DE102009030961A1

DE102009030961A1 - Ladevorrichtung, wiederaufladbare Batterie und Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie

Info

Publication number: DE102009030961A1
Application number: DE102009030961A
Authority: DE
Inventors: Marc Hartmeyer
Original assignee: Sanyo Components Europe GmbH
Current assignee: Sanyo Energy Europe Corp GmbH
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung stellt eine Ladevorrichtung (10; 110) für eine wiederaufladbare Batterie (22; 122) bereit, welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) aufgebaut ist, wobei die Ladevorrichtung umfasst: - einen Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18), - eine Kontaktanordnung (34; 134) mit einer Mehrzahl von Kontaktelementen, wobei die Kontaktanordnung dafür eingerichtet ist, den Pluspol (28P, 30P, 32P; 128P) und den Minuspol (28M, 30M, 32M; 128M) einer jeden Zelle der Batterie (22; 122) zu kontaktieren, und - eine Ladeschaltung (20, 36; 120, 136), welche den Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18) und die Kontaktanordnung (34; 134) miteinander verschaltet, wobei die Ladeschaltung ein Auswahlsteuermittel (20; 120) umfasst, welches dafür eingerichtet ist, eine Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts (14, 16, 18) nacheinander an einzelne der Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie (22; 122) anzulegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie, eine wiederaufladbare Batterie sowie ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zum Laden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien, Lithium-Titanat-Batterien, Lithium-Magnesium-Batterien, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien usw., welche aus einzelnen Zellen aufgebaut sind.
Wiederaufladbare Batterien (auch bezeichnet als Akkumulatoren oder Akkus) finden vielfältige Anwendungen in mobilen elektrischen Geräten, angefangen von elektrischen Kleingeräten wie Radios, Fotoapparaten oder Spielzeug, über Geräte mit mittlerem Energiebedarf wie elektrischen Werkzeugen, Gartengeräten und elektrischen Haushalts- und Küchengeräten, bis hin zu elektrischen Geräten mit hohem Energiebedarf wie Elektrofahrzeugen (Zweiräder, Rollstühle oder vierrädrige Fahrzeuge). Insbesondere im Bereich der Geräte mit mittlerem Energiebedarf wächst die Anzahl der mit wiederaufladbaren Batterien betriebenen Geräte schnell an.
Bereits aufgrund des unterschiedlichen Energiebedarfs benötigen unterschiedliche elektrische Geräte unterschiedliche Typen von wiederaufladbaren Batterien. Zumeist werden sogar für gleichartige Geräte verschiedener Hersteller unterschiedliche wiederaufladbare Batterien verwendet, welche jeweils an die speziellen Anforderungen des zugeordneten Geräts angepasst sind.
Zum Laden wiederaufladbarer Batterien sind Ladevorrichtungen erforderlich, welche an den Typ der jeweils aufzuladenden Batterie angepasst sein müs sen. Ladevorrichtungen werden zumeist an der Netzspannung (230 V-Wechselspannung, 50 Hz) des allgemeinen Versorgungsnetzes angeschlossen und umfassen einen Transformator, der die Eingangsspannung in die für die jeweilige Batterie erforderliche Ladespannung umwandelt. Eine spezielle Ladeschaltung sorgt dafür, der Batterie den erforderlichen Ladestrom für die erforderliche Zeitdauer zuzuführen. Bekannt sind auch Ladevorrichtungen, welche in dem elektrischen Gerät integriert sind, so dass die im Gerät eingebaute Batterie durch Anschluss des Geräts an die Netzspannung geladen werden kann.
Ein mit der Verwendung wiederaufladbarer Batterien einhergehender Nachteil liegt darin, dass im Wesentlichen jede Batterie mit einer speziell dafür eingerichteten Ladevorrichtung zu laden ist. Für praktisch jedes mit einer wiederaufladbaren Batterie betriebene Gerät ist daher auch die passende Ladevorrichtung anzuschaffen und zum Laden der Batterie bereitzuhalten. Dies erhöht einerseits die Herstellungs- und Anschaffungskosten betriebsbereiter Geräte und zwingt andererseits insbesondere Verbraucher, eine große Vielzahl von unterschiedlichen Ladegeräten aufzubewahren und zu sortieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, den technischen Aufwand für das Laden wiederaufladbarer Batterien zu reduzieren und dem Anwender eine vereinfachte Möglichkeit zu bieten, Batterien unterschiedlicher Geräte mit geringem Kosten- und Organisationsaufwand zu laden.
Nach einem ersten Aspekt wird die oben genannte Erfindungsaufgabe gelöst durch eine Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie, welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen aufgebaut ist, wobei die Ladevorrichtung umfasst:

– einen Spannungsversorgungsabschnitt,
– eine Kontaktanordnung mit einer Mehrzahl von Kontaktelementen, wobei die Kontaktanordnung dafür eingerichtet ist, den Pluspol und den Minuspol einer jeden Zelle der Batterie zu kontaktieren, und
– eine Ladeschaltung, welche den Spannungsversorgungsabschnitt und die Kontaktanordnung miteinander verschaltet, wobei die Ladeschaltung ein Auswahlsteuermittel umfasst, welches dafür eingerichtet ist, eine Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts nacheinander an einzelne der Zellen der Batterie anzulegen.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Kontaktanordnung, welche jede Zelle der wiederaufladbaren Batterie an ihrem Pluspols sowie an ihrem Minuspol kontaktiert, so dass eine zeitlich aufeinander folgende Ladung einzelner Zellen der Batterie ermöglicht wird. Dabei nutzt die Erfindung aus, dass Batterien unterschiedlicher Leistungsdaten (Spannung, Kapazität usw.) durch eine Zusammenschaltung einzelner, insbesondere gleichartiger Zellen aufgebaut sein können. So können einzelne Zellen mit kleinerer Nennspannung in einer Reihenschaltung in der Batterie miteinander verbunden sein, so dass die Batterie insgesamt eine der Summe der Einzelspannungen entsprechende Gesamtspannung abgeben kann. Gleichermaßen kann durch Parallelschaltung von Einzelzellen eine Batterie mit einer Kapazität hergestellt werden, die der Summe der Einzelkapazitäten der parallel geschalteten Zellen entspricht. Durch die erfindungsgemäße Kontaktanordnung ist es nunmehr möglich, einzelne oder mehrere einzelne der Zellen der Batterie in Einzelladevorgängen zu laden. Damit kann einerseits die Ladespannung bzw. die Ladeleistung reduziert werden, wodurch sich Sicherheitsvorteile ergeben. Andererseits ermöglicht das Auswahlsteuermittel der Ladeschaltung eine flexible Anpassung des Ladevorgangs an den konkreten Batterietyp und erlaubt unabhängig von der Anzahl der in der Batterie enthaltenen Zellen ein Laden aller Zellen unter Verwendung der Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts.
Vorzugsweise ist die Ladespannung eine vorbestimmte, für die Ladung einer einzelnen Zelle der Batterie ausgelegte Spannung. Die Ladevorrichtung wird dann nacheinander jede einzelne der Zellen der Batterie mit der Ladespannung laden und lädt somit die gesamte Batterie in der erforderlichen Anzahl von Einzelladevorgängen auf. Die verwendete Ladespannung kann dabei wesentlich kleiner sein als die Nennspannung der Batterie.
