entladung
von jeder der Zellen relativ genau sein. 1b zeigt
eine Batterie 10, in der die Zellen C1, C2 und C3 nicht
ausgeglichen sind, da C1 2,3 Volt hat, C2 3,5 Volt und C3 3,4 Volt.
In dem Beispiel aus 1b beträgt die gesamte Batteriespannung
9,2 Volt, was oberhalb der minimalen Batterieentladeschwelle von
9 Volt liegt; die Ladung von C1 beträgt jedoch 2,3 Volt, was unterhalb der
minimalen Zellentladeschwelle von 2,4 Volt liegt. Daher beendet
die Batterie 10 die Stromversorgung des Elektronikgerätes 16.
Das ist eine ineffiziente Funktionsweise, da eine wesentliche Ladungsmenge in
den Zellen C2 und C3 verbleibt, die nicht von der Batterie 10 genutzt
wurde. Die Lebensdauer der Batterieladung ist daher kürzer als
sie notwendigerweise sein müsste,
und die Batterie 10 muss öfter geladen werden. Außerdem beträgt die gesamte
Batteriespannung der Batterie 10 in 1b 9,2
Volt, was noch über
der Batterie-Entladeschwellenspannung liegt. Dies kann zu einer
falschen Vorhersage der verbleibenden Betriebszeit führen, da
die Batteriespannung noch über
der Batterie-Entladespannungsschwelle liegt, die Batterie jedoch
die Entladung beendet hat. Diese ungenaue Vorhersage der verbleibenden
Betriebszeit kann unerwünschte
oder potenziell gefährliche
Konsequenzen haben, falls das von der Batterie 10 versorgte
Elektronikgerät
die Energieversorgung vor der vorhergesagten Betriebszeit abbricht.
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Eine
Unausgeglichenheit der Zellladungen kann auch das Wiederaufladen
einer Batterie 10 nachteilig beeinflussen, wie in 1c dargestellt
ist. In dem in 1c gezeigten Beispiel beträgt die maximale
Batterie-Ladeschwellenspannung 12,3 Volt, während die maximale Zellladung
4,35 Volt beträgt. Wie
in 1c gezeigt, ist die Batteriespannung nur gleich
12 Volt, was unterhalb der maximalen Batterie-Ladeschwellenspannung
von 12,3 Volt liegt. Da jedoch die Zelle C1 bis auf ein Niveau von
4,4 Volt geladen wurde, hat die Batterie 10 den Batterieladezyklus
abgeschlossen. Daher hat die Batterie zwar das Aufladen beendet,
ist aber nicht vollständig
aufgeladen. Die Unausgegli chenheit der Spannung in C1 im Vergleich
zu der Spannung der Zellen C2 und C3 beschränkt daher die Wiederaufladung
der Batterie 10 auf ein Ladeniveau unterhalb einer vollständigen Aufladung.
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Diese
Beschränkung
der Batterieaufladung reduziert die Betriebsdauer zwischen dem Lade-
und Entladestadium der Batterie 10 weiter, was eine reduzierte
Betriebsdauer der Batterie 10 zur Folge hat. Es ist wünschenswert,
dass die Ladungen jeder einzelnen Zelle derart ausgeglichen sind,
dass keine vorzeitig entladene Zelle vorzeitig die Beendigung der von
der Batterie 10 bereitgestellten Aufladung einleitet, noch
dass in irgendeiner einzelnen Zelle zusätzlich verbleibende Ladung
die während
des Aufladens von der Batterie 10 aufgenommene Gesamtlademenge
verringert.
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2 ist
ein Schemadiagramm der Batterie 10 mit den Zellen C1, C2
und C3, die mit einem Ausgleichsschaltkreis 20 durch den
Lastschalter 18 verbunden sind, der mit den Polen 12 und 14 verbunden ist.