Durch das Auswahlsteuermittel der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung und die erfindungsgemäße Kontaktanordnung, durch welche Einzelladevorgänge einzelner Zellen der Batterie ermöglicht werden, bietet die erfindungsgemäße Ladevorrichtung insbesondere die Möglichkeit, Batterien unterschiedlicher Leistungscharakteristiken (unterschiedlicher Nennspannungen) mit der gleichen, niedrigeren Ladespannung zu laden. So können an einer einheitlichen Stromquelle, welche eine vorbestimmte kleinere Ladespannung bereitstellt, verschiedene wiederaufladbare Batterien mit unterschiedlicher Zahl von Zellen und damit unterschiedlichen Leistungscharakteristiken geladen werden, wobei sich die Ladevorgänge für unterschiedliche Batterietypen dann im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass das Auswahlsteuermittel zum Laden der größeren Batterie (mit der größeren Anzahl von Zellen) eine größere Anzahl von Einzelladevorgängen benötigt. Dadurch kann insbesondere der schwere und teure Transformator zur Umwandlung der Netzspannung (für 230 V, 50 Hz) in eine zum Laden der Batterie geeignete Niederspannung als einheitliches Bauelement bereitgestellt werden, so dass nur noch die Kontaktanordnung und das Auswahlsteuermittel batteriespezifisch an die Anzahl und Eigenschaften der wiederaufladbaren Zellen einer speziellen Batterie angepasst werden müssen. Ladeschaltung und Kontaktanordnung können ohne Weiteres im Gerät oder sogar in der Batterie selbst integriert sein, ohne das Gewicht und die Herstellungskosten des Geräts bzw. der Batterie wesentlich zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswahlsteuermittel der Ladeschaltung der Ladevorrichtung dafür eingerichtet, die Ladespannung zu jedem Zeitpunkt höchstens an einer einzigen Zelle der Batterie anzulegen. Damit wird gewährleistet, dass jede Zelle stets mit der für sie optimalen Ladespannung geladen wird und unkontrollierte Ströme zwischen zwei Zellen vermieden werden.
Um nach einer bestimmten Ladezeit in allen Zellen der Batterie im Wesentli chen gleiche Ladungszustände zu schaffen, wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass das Auswahlsteuermittel in Einzelladevorgängen nacheinander die Ladespannung an jede einzelne der Zellen der Batterie für eine bestimmte Einzelladezeitdauer anlegt und über einen Gesamtladevorgang hinweg an jede Zelle der Batterie die Ladespannung insgesamt im Wesentlichen für die gleiche Gesamtladezeit anlegt, wobei die Gesamtladezeitdauer einer Zelle gleich der Summe der Einzelladezeitdauern der Zelle während des Gesamtladevorgangs ist.
Prinzipiell könnte das Auswahlsteuermittel jede Zelle so lange laden, bis diese vollständig geladen ist, und könnte anschließend zum Laden einer nächsten Zelle übergehen. Damit würde die Anzahl an Schaltvorgängen durch das Auswahlsteuermittel minimiert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Ladevorrichtung die Batterie besonders gleichmäßig und zellschonend auflädt, wenn jede Zelle der Batterie nacheinander nach Maßgabe einer Auswahlsequenz für die Zuführung der Ladespannung ausgewählt wird, wobei das Auswahlsteuermittel die Auswahlsequenz zyklisch wiederholt. In einer solche Ladevorrichtung wird demnach jede der Zellen für eine bestimmte kürzere Zeitdauer, zum Beispiel für einige Sekunden, mit der Ladespannung geladen, woraufhin das Auswahlsteuermittel (ggf. nach einer Totzeit) eine nächste Zelle für den nächsten Einzelladevorgang auswählt. Die Auswahlsequenz stellt dabei sicher, dass alle Zellen der Batterie ausreichend oft für einen Einzelladevorgang ausgewählt werden. Vorzugsweise ist die Auswahlsequenz in einem Speichermittel der Ladeschaltung gespeichert, sie kann jedoch auch anderweitig (z. B. durch Festverdrahtung) vorbestimmt sein.
In einer bevorzugten technischen Umsetzung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Ladeschaltung ferner eine Schalteranordnung umfasst, welche zwischen Spannungsversorgungsabschnitt und Kontaktanordnung angeschlossen ist, und dass das vorzugsweise durch einen Mikrocontroller gebildete Auswahlsteuermittel für jede Zelle der Batterie mindestens einen Signalausgang aufweist, der mit der Schalteranordnung verbunden ist, wobei die Schalteranordnung nach Maßgabe eines Schaltsignals, das von einem einer ausgewählten Zelle zugeordneten Signalausgang ausgegeben wird, mindestens einen der ausgewählten Zelle zugeordneten Schalter der Schalteranordnung in einen Verbindungszustand schaltet, um die Ladespannung an die ausgewählte Zelle anzulegen. Eine solche Schalteranordnung erlaubt ein zuverlässiges Umschalten der Ladespannung zwischen den einzelnen Zellen der Batterie und verhindert Leckströme zwischen den Zellen sowie Leckströme zur Masse.
Die zuvor beschriebene technische Umsetzung kann dadurch weitergebildet werden, dass jeder Zelle der Batterie ein Signalausgang des Auswahlsteuermittels und zwei Schalter der Schalteranordnung exklusiv zugeordnet sind, wobei einer der beiden Schalter zwischen dem Minuspol der zugeordneten Zelle und einem Minuspol des Spannungsversorgungsabschnitts oder der Ladevorrichtung angeordnet ist und der andere der beiden Schalter zwischen dem Pluspol der zugeordneten Zelle und einem Pluspol des Spannungsversorgungsabschnitts oder der Ladevorrichtung angeordnet ist, und wobei die beiden Schalter miteinander gekoppelt sind, um im Wesentlichen synchron zu schalten. Auf diese Weise können Pluspol und Minuspol jeweils separat für jede Zelle mit den entsprechenden Polen des Spannungsversorgungsabschnitts verbunden werden, und die zur Zeit nicht ausgewählten Zellen können zuverlässig vom Spannungsversorgungsabschnitt abgetrennt werden. Unter einem Schalter ist dabei nicht notwendigerweise ein einzelnes Schalterelement zu verstehen. Ein Schalter im Sinne der Anmeldung kann insbesondere aus einer Anordnung von Transistoren oder dgl. gebildet sein, zum Beispiel aus einer Reihenschaltung von zwei entgegengesetzt gerichteten Transistoren.
Der Aufbau der Kontaktanordnung kann vereinfacht werden, wenn zumindest ein Teil der Zellen in Reihe miteinander verbunden sind und zwischen benachbarten Zellen jeweils ein Kontaktelement der Kontaktanordnung angeordnet ist, welches die beiden benachbarten Pole verschiedenen Vorzeichens miteinander und mit der Kontaktanordnung oder der Ladeschaltung verbindet. Auf diese Weise können insbesondere n Zellen unter Verwendung von n + 1 Kontaktelementen so in der Kontaktanordnung verschaltet werden, dass der Pluspol und der Minuspol jeder Zelle der Batterie kontaktiert ist. Wird dann die Ladespannung an eine ausgewählte Zelle angelegt, so wird zwar auch ein Pol einer benachbarten Zelle auf das entsprechende Potential geschaltet; da jedoch der entgegengesetzte Pol der benachbarten Zelle durch den entsprechenden Schalter von jeglichen Potentialen getrennt ist, wird der Ladungszustand der benachbarten Zelle dadurch nicht beeinflusst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Auswahlsteuermittel einen Mikrocontroller, welcher mit der Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts als Betriebsspannung betrieben wird. Auf diese Weise kann die Ladespannung zusätzlich zur Versorgung des Mikrocontrollers verwendet werden und der Mikrocontroller benötigt keine eigene Spannungsversorgung.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung eine Begrenzungseinrichtung aufweisen kann, welche einen über die Zellen fließenden Ladestrom oder/und eine an die Zellen angelegte Ladespannung begrenzt. Die Ladestrombegrenzung kann dazu dienen, die Zellen während des Ladens vor einer Überlastung zu schützen und die Wärmeentwicklung der Ladevorrichtung sowie der Zellen zu begrenzen. Durch eine Ladungsspannungsbegrenzung kann eine Beschädigung der Zellen und der Ladevorrichtung im Falle eines Fehlbetriebs erreicht werden.
Der Ladevorgang in einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung kann weiter durch eine Zellladungszustand-Erfassungseinrichtung optimiert werden, welche dafür eingerichtet ist, einen Ladungszustand einer ausgewählten Zelle zu erfassen, wobei das Auswahlsteuermittel dafür eingerichtet ist, nach Maßgabe des erfassten Ladezustands die Ladespannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an einer ausgewählten Zelle anzulegen, die Ladespannung vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer von der Zelle abzutrennen oder das Anlegen der Ladespannung an die Zelle zu unterbinden. Nach dem Erreichen eines Vollladungszustands einer einzelnen Zelle kann der Einzelladevorgang dann abgebrochen werden und das Auswahlsteuermittel kann schneller zum nächsten Einzelladevorgang einer nächsten Zelle übergehen bzw. eine bereits vollständig geladene Zelle kann vom Auswahlsteuermittel direkt übersprungen werden. Auf diese Weise kann die zum Laden der Batterie notwendige Gesamtzeit verkürzt werden.