Der Ausgleichsschaltkreis 20 kann eine Gleichstrom-Gleichspannungslast
(CCCV-Last) umfassen, die mit den Zellen C1, C2 und C3 parallel
geschaltet ist, so dass jede der Zellen C1, C2 und C3 durch die CCCV-Last
mit derselben Spannung beaufschlagt wird. Die CCCV-Last kann eine
programmierbare Last 22 sein. Die programmierbare Last 22 kann
einen stromsynchronisierenden oder einen variablen Widerstand enthalten;
es ist jedoch zu beachten, dass viele andere geeignete elektrische
Komponenten verwendet werden können.
Der Ausgleichsschaltkreis 20 kann ferner einen Spannungswächter 24 umfassen,
um die Spannung der programmierbaren Last 22 zu überwachen.
Die Parallelschaltung der Zellen C1, C2 und C3 mit dem Ausgleichsschaltkreis 20 erzwingt
den Ausgleich der Zellen in Bezug auf mehrere Zellmerkmale. Diese
Merkmale umfassen die Zellspannung, den Ladestatus und die verbleibende
Zellkapazität.
Sind die Zellen C1, C2 und C3 mit dem Ausgleichsschaltkreis 20 verbunden,
werden alle der Zellen unter Verwendung der programmierbaren Last 22 und überwacht
von dem Spannungswächter 24,
wobei der Ausgleichsschaltkreis 20 aus beiden besteht,
chemisch entladen.
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Die
programmierbare Last 22 kann dafür angepasst oder programmiert
sein, den von der Last 22 aufgenommenen Entladestrom zu
steuern. Der von der programmierbaren Last 22 aufgenommene Strom
kann auf dem vom Hersteller empfohlenen maximalen Entladestrom für jede der
Zellen in der Batterie 10 beruhen. Der Entladestrom wird
aufgenommen, bis die Zellspannung die vom Hersteller empfohlene
minimale Entladespannung erreicht hat. Der Entladestrom wird dann
verringert, um eine konstante Spannung beizubehalten, die gleich
der vom Hersteller empfohlenen minimalen Entladespannung ist, bis
der Entladestrom bis auf ein vorgegebenes Stromniveau abnimmt. Dieses
Verfahren sorgt für
einen inhärenten
Ausgleich von Spannung, Ladestatus und verbleibender Kapazität an der
chemischen Entladeschwellenspannung, mit minimalen Auswirkungen
auf Grund von interner Zellimpedanz. Dieses Verfahren und dieser
Schaltkreis erreichen den Ausgleich in der kürzesten Zeit, ohne die vom
Hersteller der Zellen empfohlene maximale Entladestromstärke zu überschreiten
oder entsprechend die minimale Entladespannung zu unterschreiten.
Sobald die Zellen während
der Herstellung ausgeglichen wurden, können die Zellen in einer Reihe
von Verbindungen rekonfiguriert werden, um die Batterie zu definieren.
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3 zeigt
eine Batterie 26 mit einer Batterieausgleichsanordnung 27.
Die Batterieausgleichsanordnung umfasst eine Vielzahl von Schaltern
S1, S2 und S3, die mit jeder der Zellen C1, C2 und C3 verbunden
sind. In einer Ausführungsform
der Batterieausgleichsanordnung 27 können die Schalter MOSFETs enthalten,
jedoch können
auch viele andere geeignete Schaltkreiskomponenten und Konfigurationen
für die
Schalter verwendet werden. Die Schalter werden von einem Controller 28 gesteuert,
um die Schalter derart zu öffnen
oder zu schließen,
dass sich die Batterieausgleichsanordnung 27 in einer gewünschten
Konfiguration befindet, die eine Normalkonfiguration oder eine Ausgleichskonfiguration
sein kann. In der Normalkonfiguration sind die Zellen C1, C2 und
C3 zwischen dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 14 in
Reihe geschaltet, und die Lastschalter 18 verbinden die
Batterie mit dem Elektronikgerät 16.