In den Ausführungsformen der Erfindung kann ein unerwünschter Stromfluss zwischen den Zellen und den einzelnen Einzelladevorgängen sicher vermieden werden, wenn die Ladevorrichtung dafür eingerichtet ist, für eine vorbestimmte Totzeitdauer (z. B. eine Zeitdauer von ungefähr 100 ms) zwischen den Einzelladevorgängen der einzelnen Zellen die Ladespannung von allen Zellen zu trennen.
Vorzugsweise weist der Spannungsversorgungsabschnitt ein Anschlusselement zum Anschluss an eine externe Spannungsquelle auf, wobei die externe Spannungsquelle eine Niedervoltspannungsquelle ist. Wird die Ladevorrichtung auf diese Weise an eine Niedervoltspannungsquelle angeschlossen, so benötigt die Ladevorrichtung keinen Transformator zur Umwandlung einer hohen Versorgungsspannung (z. B. Netzspannung) in die niedrigere Ladespannung. Ferner ist der Anschluss der Ladevorrichtung an eine Niedervoltspannungsquelle für den Anwender ungefährlicher.
Als Niedervoltspannungsquelle kommt insbesondere eine Niedervoltspannungsquelle nach dem USB-Standard (Universal Serial Bus-Standard) in Betracht, wie er aus dem Bereich der Computertechnik bekannt ist und auch für andere elektronische Geräte zunehmend Durchsetzung findet. Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann dann in einfacher Weise an jeder Standard-USB-Steckverbindung, welche eine Spannung nach dem USB-Standard bereitstellt, angeschlossen und betrieben werden. Ein Anwender kann dann insbesondere eine Vielzahl elektrischer Geräte mit unterschiedlichen wiederaufladbaren Batterietypen an ein und demselben Standard-USB-Anschluss anschließen, um die Batterie aufzuladen. Alternativ könnte eine So laranordnung mit Solarzellen bzw. Solarpaneelen als Niedervoltspannungsquelle verwendet werden, um ein drahtloses Aufladen zu ermöglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ladevorrichtung ferner eine Datenkommunikationsverbindung zwischen der externen Spannungsquelle und der Ladevorrichtung, welche zur Übertragung einer Information von dem Auswahlsteuermittel zur externen Spannungsquelle eingerichtet ist. Wie später noch näher diskutiert wird, erlaubt eine solche Datenkommunikationsverbindung den Austausch von Betriebsinformationen oder Systeminformationen zwischen der Ladevorrichtung und einem externen Host, z. B. für die Anforderung eines Ladestroms von bis zu 500 mA anstatt der standardmäßigen 100 mA im Falle des Anschlusses an einen Computer-USB-Port.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ladevorrichtung ein Zellerfassungsmittel umfassen, welches erfasst, ob eine ausgewählte Zelle in der Batterie eingesetzt und von der Kontaktanordnung kontaktiert ist oder nicht, wobei das Zellerfassungsmittel ein dem Erfassungsergebnis entsprechendes Signal an das Auswahlsteuermittel übergibt. Ein derartiges Zellerfassungsmittel erlaubt die Verwendung einer Kontaktanordnung für verschiedene Leistungsanforderungen unterschiedlicher Gerätetypen, indem die Kontaktanordnung wahlweise in unterschiedlichen Zellbesetzungen verwendet wird, wobei die Ladevorrichtung durch das Zellerfassungsmittel erkennen kann, welche der Zellen tatsächlich in der Kontaktanordnung eingesetzt ist und den Ladevorgang dementsprechend an die tatsächlich vorhandenen Zellen anpassen kann.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann auch im normalen Betriebszustand, d. h. während eine Last an der Batterie angeschlossen ist, energiesparend verwendet werden, wenn die Ladevorrichtung ferner eine Energiemanagementschaltung aufweist, welche einen Energiemanagementschalter aufweist, mit welchem die Batterie und die Ladevorrichtung umschaltbar ist zumindest zwischen einem Lastzustand, in welchem eine externe Last mit der Batterie verbunden ist und die Ladevorrichtung zumindest teilweise in einen Schlafmodus versetzt ist, und einem Ladezustand, in welchem eine Last von der Batterie getrennt ist und die Ladevorrichtung zumindest teilweise durch die externe Spannungsquelle oder/und die Batterie mit Betriebsspannung versorgt wird. Somit wird vermieden, dass im Lastzustand, wenn die Ladevorrichtung nicht benötigt wird, unnötiger Batteriestrom über die Ladevorrichtung fließt.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die vorstehend genannte Erfindungsaufgabe gelöst durch eine wiederaufladbare Batterie, welche einen Batteriepluspol und einen Batterieminuspol aufweist und welcher aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen aufgebaut ist, wobei erfindungsgemäß die Batterie eine Ladevorrichtung der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Art umfasst. Die für die Batterie passende Ladevorrichtung ist somit an der Batterie selbst vorgesehen, so dass eine besondere Zuordnung einer bestimmten Ladevorrichtung zu einer bestimmten Batterie entfallen kann und die Ladevorrichtung nicht separat aufbewahrt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführung weist die erfindungsgemäße Batterie ein Gehäuse auf, in welchem die Zellen und die Ladevorrichtung untergebracht sind, wobei der Spannungsversorgungsabschnitt der Ladevorrichtung mit einem am Gehäuse angeordneten Anschlusselement, insbesondere einem Anschlusselement nach dem USB-Standard, zum Anschluss an eine externe Spannungsquelle verbunden ist. Die Batterie kann dann in einfacher Weise durch Anschluss an die externe Spannungsquelle geladen werden, ohne dass sich der Anwender mit der Art des zu verwendenden Ladegeräts oder dgl. auseinandersetzen muss. Insbesondere können verschiedene erfindungsgemäße Batterien unterschiedlicher Leistungscharakteristiken an ein und dieselbe normierte Niedervoltspannungsquelle (z. B. USB-Spannungsquelle) angeschlossen werden, so dass der technische Aufwand zur Umwandlung einer Netzspannung in die zum Laden benötigte Niedervoltspannung nicht für jede Batterie bzw. jedes Gerät notwendig ist. Der Anwender kann Geräte, die mit einer erfindungsgemäßen Batterie ausgestattet sind, durch einfachen Anschluss an ein und denselben Typ einer Niedervoltspannungsquelle, z. B. an eine Standard-USB-Spannungsquelle, laden. Ein gesondertes Ladegerät mit gesondertem Transformator und passenden Anschlusselementen für jeden Batterietyp sind dann nicht mehr notwendig.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird die genannte Erfindungsaufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen aufgebaut ist, wobei das Verfahren eine zeitliche Abfolge von Einzelladevorgängen umfasst, in welchen jeweils eine oder mehrere einzelner Zellen der Batterie ausgewählt werden und eine vorbestimmte Ladespannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an die mindestens eine ausgewählte Zelle angelegt wird, und wobei in mindestens zwei Einzelladevorgängen unterschiedliche Zellen ausgewählt und geladen werden. Vergleichbar mit den oben detaillierter ausgeführten Vorteilen der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung erlaubt das Verfahren des dritten Aspekts der Erfindung das Laden einer wiederaufladbaren Batterie mit einer Ladespannung bzw. Ladeleistung, die geringer ist als die der wiederaufladbaren Batterie und ermöglicht insbesondere das Aufladen verschiedener Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen wiederaufladbarer Zellen unter Verwendung von ein und derselben vorbestimmten Ladespannung.
Vorzugsweise ist dabei die Ladespannung eine vorbestimmte, für die Ladung einer einzelnen Zelle der Batterie ausgelegte Spannung und wird zu jedem Zeitpunkt höchstens an einer einzigen Zelle der Batterie angelegt, so dass durch eine Folge von Einzelladungsvorgängen jeder einzelnen Zelle der Batterie schließlich die gesamte Batterie optimal aufgeladen werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 20 bis 25 dargestellt, wobei die in diesen Ansprüchen angegebenen Verfahrensmerkmale die gleichen oder entsprechenden Effekte und Vorteile erzielen wie die korrespondierenden Vorrichtungsmerkmale der vorstehend beschriebenen Ladevorrichtung. Insbesondere wird vorzugsweise für das Verfahren des dritten Aspekts eine Ladevorrichtung des ersten Aspekts bzw. eine Batterie des zweiten Aspekts verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schaltplan einer Ladevorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 ein Zeitdiagramm für die Illustration der Schaltzeiten von Schaltern der in 1 gezeigten Ladevorrichtung und
3 einen Schaltplan einer wiederaufladbaren Batterie nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine Ladevorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels als Schaltplan illustriert. Die Ladevorrichtung 10 ist an eine USB-Spannungsquelle 12 angeschlossen. Die USB-Spannungsquelle 12 liefert an einem VCC-Pin ein Gleichspannungssignal von +5 V und stellt an einem GND-Pin eine elektrische Masse bereit.
Die Ladevorrichtung 10 verfügt über einen USB-Anschlussstecker 14, der an den Stecker der USB-Spannungsquelle 12 passt. Damit ist eine Hauptspannungsleitung 16 der Ladevorrichtung 10 mit dem 5-V-Signal der USB-Spannungsquelle 12 verbindbar, und eine Hauptmasseleitung 18 der Ladevorrichtung 10 ist mit dem Masseanschluss der USB-Spannungsquelle 12 verbindbar. Die Hauptspannungsleitung 16 und die Hauptmasseleitung 18 sind mit den Spannungsversorgungseingängen eines Mikrocontrollers 20 verbunden, so dass der Mikrocontroller 20 durch die 5-V-Gleichspannung der USB-Spannungsquelle 12 versorgt werden kann. USB-Anschlussstecker 14, Hauptspannungsleitung 16 und Hauptmasseleitung 18 bilden einen Span nungsversorgungsabschnitt der Ladevorrichtung 10.
Die Hauptspannungsleitung 16 ist ferner mit einer Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 verbunden, welche die Eingangsspannung von 5 V der USB-Spannungsquelle 12 in eine Ladungsspannung umwandelt und diese an einem Pluspol P sowie an einem Minuspol M bereitstellt.
Die Ladevorrichtung 10 ist Teil einer wiederaufladbaren Batterie 22, welche im geladenen Zustand über einen Batteriepluspol 24 und einen Batterieminuspol 26 eine Batterienennspannung abgeben kann. Ist die wiederaufladbare Batterie 22 in ein passendes elektrisches Gerät, beispielsweise ein elektrisches Haushaltsgerät, ein Gartengerät oder ein Werkzeug eingesetzt, so kann das Gerät durch die Nennspannung der Batterie 22 betrieben werden.
Die Batterie 22 ist aus einer Mehrzahl von einzelnen wiederaufladbaren Zellen, im Ausführungsbeispiel aus drei Zellen 28, 30, 32, aufgebaut, welche in Reihe miteinander verbunden sind. Die drei Zellen 28, 30, 32 sind vom identischen Bautyp, so dass die Nennspannung der Batterie 22 dem Dreifachen der einzelnen Spannung jeder der Zellen 28, 30, 32 entspricht.
Die Batterie 22 ist mit dem Mikrocontroller 20 über eine Kontaktanordnung 34 und eine Schalteranordnung 36 verbunden. Die Kontaktanordnung 34 ist in 1 nur funktionell als Schaltplan dargestellt und umfasst eine Mehrzahl von Kontaktelementen, um die Pluspole 28P, 30P, 32P sowie die Minuspole 28M, 30M, 32M an jeder der Zellen 28, 30, 32 zu kontaktieren und über jeweils zugeordnete Schalter T1, ..., T6 mit dem Pluspol P der Ladungsspannung bzw. mit dem Minuspol M der Ladungsspannung zu verbinden. Speziell ist der Pluspol 28P der Zelle 28 über den Schalter T1 mit dem Pluspol P der Ladungsspannung verbunden, der Minuspol 28M der Zelle 28 ist über den Schalter T2 mit dem Minuspol M der Ladungsspannung verbunden, der Pluspol 30P der Zelle 30 ist über den Schalter T3 mit dem Pluspol P der Ladungsspannung verbunden, der Minuspol 30M der Zelle 30 ist über den Schalter T4 mit dem Minuspol M der Ladungsspannung verbunden, der Pluspol 32P der Zelle 32 ist über den Schalter T5 mit dem Pluspol P der Ladungsspannung verbunden und der Minuspol 32M der Zelle 32 ist über den Schalter T6 mit dem Minuspol M der Ladungsspannung verbunden. Durch Öffnen und Schließen der Schalter T1, ..., T6 lässt sich jeweils die Verbindung zwischen dem Pluspol 28P, 30P, 32P der jeweiligen Zelle 28, 30, 32 und dem Pluspol P der Ladungsspannung bzw. die Verbindung zwischen dem Minuspol 28M, 30M, 32M der jeweiligen Zelle 28, 30, 32 und dem Minuspol M der Ladungsspannung unterbrechen oder herstellen.
Die Größe der Ladungsspannung ist an die Nennspannung der Zellen 28, 30, 32 angepasst, so dass die Ladungsspannung zwischen den Polen P, M der passenden Ladungsspannung zum Laden einer einzelnen der Zellen 28, 30, 32 entspricht. Die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 kann als Konstantstromeinrichtung (CC), als Konstantspannungseinrichtung (CV) oder als Konstantstrom-Konstantspannung-Einrichtung (CCCV) ausgebildet sein, um die Spannung und/oder den Strom, der zum Laden der einzelnen Zellen 28, 30, 32 verwendet wird, zu begrenzen.
Die Schalter T1, ..., T6 sind jeweils aus einer Reihenschaltung zwei entgegengesetzt gerichteter Transistoren aufgebaut. Am Beispiel des Schalters T1 bedeutet dies, dass der Source-Kontakt eines ersten Transistors T1a mit dem Pluspol P der Ladungsspannung verbunden ist, der Drain-Kontakt des ersten Transistors T1a mit dem Drain-Kontakt eines zweiten Transistos T1b verbunden ist, der Source-Kontakt des zweiten Transistors T1b mit dem Pluspol 28P der ersten Zelle 28 verbunden ist und die beiden Gate-Kontakte der beiden Transistoren T1a, T1b miteinander verbunden sind, so dass beide Transistoren T1a, T1b gleichzeitig schalten.
Die Gates der Transistoren der Schalter T1, ..., T6 werden durch den Mikrocontroller 20 angesteuert. Dazu sind die Gates der Schalter T1 und T2 durch eine gemeinsame Steuerleitung S1 mit einem Ausgang A1 des Mikrocontrollers 20 verbunden, welcher somit der Zelle 28 zugeordnet ist. Ferner sind über eine gemeinsame Steuerleitung S2 die Gates der Schalter T3 und T4 mit einem Ausgang A2 des Mikrocontrollers 20 verbunden, der somit der Zelle 30 zugeordnet ist. Über eine gemeinsame Steuerleitung S3 sind schließlich die Gates der Schalter T5 und T6 mit einem Ausgang A3 des Mikrocontrollers 20 verbunden, so dass der Ausgang A3 der Zelle 32 zugeordnet ist.
Die Ladevorrichtung 10 weist ferner eine Temperaturüberwachungsschaltung 38 auf, welche eine Temperatur im Inneren der Ladevorrichtung 10 erfasst und ein der erfassten Temperatur entsprechendes Signal an einen Eingang 40 des Mikrocontrollers 20 übergibt. Eine Anzeigeeinrichtung 42, zum Beispiel in Form einer Leuchtdiode, zeigt das Anliegen einer ordnungsgemäßen Ladungsspannung am Ausgang der Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 an und meldet diese Information zudem über einen Eingang 44 an den Mikrocontroller 20.