In der Ausgleichskonfiguration sind die Zellen C1, C2 und C3 zwischen
dem positiven Pol 12 und dem negativen Pol 14 parallel
geschaltet, und die Lastschalter 18 verbinden verbinden
die Batterie mit dem Ausgleichsschaltkreis 20.
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Der
positive Pol 12 und der negative Pol 14 sind derart
mit einem Lastschalter 18 verbunden, dass der Lastschalter 18 in
der Lage ist, zwischen einem Lastanschluss 30 und einem
Ausgleichsanschluss 32 hin- und herzuschalten. Der Lastanschluss 30 ist
mit einem Elektronikgerät 16 oder
einer anderen Art Last verbunden, die durch die Batterie 26 mit
Strom versorgt werden soll. Der Ausgleichsanschluss 32 ist
mit dem Ausgleichsschaltkreis 20 verbunden, der aus der
programmierbaren Last 22 und dem Spannungswächter 24 besteht.
Ein Controller 28 kann mit den Schaltern S1, S2 und S3,
den Lastschaltern 18, der programmierbaren Last 22 und
dem Spannungswächter 24 verbunden
sein. Der Controller 28 kann diese verschiedenen Komponenten
steuern, indem er durch die zugehörige Leitung 34, die den
Controller 28 mit der Komponente verbindet, jeder dieser
Komponenten ein Steuersignal sendet. In der Ausführungsform aus 3 verfügt der Controller 28 über eine
Drucktaste (nicht gezeigt), die manuell betätigt werden kann; um die Batterie 26 zwischen der
Betriebskonfiguration und der Entladekonfiguration hin- und her
zu schalten. In einer beabsichtigten Ausführungsform der Batterie 26,
umfasst der Controller 28 alternativ Software, die das
Hin- und Herschalten zwischen der Betriebskonfiguration und der Entladekonfiguration
steuert. Diese Software könnte erfasste,
durch Spannungssensoren (nicht gezeigt) erhaltene Batteriespannungswerte
oder Einzelspannungen in einer oder mehrerer der Zellen verwenden, um
die korrekte Konfiguration für
die Batterie 26 zu ermitteln.
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4 zeigt
die Batterie 26, nachdem der Controller 28 Steuersignale
gesendet hat, um die Batterie 26 in der Normalkonfiguration
zu betreiben. Der Controller 28 hat derart ein Steuersignal
an die Schalter S1 und S2 geliefert, dass sich die Schalter in einem
offenen Zustand befinden, so dass kein Strom durch die Schalter
S1 und S2 fließt.
Die Schalter S1 und S2 sind in 4 gestrichelt
dargestellt, um einen deaktivierten Status anzuzeigen. Der Controller 28 hat
ein Steuersignal an den Schalter S3 gesendet, so dass sich der Schalter
S3 in einem geschlossenen Zustand befindet, wodurch ein Stromfluss durch
den Schalter S3 ermöglicht
wird. Der offene Zustand der Schalter S1 und S2 in Verbindung mit dem
geschlossenen Zustand des Schalters S3 schaltet die Zellen C1, C2
und C3 in Reihe mit dem positiven Pol 12 und dem negativen
Pol 14.
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Der
Controller 28 steuert die Lastschalter 18, um
den positiven Pol 12 und den negativen Pol 14 mit den
Lastanschlüssen 30 zu
verbinden. Die kombinierte Ladung der Zellen C1, C2 und C3 wird
in Reihe zu dem Elektronikgerät 16 geleitet.
Diese Betriebskonfiguration versorgt das Elektronikgerät 16 mit
Ladung von der Batterie 26 und kann so funktionieren, bis
ein Erfassungsschaltkreis (nicht gezeigt), der Spannungssensoren
enthalten kann, wie im Fachgebiet der Erfindung allgemein bekannt
ist, ermittelt, dass entweder die gesamte Batterieladung unter die minimale
Batterie-Schwellenspannung gefallen ist, oder dass die Spannung
der Zellen C1, C2 und C3 unter die minimale Zell-Schwellenspannung gefallen ist. Beim
Unterschreiten einer der Minimalschwellen, beendet die Batterie
die Ladungsversorgung des Elektronikgerätes 16. In der gezeigten
Ausführungsform
steuert der Controller 28 den Lastschalter 18, um
die Lastanschlüsse 30 zu
trennen.