Die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 ist gleichzeitig in der Lage, einen auf die jeweilige Zelle 28, 30, 32 fließenden Ladestrom zu erfassen und auf Grundlage der Größe des Ladestroms eine Information über den Ladungszustand der ausgewählten Zelle zu erhalten. Insbesondere erkennt die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 einen Zustand der vollständigen Ladung der momentan ausgewählten Zelle 28, 30, 32 und übergibt ein entsprechendes Ladeabbruchsignal an einen Eingang 46 des Mikrocontrollers 20.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ferner eine Sekundärschutzeinrichtung 48 vorgesehen, welche einen Stromfluss über einzelne der Zellen 28, 30, 32 erfassen kann und im Falle eines aufgrund einer Störung auftretenden, überhöhten Stromflusses einen Schalter T7 öffnet, der zwischen der Hauptmasseleitung 18 und dem Minuspol M der Ladungsspannung angeordnet ist. Wenn der Schalter T7 in einem Störungszustand aufgrund der Wirkung der Sekundärschutzeinrichtung 48 geöffnet ist, so können unabhängig von der Schaltstellung der Schalter T1, ..., T6 keine Ladungen der Ladungsspannung oder einer der Zellen 28, 30, 32 zur Hauptmasseleitung 18 hin abfließen, d. h. der Stromkreis ist unterbrochen, und eine Überlastung eines der Bauelemente oder ein Kurzschluss kann verhindert werden.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nachfolgend eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie unter Verwendung der in 1 gezeigten Batterie 22 und Ladevorrichtung 10 erläutert.
Die entleerte Batterie 22 wird mit dem USB-Anschlussstecker 14 ihrer Ladevorrichtung 10 an den Steckkontakt der USB-Spannungsquelle 12 angeschlossen. Der dadurch in Betrieb gesetzte Mikrocontroller 20 startet daraufhin ein darin gespeichertes Ablaufprogramm zum Aufladen der Batterie 22.
Zu Beginn des Ladevorgangs geben die drei Ausgänge A1, A2, A3 des Mikrocontrollers 20 jeweils ein OFF-Signal aus, so dass alle Schalter T1, ..., T6 in den Unterbrechungszustand (OFF) geschaltet sind (Zeitpunkt t0 in 2). Der Mikrocontroller 20 beginnt den Ladevorgang mit der Auswahl der Zelle 28 und sendet ein ON-Signal über den Ausgang A1 an die Schalter T1 und T2, welche daraufhin in den Ladungszustand schalten (t1). Damit ist der Pluspol 28P der Zelle 28 mit dem Pluspol P der Ladungsspannung verbunden, und der Minuspol 28M der Zelle 28 ist mit dem Minuspol M der Ladungsspannung verbunden, so dass die Zelle 28 mit der Ladungsspannung geladen wird. Gleichzeitig sind die Schalter T3, T4, T5 und T6 der anderen beiden Zellen 30, 32 im OFF-Zustand, so dass die Zellen 30, 32 von der Ladungsspannung getrennt sind. Es findet somit ein Einzelladevorgang statt, in welchem nur die Zelle 28 geladen wird.
Die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 überwacht den auf die Zelle 28 fließenden Ladestrom und leitet daraus einen Ladungszustand der Zelle 28 ab. Solange der Ladestrom oberhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt, deutet dies darauf hin, dass die Zelle 28 noch nicht vollständig geladen ist, so dass die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 ein OFF-Signal an den Ladeabbruchsignaleingang 46 des Mikrocontrollers 20 anlegt.
Der Mikrocontroller 20 umfasst einen Zeitgeber, welcher eine Einzelladezeitdauer τ misst. Zu einem Zeitpunkt t2, welcher um die Einzelladezeitdauer τ nach dem Zeitpunkt t1 liegt, schaltet der Mikrocontroller 20 am Ausgang A1 ein OFF-Signal, so dass die Schalter T1, T2 in den Unterbrechungszustand geschaltet werden. Es sind dann wieder alle Schalter T1, ..., T6 unterbrochen und alle Zellen 28, 30, 32 sind von der Ladungsspannung getrennt. Nach einer Totzeitdauer t_D, welche vom Zeitgeber des Mikrocontrollers 20 gemessen wird, geht der Mikrocontroller zum nächsten Einzelladevorgang über, indem er die Zelle 30 auswählt und ein ON-Signal an den Ausgang A2 anlegt (t3). Daraufhin schalten die Schalter T3 und T4 in den Verbindungszustand und legen die Ladungsspannung an die Zelle 30 an. Nach der Zeitdauer τ schaltet der Mikrocontroller über ein OFF-Signal am Ausgang A2 die Schalter T3 und T4 wieder in den Unterbrechungszustand, so dass der Einzelladevorgang für die Zelle 30 abgeschlossen ist. Nach einer erneuten Totzeitdauer t_D wählt der Mikrocontroller 20 die Zelle 32 aus und sendet ein ON-Signal über den Ausgang A3 an die Schalter T5 und T6, so dass die Zelle 32 für die Einzelladezeitdauer τ mit der Ladungsspannung verbunden wird (Zeitpunkt t4).
Nach der Einzelladezeitdauer τ, dem Unterbrechen der Schalter T5 und T6 und dem erneuten Verstreichen einer Totzeitdauer t_D (t5) startet das Ablaufprogramm erneut mit einem Einzelladevorgang der Zelle 28 und wiederholt die oben beschriebenen Ablaufschritte entsprechend den Zeitpunkten t1 bis t5.
Im Ausführungsbeispiel beträgt die Ladezeit τ für jede der Zellen ungefähr 5 bis 10 Sekunden und die dazwischen liegende Totzeitdauer t_D beträgt ungefähr 100 ms.
Nähert sich die Batterie 22 dem Vollladungszustand, so nehmen die bereits vollständig geladenen Zellen kaum noch Ladungen auf, während die noch nicht vollständig geladenen Zellen in ihren Einzelladevorgängen noch weiter geladen werden. Auf diese Weise erfolgt ein automatischer Ausgleich der Ladungen aller Zellen, so dass alle Zellen der Batterie gleichmäßig und vollständig geladen werden.
Außerdem kann die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 einen Vollladungszustand einer gerade ausgewählten Zelle erfassen und die Einzelladezeitdauer der als vollständig geladen erkannten Zelle verkürzen oder den Einzelladevorgang dieser Zelle gar ganz überspringen, so dass nur noch die noch nicht vollständig geladenen Zellen nacheinander mit der Ladungsspannung verbunden werden. Damit kann die Gesamtladezeitdauer weiter verkürzt werden.
Im Falle einer Störung der Schalteranordnung 36, der Kontaktanordnung 34, der Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 21 oder des Mikrocontrollers 20 oder eines anderen Elements der Ladevorrichtung könnte an einer der Zellen eine Spannung im unerlaubten Bereich anliegen. Eine solche unerlaubte Spannung erkennt die Sekundärschutzeinrichtung 48 und schaltet daraufhin den Schalter T7 in den Unterbrechungszustand, so dass die gesamte Batterie und die Schalteranordnung 36 von der Hauptmasseleitung 18 getrennt werden und die unerlaubte Spannung zu keinem gefährlichen Stromfluss führen kann. Derartige Fälle sind jedoch aufgrund der erfindungsgemäß geringen Ladespannung durch die Verwendung von Einzelladevorgängen äußerst selten, so dass eine Sekundärschutzeinrichtung 48 nur in speziellen Anwendungen erforderlich ist, in denen erhöhte Sicherheit und zusätzliche Redundanz erwünscht ist. Es gehört zu den Vorteilen der Erfindung, auf die an sich bekannte und im Stand der Technik üblicherweise erforderliche Sekundärschutzeinrichtung 48 verzichten zu können und für die meisten Anwendungen somit weiteren elektronischen Aufwand einzusparen.