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Sobald
die Batterie 26 aufgehört
hat, das Elektronikgerät 16 mit
Ladung zu versorgen, aber vor der Wiederaufladung der Zellen C1,
C2 und C3 der Batterie 26, ändert der Controller 28 die
Konfiguration der Schalter S1, S2 und S3 sowie der Lastschalter 18 in
eine Ausgleichskonfiguration wie in 5 gezeigt. 5 zeigt
ein Schemadiagramm der Batterie 26 nachdem der Controller 28 derart
Steuersignale durch die Leitungen 34 an die Schalter S1,
S2 und S3 gesendet hat, dass S1 und S2 sich in einem geschlossenen
Zustand befinden und S3 in einen offenen Zustand geschaltet wird.
Diese Konfiguration von Schalterzuständen bringt die Zellen C1,
C2 und C3 der Batterie 26 in eine Ausgleichskonfiguration, so
dass die Zellen C1, C2 und C3 mit dem positiven Pol 12 und
dem negativen Pol 14 parallel geschaltet sind. Der Controller 28 steuert
ferner die Lastschalter 18, um den positiven Pol 12 und
entsprechend den negativen Pol 14 mit den Ausgleichsanschlüssen 32 zu
verbinden. Die Ausgleichsanschlüsse 32 sind
mit dem Ausgleichsschaltkreis 20 verbunden, der die programmierbare
Last 22 und den Spannungswächter 24 umfasst.
Daher sind die Zellen C1, C2 und C3 mit der programmierbaren Last 22 und
dem Spannungswächter 24 parallel
geschaltet.
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Sobald
die Zellen C1, C2 und C3 in der Ausgleichskonfiguration parallel
geschaltet sind, kann die programmierbare Last 22 SO betrieben
werden, dass die Ladung der Zellen C1, C2 und C3 zum Ausgleich gebracht
wird, um die Zellen bis hin zu einer vollständigen chemischen Entladung
gleichmäßig zu entladen,
bevor diese Zellen wieder aufgeladen werden. Die programmierbare
Last 22 kann durch die mit der programmierbaren Last verbundene
Leitung 34 Steuersignale von dem Controller 28 empfangen. Der
Spannungswächter 24 kann
Signale, die die Spannung der programmierbaren Last 22 anzeigen, durch
die Leitung 36 an den Controller 28 senden. Der
Controller 28 kann auf der Grundlage der beobachteten Spannung
Steuersignale an die programmierbare Last 22 senden, um
den Widerstandswert der programmierbaren Last 22 und den
daraus resultierenden von der programmierbaren Last aufgenommenen
Strom zu steuern.
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Der
Controller 28 kann ein Steuersignal an die programmierbare
Last 22 senden, so dass der Widerstand der programmierbaren
Last 22 sich ändert,
um von der Batterie 26 einen Konstantstrom aufzunehmen,
auf der Grundlage des empfohlenen maximalen Entladestroms für jede der
Zellen C1, C2 und C3. Der Entladestrom kann von dem Controller 28 ermittelt
werden als der empfohlene maximale Entladestrom für eine einzelne
Zelle, multipliziert mit der Gesamtzahl der Zellen, die mit dem
Ausgleichsschaltkreis 20 parallel geschaltet sind. Alternativ kann
der von der anpassbaren Last 22 aufgenommene Entladestrom
die Summierung der empfohlenen maximalen Entladeströme für jede der
in der Batterie 26 verwendeten Zellen sein. Der Entladestrom
kann aufgenommen werden, bis die Spannung von zumindest einer der
parallelen Zellen C1, C2 und C3 die empfohlene minimale Entladespannung
für die
Zelle erreicht. Sobald dieses erfasst wird, kann der Controller 28 ein
Steuersignal an die anpassbare Last 22 senden, so dass
der Widerstand der anpassbaren Last 22 graduell erhöht wird,
um eine Konstantspannung beizubehalten, die gleich der von dem Hersteller
für die
parallelen Zellen übergreifend
empfohlenen minimalen Entladespannung einer einzelnen Zelle ist.
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Die
graduelle Vergrößerung des
Widerstands wirkt dem sich verringernden, durch die programmierbare
Last 22 aus den Zellen aufgenommenen Strom bei Beibehaltung
einer Konstantspannung entgegen. Die graduelle Vergrößerung des
Widerstands kann weitergehen, bis die Stromstärke bis auf einen vorgegebenen
Grenzwert abgenommen hat. In einer Ausführungsform kann der Stromstärkegrenzwert
0,05C Milliampere betragen, wobei C die stündliche Entladerate ist; es
ist jedoch in keiner Weise beabsichtigt, dass dieser Grenzwert die
mit der beschriebenen Ausführungsform
zu verwendende Stromstärkeschwelle
einschränkt,
vielmehr kann die Stromstärkeschwelle
auf der Grundlage der Anzahl der zu entladenden Zellen und der Herstellermerkmale
der Zellen aus jedem beliebigen Stromstärkewert bestehen. Sobald die
von der anpassbaren Last 22 aufgenommene Stromstärke bis
auf unter den Stromschwellenwert verringert wurde, wird festgestellt,
dass die Zellen C1, C2 und C3 vollständig aufgeladen sind, und der
Aufladevorgang wird beendet. Die Zellmerkmale wie beispielsweise
die verbleibende Kapazität
und der Ladestatus sind an einem Punkt ausgeglichen, der der vom
Hersteller empfohlenen Entladespannung sehr nahe kommt. Dieses bewirkt auch
einen Zellausgleich an dem entscheidenden Punkt der chemischen Entladung.
Die Zellen (C1, C2, C3) können
dann bis auf ihre volle „de-rated" Kapazität aufgeladen
werden. „De-Rating" ist ein Verfahren, bei
dem eine wiederaufladbare Batterie auf eine spezifizierte Spannung
unterhalb der vom Hersteller empfohlenen maximalen Spannungskapazität aufgeladen
wird. Beispielsweise kann eine Batteriezelle wie vom Hersteller
empfohlen bis auf 4,2 V aufgeladen werden; die de-rated Spannung
kann jedoch eventuell nur 4,1 V betragen. Während eine „de-rated" Batterie eine etwas verminderte Lebensdauer aufweist,
ist dieser Verlust an Lebensdauer typischerweise kleiner gleich
10 % der Gesamtlebensdauer der Batterie. Das „De-Rating" einer Batterie vergrößert die
Anzahl der möglichen
Wiederaufladevorgänge
während
der Batterielebensdauer und verbessert die Sicherheit der Batterie
während
des Wiederaufladevorgangs.
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Bei
der Herstellung einer Ausführungsform der
Batterie kann die Vielzahl der Zellen unter Verwendung leitender
Streifen, die das Metall Nickel enthalten, aneinander geschweißt werden.
Vor dem Schweißen
der Nickelstreifen können
die Zellen in einen Zellausgleichsschaltkreis eingesetzt werden,
so dass die Zellen mit dem Ausgleichsschaltkreis parallel geschaltet
sind, und die Zellen so vor dem Zusammenbau der Batterie ausgeglichen
sind. Alternativ können
die Zellen einzeln mit einem Ausgleichsschaltkreis verbunden werden,
so dass jede der Zellen sich vor dem Zusammenbau der Batterie im
Wesentlichen in demselben Ladestatus befindet. In einer weiteren
Ausführungsform
wird kein Controller 28 verwendet, sondern es werden menschliche
Beobach tung und Eingaben verwendet, um die Verbindung der Batterie 26 mit
dem Ausgleichsschaltkreis 20 sowie die programmierbare
Last 22 zu steuern.