Außerdem überwacht die Temperaturerfassungseinrichtung 38 die Temperatur im Inneren der Ladevorrichtung 10 bzw. der Batterie 22 und übergibt ein dem Erfassungszustand entsprechendes Signal an den Mikrocontroller 20, so dass der Mikrocontroller 20 im Falle einer Überhitzung den Ladevorgang abbrechen kann oder, z. B. durch Verlängerung der Totzeitdauer, die Ladeleistung verringern kann.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind Elemente, die in gleicher oder entsprechender Weise bereits im ersten Ausführungsbeispiel bereitgestellt sind, mit um 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet und werden im Folgenden nicht erneut detailliert beschrieben. Es wird bezüglich dieser Elemente ausdrücklich auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel u. a. darin, dass alle Schalter T1, ..., T6 unabhängig voneinander vom Mikrocontroller 120 ansteuerbar sind, indem ihre Gate-Anschlüsse durch jeweils einzeln zugewiesene Steuerleitungen S1, ..., S6 mit jeweils zugeordneten Ausgängen A1, ..., A6 des Mikrocontrollers 20a verbunden sind. Das heißt, der Pluspol 128P der ersten Zelle 128 ist über den Schalter T1 und die Steuerleitung S1 mit dem Eingang A1 des Mikrocontrollers 120 verbunden, der Minuspol 128M der ersten Zelle 128 ist über den Schalter T2 und die Steuerleitung S2 mit dem Eingang A2 des Mikrocontrollers 120 verbunden, usw.
Das Laden der einzelnen Zellen 128, 130, 132 erfolgt in analoger Weise, wie vorstehend für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass beide einer Zelle zugeordnete Schalter durch ihre separaten Steuerleitungen direkt angesprochen werden müssen. Wird beispielsweise die Zelle 130 geladen, so schaltet der Mikrocontroller 120 seine Ausgänge wie folgt: A1 = OFF, A2 = OFF, A3 = ON, A4 = ON, A5 = OFF, A6 = OFF, so dass die Ladungsspannung nur an der Zelle 130 anliegt.
Die Ladevorrichtung 110 des zweiten Ausführungsbeispiels weist ferner eine Zellspannungsmessschaltung 150 auf, welche dazu eingerichtet ist, die Zellspannung jeder der Zellen 128, 130, 132 zu erfassen. In der Zellspannungsmessschaltung 150 ist jeder Pluspol 128P, 130P, 132P jeder Zelle 128, 130, 132 über eine separate Zellspannungsmessbaugruppe 128B, 130B, 132B mit einem Zellspannungsmesseingang B des Mikrocontrollers 120 verbunden. Jede Zellspannungsmessbaugruppe 128B, 130B, 132B ist jeweils aus einer Reihenschaltung einer Diode 152 und einem Widerstand 154 aufgebaut, wobei die Diode 152 den Stromfluss vom Pluspol der zugeordneten Zelle zum Zellspannungsmesseingang B des Mikrocontrollers 120 zulässt und den Stromfluss in Gegenrichtung sperrt.
Durch die Zellspannungsmessschaltung 150 wird eine einfache Möglichkeit bereitgestellt, die Spannungen der einzelnen Zellen 128, 130, 132 zu überprüfen. Insbesondere kann das System erfassen, welche der drei Zellen 128, 130, 132 tatsächlich vorhanden ist/sind bzw. ob eine der Zellen fehlt. Dies kann in Batteriepaketen vorteilhaft eingesetzt werden, welche Anschlussplätze bzw. Kontaktmittel zur Aufnahme einer Anzahl von einzelnen Zellen aufweisen, jedoch je nach Anforderung des Geräts nicht notwendigerweise mit allen Zellen zu betreiben sind. Als Beispiel sei ein elektrisches Gerät mit mittlerem Energiebedarf genannt, welches in drei verschiedenen Leistungsvarianten angeboten werden soll, wobei aus Kostengründen für alle drei Leistungsvarianten ein und dieselbe Ladevorrichtung sowie ein und dieselbe Batteriehalterung verwendet werden soll. Erfindungsgemäß ist die Ladevorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel dann aufgrund der Zellspannungsmessschaltung 150 dazu in der Lage, durch Messung der einzelnen Zellspannungen selbständig und automatisch zu ermitteln, wie viele Zellen tatsächlich in der Batteriehalterung eingesetzt sind, so dass insbesondere beim Laden der Zellen das Auswahlsteuermittel die tatsächlich vorhandenen Zellen korrekt auswählen kann.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Zellspannungen der einzelnen Zellen 128, 130, 132 kann der Mikrocontroller 120 wie folgt vorgehen. Zur Messung der Zellspannung der Zelle 128 (bzw. zur Überprü fung, ob die Zelle 128 überhaupt vorhanden ist) schaltet der Mikrocontroller 120 nur den Schalter T2 ein (Verbindungszustand), während alle übrigen Schalter T1, T3, T4, T5 und T6 ausgeschaltet sind (nicht leitender Zustand). Damit liegt der Minuspol 128M der ersten Zelle 128 über dem Schalter T2 auf Masse, während der Pluspol 128P über die Zellspannungsmessbaugruppe 128B ein der Spannung der Zelle 128 entsprechendes Signal an den Zellspannungsmesseingang B des Mikrocontrollers 128 übergibt. Der Mikrocontroller 120 kann dann die Spannung der Zelle 128 messen und insbesondere feststellen, ob die Zelle 128 überhaupt eingesetzt ist.
Anschließend kann der Mikrocontroller den Schalter T2 ausschalten und stattdessen den Schalter T4 einschalten (alle übrigen Schalter T1, T2, T3, T5 und T6 sind ausgeschaltet), so dass der Mikrocontroller 120 am Zellspannungsmesseingang B ein der Summe der Zellspannungen der Zellen 128 und 130 entsprechendes Signal misst. (Aufgrund der Diode kann in dieser Schalterstellung kein Strom über die Zellspannungsmessbaugruppe 130B abfließen.) Da die Spannung der Zelle 128 zuvor gemessen wurde, kann die Spannung der Zelle 130 durch einfache Subtraktion ermittelt werden.
In analoger Weise schaltet der Mikrocontroller 120 zur Bestimmung der Spannung der Zelle 132 den Schalter T6 ein und schaltet alle anderen Schalter T1, T2, T3, T4 und T5 aus, so dass der Mikrocontroller 120 am Zellspannungsmesseingang B ein der Summe aller drei Zellen 128, 130, 132 entsprechendes Signal empfängt und daraus durch Subtraktion der Zelleinzelspannungen der Zellen 128 und 130 die Einzelspannung der Zelle 132 bestimmen kann.
Die Batterie 122 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst ferner eine Energiemanagementschaltung 156, welche in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Batterie 122 die Energieversorgung der Ladevorrichtung 110 steuert. Als Betriebszustände der Batterie 122 werden dabei unterschieden: ein Lastzustand, in welchem eine Last 164 an den Batteriepolen der Batterie 122 angeschlossen ist und durch Energie der Batterie 122 betrieben wird, einen Lade zustand, in welchem die Batterie 122 geladen wird, sowie einen Ruhezustand, in welchem weder ein Laden der Batterie 122 stattfindet, noch eine Last 164 an der Batterie 122 betrieben wird.
Die Energiemanagementschaltung 156 sorgt dafür, dass während des Lastzustands kein Laden der Zellen der Batterie 122 stattfinden kann und die Ladevorrichtung 110 insgesamt Strom sparend abgeschaltet wird (Schlafmodus), dass umgekehrt im Ladezustand keine Energie von der Batterie 122 an eine Last 164 abgegeben werden kann und dass im Ruhezustand ein Entladen der Batterie vermieden werden kann.
Die Energiemanagementschaltung 156 umfasst einen Energiemanagementschalter 158, welcher in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Batterie 122 schaltet. Dies kann entweder durch ein Signal von der Last 164 an den Energiemanagementschalter 158, durch ein anderes, nicht in 3 dargestelltes Betriebszustandserfassungselement oder auch durch einen manuell zu betätigenden Schalter erfolgen.
Der Energiemanagementschalter 158 ist als Doppelschalter ausgeführt: in einem Verbindungszustand, welcher dem Lastzustand entspricht, verbindet der Energiemanagementschalter 158 einerseits einen Batteriepol der Batterie 122 mit der Last 164, um die Last 164 mit Energie der Batterie 122 zu betreiben, und verbindet andererseits eine Schlafsignalleitung 166 der Energiemanagementschaltung 156 mit Masse. Die Schlafsignalleitung 166 ist mit einem Schlafsignaleingang 120S des Mikrocontrollers 120, mit einem Schlafsignaleingang 121S der Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 121 sowie mit einem Schlafsignaleingang 168S eines Energiemanagers 168 verbunden, so dass im Verbindungszustand des Energiemanagementschalters 158 alle drei dieser Eingänge 120S, 121S, 168S auf Masse liegen und die entsprechenden Komponenten abgeschaltet sind (Schlafmodus). Dementsprechend sind im Lastzustand der Mikrocontroller 120 sowie die Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 121 abgeschaltet, so dass kein Ladevorgang möglich ist. Ist dagegen die Last 164 durch den Energiemanagement schalter 158 von der Batterie 122 getrennt, so wird der Schlafmodus aufgehoben und ein Ladevorgang kann gewünschtenfalls gestartet werden.
Der Ausgang der Diode 152 der Zellspannungsmessbaugruppe 128B (der auch mit dem Zellspannungsmesseingang B des Mikrocontrollers 120 verbunden ist) führt auch zu einem Versorgungseingang 168P des Energiemanagers 168. Da der Eingang der Zellspannungsmessbaugruppe 128B mit dem Pluspol 128P der Zelle 128 und damit auch mit dem Batteriepluspol der Batterie 122 verbunden ist, liegt auch am Versorgungseingang 168P des Energiemanagers 168 positives Signal an. Im Ladezustand oder im Ruhezustand der Batterie 122 (Energiemanagementschalter 158 geöffnet), in welchen die Schlafsignalleitung 166 potentialfrei gehalten ist (floating), wird dann der Energiemanager 168 durch die Batterie 122 betrieben und gibt an einem Ausgang 168A eine Versorgungsspannung aus, die über eine Versorgungsleitung 170 an einen Versorgungseingang 172 des Mikrocontroller 120 angelegt wird, um den Mikrocontroller 120 mit Energie zu versorgen. Dabei wandelt der Energiemanager 168 die an seinem Versorgungseingang 168P anliegende Spannung in eine zum Betrieb des Mikrocontrollers geeignete Spannung (5 Volt) um.
Im Lastzustand, d. h. wenn das Vorhandensein einer Last 164 erfasst wurde und der Energiemanagementschalter 158 geschlossen ist, ist der Schalter T6 als Standardeinstellung im geschlossenen Zustand zu halten, um den Batterieminuspol mit dem Masseanschluss M der Ladevorrichtung 110 zu verbinden. Wie oben beschrieben, befindet sich die Ladevorrichtung 110 im Lastzustand in einem Schlafmodus, wobei durch den geschlossenen Schalter T6 alle Versorgungseingänge und Versorgungsausgänge des Mikrocontrollers 120, der Strom-/Spannungsbegrenzungseinrichtung 121 sowie des Energiemanagers 168 auf definiertem Massepotential M gehalten werden. Auch im Ruhezustand (Energiemanagementschalter 158 geöffnet) ist der Schalter T6 standardmäßig geschlossen, so dass der Mikrocontroller 120 über den Energiemanager 168 mit Energie versorgt wird.
Anzumerken ist ferner, dass in der Batterie 122 mit Ladevorrichtung 110 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel keine Sekundärschutzeinrichtung vorgesehen ist wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die bereits oben angesprochene Möglichkeit des Verzichts auf eine solche Sekundärschutzeinrichtung wurde im zweiten Ausführungsbeispiel genutzt, um den Aufbau der Schaltung zu vereinfachen, ohne wesentliche Sicherheitsrisiken in Kauf nehmen zu müssen.
In der Ladevorrichtung 110 des zweiten Ausführungsbeispiels sind ferner die Datenpins D– und D+ der USB-Spannungsquelle 12 über Datenleitungen 174–, 174+ mit Dateneingängen C– und C+ des Mikrocontrollers 120 verbunden, um eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen dem Mikrocontroller 120 und einem die USB-Spannungsquelle 12 bereitstellenden Host 176 zu ermöglichen. Der Host 176 ist beispielsweise ein Computer, an dem die USB-Spannungsquelle 12 als an sich bekannter USB-Port bereitgestellt ist.
Die Möglichkeit des Datenaustauschs kann in verschiedener Weise für den optimierten Betrieb der Batterie 122 bzw. der daran angeschlossenen Last 164 genutzt werden: So stellt der Host 176 üblicherweise an jedem USB-Port standardmäßig eine maximale Stromstärke von 100 mA zur Verfügung. Eine höhere Stromstärke von bis zu 500 mA gestattet der Host 176 je nach momentaner Auslastung auf Anfrage. Über die Datenverbindung 174–, 174+ kann der Mikrocontroller 120 für einen Ladevorgang im Bedarfsfalle beim Host eine höhere Stromstärke von bis zu 500 mA beantragen. Im Falle einer Bewilligung kann der Host 176 über die Datenleitungen 174–, 174+ den Mikrocontroller 120 davon informieren, so dass der Mikrocontroller 120 den Ladevorgang auf die höhere Stromstärke anpassen kann.
Eine weitere Möglichkeit der Nutzung der Datenverbindung 174–, 174+ liegt in der Meldung von Betriebsinformationen über die Batterie 122 oder die Ladevorrichtung 110 an den Host 176, so dass etwa der Nutzer auf einem Bildschirm des Computers über den Ladungszustand der Batterie oder einen Fehlerzustand der Batterie informiert werden kann.
Eine dritte Möglichkeit der Nutzung der Datenverbindung 174–, 174+ wird darin gesehen, einem Hersteller oder einem Servicebetrieb für die Batterie 122 die Möglichkeit an die Hand zu geben, spezifische Betriebsdaten und Systeminformationen aus der Batterie 122 auszulesen, indem die Batterie 122 an einen Wartungscomputer mit der entsprechenden Software angeschlossen werden kann. Die Software des Hosts 176 kann dann beispielsweise Informationen über die Anzahl der bereits durchgeführten Ladezyklen, eine Seriennummer der Batterie 122 oder Garantieinformationen oder dgl. auslesen. Damit kann die Datenkommunikation auch zur Identitätssicherstellung bestimmter Batterien genutzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 3 beschränkt, sondern kann im Rahmen der Ansprüche vielfältig ausgestaltet sein. Insbesondere können Merkmale der ersten Ausführungsform ohne weiteres mit Merkmalen der zweiten Ausführungsform kombiniert werden und umgekehrt. So wird daran gedacht, auch die Datenpins der USB-Spannungsquelle 12 des ersten Ausführungsbeispiels für eine Datenkommunikation mit dem Mikrocontroller 20 zu nutzen, oder/und auch eine Lasterkennung mit Energiemanagementschaltung nach dem Vorbild des zweiten Ausführungsbeispiels in der Batterie 22 des ersten Ausführungsbeispiels zu integrieren. Umgekehrt wird daran gedacht, auch die Batterie 122 des zweiten Ausführungsbeispiels für höhere Redundanz mit einer Sekundärschutzeinrichtung 48 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auszustatten.

Claims

Ladevorrichtung (10; 110) für eine wiederaufladbare Batterie (22; 122), welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) aufgebaut ist, wobei die Ladevorrichtung umfasst: – einen Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18), – eine Kontaktanordnung (34; 134) mit einer Mehrzahl von Kontaktelementen, wobei die Kontaktanordnung dafür eingerichtet ist, den Pluspol (28P, 30P, 32P; 128P) und den Minuspol (28M, 30M, 32M; 128M) einer jeden Zelle der Batterie (22; 122) zu kontaktieren, und – eine Ladeschaltung (20, 36; 120, 136), welche den Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18) und die Kontaktanordnung (34; 134) miteinander verschaltet, wobei die Ladeschaltung ein Auswahlsteuermittel (20; 120) umfasst, welches dafür eingerichtet ist, eine Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts (14, 16, 18) nacheinander an einzelne der Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie (22; 122) anzulegen.
Ladevorrichtung (10; 110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung eine vorbestimmte, für die Ladung einer einzelnen Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie ausgelegte Spannung ist.