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Auf
dem Gebiet der Medizin werden viele Vorrichtungen verwendet, von
denen es wünschenswert
wäre, dass
sie in tragbarer oder mobiler Form zur Verfügung stünden. Tragbare oder mobile
Vorrichtungen können
eine Batterie verwenden, die als Hauptenergiequelle eine Vielzahl
von Zellen enthält, oder
es kann eine Batterie als Backup-Energiequelle für den Betrieb dieser und anderer
Elektronikgeräte dienen.
Einige dieser medizinischen Elektronikgeräte können dazu verwendet werden,
um die physiologischen Parameter eines Patienten zu überwachen, oder
um Beatmung, Ernährung
oder andere lebenserhaltende Maßnahmen
zu erbringen. Daher ist eine geeignete Energieversorgung entscheidend
für den Betrieb
dieser medizinischen Vorrichtungen und das Wohlergehen des Patienten.
Ausführungsformen
der Batterie, wie sie hier offenbart wurde, können den Vorteil einer längeren Batterielebensdauer
zwischen den erforderlichen Aufladevorgängen und ebenfalls eine genauere
Schätzung
der verbleibenden Batterieladung bieten. Riskante Konsequenzen können eintreten,
wenn in einer Batterie nicht ausgeglichene Zellen verwendet werden
und die Batterie daher eventuell anzeigt, dass sie noch über Ladung
verfügt, während die
Batterie bereits die Stromversorgung beendet, da eine der Zellen
unter die minimale Zell-Entladeschwellenspannung gefallen ist. Weiter erfordern
Sicherheitsstandards für
medizinische Vorrichtungen, die eventuell eine Batterie als eine
Energiequelle verwenden, dass eine Warnung angezeigt wird, sobald
festgestellt wird, dass in der Energiequelle noch Batterieladung
für fünf Minuten
vorhanden ist. Beendet die Batterie die Stromversorgung vor der
geschätzten
Abschalt zeit, wird diesem Sicherheitsstandard eventuell nicht entsprochen.
Daher wird durch Ausgleich der Zellen nach dem Entladen der Batterie
dieser Sicherheitsstandard zuverlässiger eingehalten und es treten
eventuell weniger Fälle
auf, in denen die Fünf-Minuten-Warnfunktion versagt.
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Ausführungsformen
der gegenwärtig
offenbarten Batterie können
die Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion-Zellen) in der Batterie umfassen.
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Weitere
Ausführungsformen
der Batterie können
jede Anzahl Zellen und zur Steuerung der Zellkonfiguration erforderliche
Schalter umfassen, die für
die spezifische Batteriekonstruktion erforderlich ist. Während in
allen vorliegenden Beschreibungen eine Batterie mit drei Zellen
und drei Schaltern verwendet wurde, ist ersichtlich, dass in Verbindung mit
der vorliegenden Offenbarung jede beliebige Anzahl Batteriezellen
benutzt werden kann. Es ist weiterhin ersichtlich und beabsichtigt,
dass mit zunehmender Anzahl der reihengeschalteten Zellen notwendigerweise
auch die Anzahl der Schalter zunehmen würde.
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Ausführungsformen
der Batterie bieten im Vergleich mit anderen wiederaufladbaren Batterien den
Vorteil einer verbesserten Batterielebensdauer und/oder Ladekapazität, da der
Zellausgleich entweder bei einem anfänglichen Entladevorgang vor
dem Zusammenbau der Batterie oder nach jedem Entladen der Batterie
bevor die Batterie wieder aufgeladen wird durchgeführt werden
kann.