Ladevorrichtung (10; 110) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswahlsteuermittel (20; 120) dafür eingerichtet ist, die Ladespannung zu jedem Zeitpunkt höchstens an einer einzigen Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie anzulegen.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswahlsteuermittel (20; 120) in Einzelladevorgängen nacheinander die Ladespannung an jede einzelne der Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie für eine bestimm te Einzelladezeitdauer (τ) anlegt und über einen Gesamtladevorgang hinweg an jede Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie die Ladespannung insgesamt im Wesentlichen für die gleiche Gesamtladezeit anlegt, wobei die Gesamtladezeitdauer einer Zelle gleich der Summe der Einzelladezeitdauern der Zelle während des Gesamtladevorgangs ist.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung ein Speichermittel (20; 120) aufweist, in welchem eine Auswahlsequenz gespeichert ist, gemäß welcher jede Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie nacheinander für die Zuführung der Ladespannung ausgewählt wird, wobei das Auswahlsteuermittel (20; 120) die Auswahlsequenz zyklisch wiederholt.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung ferner eine Schalteranordnung (T1, ..., T6) umfasst, welche zwischen Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18) und Kontaktanordnung (34; 134) angeschlossen ist, und dass das vorzugsweise durch einen Mikrocontroller gebildete Auswahlsteuermittel (20; 120) für jede Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie mindestens einen Signalausgang aufweist, der mit der Schalteranordnung (T1, ..., T6) verbunden ist, wobei die Schalteranordnung (T1, ..., T6) nach Maßgabe eines Schaltsignals, das von einem einer ausgewählten Zelle zugeordneten Signalausgang (A1, ..., A6) ausgegeben wird, mindestens einen der ausgewählten Zelle zugeordneten Schalter (T1, ..., T6) der Schalteranordnung in einen Verbindungszustand schaltet, um die Ladespannung an die ausgewählte Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) anzulegen.
Ladevorrichtung (10; 110) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie ein Signalaus gang (A1, ..., A6) des Auswahlsteuermittels (20; 120) und zwei Schalter (T1, ..., T6) der Schalteranordnung exklusiv zugeordnet sind, wobei einer (T2, T4, T6) der beiden Schalter zwischen dem Minuspol der zugeordneten Zelle und einem Minuspol (M) des Spannungsversorgungsabschnitts (14, 16, 18) oder der Ladevorrichtung (10; 110) angeordnet ist und der andere (T1, T3, T5) der beiden Schalter zwischen dem Pluspol der zugeordneten Zelle und einem Pluspol (P) des Spannungsversorgungsabschnitts oder der Ladevorrichtung angeordnet ist, und wobei die beiden Schalter (T1/T2, T3/T4, T5/T6) vorzugsweise miteinander gekoppelt sind, um im Wesentlichen synchron zu schalten.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) in Reihe miteinander verbunden sind, wobei zwischen benachbarten Zellen jeweils ein Kontaktelement der Kontaktanordnung (34; 134) angeordnet ist, welches die beiden benachbarten Pole verschiedenen Vorzeichens miteinander und mit der Kontaktanordnung oder der Ladeschaltung (10; 110) verbindet.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswahlsteuermittel einen Mikrocontroller (20; 120) umfasst, welcher mit der Ladespannung des Spannungsversorgungsabschnitts (14, 16, 18) als Betriebsspannung betrieben wird.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Begrenzungseinrichtung (21; 121), welche einen über die Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) fließenden Ladestrom oder/und eine an die Zellen angelegte Ladespannung begrenzt.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Zellladungszustand-Erfassungsein richtung (20, 21; 120, 121), welche dafür eingerichtet ist, einen Ladungszustand einer ausgewählten Zelle zu erfassen, wobei das Auswahlsteuermittel (20; 120) dafür eingerichtet ist, nach Maßgabe des erfassten Ladezustands die Ladespannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an einer ausgewählten Zelle anzulegen, die Ladespannung vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer von der Zelle abzutrennen oder das Anlegen der Ladespannung an die Zelle zu unterbinden.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dafür eingerichtet ist, für eine vorbestimmte Totzeitdauer (t_D) zwischen den Einzelladevorgängen der einzelnen Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) die Ladespannung von allen Zellen zu trennen.
Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsversorgungsabschnitt (14, 16, 18) ein Anschlusselement (14) zum Anschluss an eine externe Spannungsquelle (12; 112, 176) aufweist, wobei die externe Spannungsquelle (12; 112, 176) eine Niedervoltspannungsquelle ist.
Ladevorrichtung (10; 110) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedervoltspannungsquelle (12) nach dem USB-Standard ausgeführt ist und dass das Anschlusselement (14) ein USB-Steckverbinder ist.
Ladevorrichtung (110) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch eine Datenkommunikationsverbindung (174+, 174–) zwischen der externen Spannungsquelle (112, 176) und der Ladevorrichtung (110), welche zur Übertragung einer Information von dem Auswahlsteuermittel (120) zur externen Spannungsquelle (112, 176) eingerichtet ist.
Ladevorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch ein Zellerfassungsmittel (128B, 130B, 132B, B, 120), welches erfasst, ob eine ausgewählte Zelle (128, 130, 132) in der Batterie (122) eingesetzt und von der Kontaktanordnung (134) kontaktiert ist oder nicht, wobei das Zellerfassungsmittel (128B, 130B, 132B, B, 120) ein dem Erfassungsergebnis entsprechendes Signal an das Auswahlsteuermittel (120) übergibt.
Ladevorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine Energiemanagementschaltung (156), welche einen Energiemanagementschalter (158) aufweist, mit welchem die Batterie (122) und die Ladevorrichtung (110) umschaltbar sind zumindest zwischen einem Lastzustand, in welchem eine externe Last (164) mit der Batterie (122) verbunden ist und die Ladevorrichtung (110) zumindest teilweise in einen Schlafmodus versetzt ist, und einem Ladezustand, in welchem eine Last (164) von der Batterie (122) getrennt ist und die Ladevorrichtung (110) zumindest teilweise durch die externe Spannungsquelle (112) oder/und die Batterie (122) mit Betriebsspannung versorgt wird.
Wiederaufladbare Batterie (22; 122), welche einen Batteriepluspol (24) und einen Batterieminuspol (26) aufweist und welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (22; 122) eine Ladevorrichtung (10; 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Batterie (22; 122) nach Anspruch 18, ferner gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in welchem die Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) und die Ladevorrichtung (10; 110) untergebracht sind, wobei der Spannungsversorgungsabschnitt (14; 16; 18) der Ladevorrichtung (10 110) mit einem am Gehäuse angeordneten Anschlusselement (14), insbesondere einem Anschlusselement nach dem USB-Standard, zum Anschluss an eine externe Spannungsquelle (12) verbunden ist.
Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie (22; 122), welche aus einer Mehrzahl wiederaufladbarer Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) aufgebaut ist, wobei das Verfahren eine zeitlich Abfolge von Einzelladevorgängen umfasst, in welchen jeweils eine oder mehrere einzelner Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie (22; 122) ausgewählt werden und eine vorbestimmte Ladespannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an die mindestens eine ausgewählte Zelle angelegt wird, und wobei in mindestens zwei Einzelladevorgängen unterschiedliche Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) ausgewählt und geladen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung eine vorbestimmte, für die Ladung einer einzelnen Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie ausgelegte Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung zu jedem Zeitpunkt höchstens an einer einzigen Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung an jeder einzelnen der Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie für eine bestimmte Einzelladezeitdauer angelegt wird, derart, dass innerhalb einer vorbestimmten Gesamtladezeitdauer jede Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Einzelladevorgängen erfährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie nach einer vorbestimmten Auswahlsequenz ausgewählt werden, wobei die Auswahlsequenz zyklisch wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladungszustand einer ausgewählten Zelle (28, 30, 32; 128, 130, 132) erfasst wird und dass nach Maßgabe des erfassten Ladezustands die Ladespannung für eine vorbestimmte Zeitdauer an einer ausgewählten Zelle angelegt wird, die Ladespannung vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer von der Zelle abgetrennt wird oder das Anlegen der Ladespannung an die Zelle unterbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladungszustand von einzelnen Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) der Batterie erfasst wird und dass die Auswahl mindestens einer zu ladenden Zelle nach Maßgabe des erfassten Ladezustands erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorbestimmte Totzeitdauer (t_D) zwischen den Einzelladevorgängen der einzelnen Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) die Ladespannung von allen Zellen (28, 30, 32; 128, 130, 132) getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Anschließens eines die Ladespannung abgebenden Spannungsversorgungsabschnitts (14, 16, 18) an eine externe Niedervoltspannungsquelle (12; 112, 176), insbesondere eine Spannungsquelle nach dem USB-Standard.