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Ausführungsformen
der Batterie bieten weiter den Vorteil eines exakten Ausgleichs
an einem entscheidenden Punkt der Batteriespannungsentladung. Die
Batterieentladespannung entlädt
sich exponentiell und verstärkt
daher jedes Ungleichgewicht in irgendeiner der Zellen, während die
Zellen sich der minimalen Entladeschwellenspannung nähern. Der Ausgleichsschaltkreis
erzielt einen Zell-Ladungsausgleich bei der vom Zellenhersteller
empfohlenen Entladespannung. Dies ermöglicht, dass die Zellen sich im
nächsten
Betriebszyklus gleichmäßig entladen, und
dass sie sich durch den entscheidenden Punkt der chemischen Zellentladung
gleichmäßig entladen.
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Ausführungsformen
bieten weiter den Vorzug einer verlässlicheren Zellentladung, so
dass weniger unbeabsichtigte Stromabschaltungen auf Grund von nicht
ausgeglichenen Zellen auftreten, und dass die Batterie eine genauere
Vorhersage der verbleibenden Batterieladung ermöglicht, wobei die Vorhersage
der verbleibenden Batterieladung auch bei niedrigem Ladestand, wenn
die Vorhersage am wichtigsten ist, genauer ist.
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Diese
schriftliche Beschreibung benutzt Beispiele, um die Merkmale der
Ausführungsformen
zu offenbaren – darunter
die beste Anwendungsweise der Erfindung – und ebenso, um Fachleute
in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und anzuwenden.
Der patentierbare Anwendungsbereich wird durch die Patentansprüche definiert
und kann weitere Beispiele umfassen, wie sie Fachleuten einfallen
könnten.
Es ist beabsichtigt, dass derartige weitere Beispiele in dem Anwendungsbereich
der Patentansprüche
enthalten sind, wenn sie strukturelle Element aufweisen, die nicht
von der wörtlichen Sprache
der Patentansprüche
abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit
nur unwesentlichen Unterschieden zu der wörtlichen Sprache der Patentansprüche enthalten.
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Es
ist beabsichtigt, dass verschiedene Alternativen und Ausführungsformen
in dem Anwendungsbereich der nachfolgenden Patentansprüche enthalten
sind, wobei ausdrücklich
der als die Erfindung betrachtete Gegenstand hervorgehoben und eindeutig
beansprucht wird.
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Batterie 10 mit
einer Batterieausgleichsanordnung 27, die das Entladen
von Batteriezellladung reguliert, und Verfahren zum gleichmäßigen Entladen
der Batteriezellen C1, C2, C3, wobei die Batterie 10 eine
Vielzahl von Zellen C1, C2, C3 umfasst. Die Ausgleichsanordnung 27 umfasst
zwischen den Zellen angeordnete Schalter S1, S2, S3, so dass die Schalter
S1, S2, S3 die Zellen C1, C2, C3 in einer Normalkonfiguration und
einer Ausgleichskonfiguration konfigurieren können, wobei in der Normalkonfiguration
die Vielzahl von Zellen C1, C2, C3 mit einer Elektronikvorrichtung 16 verbunden
werden kann, und wobei die Vielzahl von Zellen C1, C2, C3 in der Ausgleichskonfiguration
mit einem Ausgleichsschaltkreis 20 verbunden ist. Der Ausgleichsschaltkreis 20 dient
zum Ladungsausgleich in der Vielzahl von Zellen C1, C2, C3 vor dem
Wiederaufladen der Zelle.
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- Bezugszeichen
- Komponente
- 10
- Batterie
- C1,
C2, C3
- Zellen
- 12
- positiver
Pol
- 14
- negativer
Pol
- 16
- Elektronikgerät
- 18
- Lastschalter
- 20
- Ausgleichsschaltkreis
- 22
- programmierbare
Last
- 24
- Spannungswächter
- 26
- Batterie
mit Steuerschaltung
- S1,
S2, S3
- Schalterpaare
- 27
- Ausgleichsanordnung
- 28
- Controller
- 30
- Lastanschluss
- 32
- Ausgleichsanschluss
- 34
- Leitung
- 36
- Leitung