DE102011088945A1

DE102011088945A1 - Akkuverwaltung und Akkuschutz

Info

Publication number: DE102011088945A1
Application number: DE102011088945A
Authority: DE
Inventors: Eivind Holsen; Andreas Onsum; Odd Jostein Svendsli; Arne Aas
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-06-28
Also published as: US20120170157A1; TW201251268A; US8943335B2; US20120162828A1; US8880913B2; CN102545320A

Abstract

Ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, das verschiedene Merkmale zum Verbessern von kritischen Sicherheits- und anderen Funktionen enthalten kann. Zu den Merkmalen, die in einigen Implementierungen enthalten sein können, gehören das automatische Laden von Sicherheits- und anderen Parametern während des Startens des Systems; ein zentralisierter Zeitgeber und ein Ereignissystem, das Aktionen in dem System unabhängig von einer zentralen Verarbeitungseinheit auslösen kann; die Verwendung derselben Module sowohl für automatisch gesteuerte Sicherheitsmessungen als auch für Firmware-gesteuerte Messungen; verbesserte Diagnosefunktionen; und eine Schlafwandelfunktion, die gestattet, dass bestimmte Module in dem System weiterhin verschiedene Funktionen durchführen können, auch wenn sich das Modul oder das System in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befinden.

Description

Einige moderne tragbare Geräte (z. B. Laptop-Computer, Mobiltelefone, Digitalkameras, Videokameras, Medienwidergabegeräte, PDAs, Spielekonsolen) enthalten Akkupacks. Ein Typ von Akkupack enthält eine oder mehrere Akkuzellen, die mit einem oder mehreren IC-Chips verbunden sind. Die Chips umfassen gewöhnlich einen Controller (z. B. einen Mikrocontroller) und einen Schaltungsaufbau und leisten unter anderem eine Akkuzellenverwaltung und einen Akkuzellenschutz.
Einige Akkupacks enthalten eine Li-Ionen (Lithium-Ionen)-Akkuzelle, die im Wesentlichen eine flüchtige chemische Reaktion in einem Zylinder oder einem anderen Behälter vorsieht. Potenzielle Energie wird in jeder Zelle gespeichert. Wenn die Akkuzelle Umgebungsbedingungen außerhalb ihrer Spezifikationen ausgesetzt wird, kann sich die Zelle überhitzen, Feuer fangen oder explodieren. Einige mit derartigen flüchtigen Zellen konfigurierte Akkupacks umfassen einen Schutzschaltungsaufbau zum Erfassen von gefährlichen Bedingungen (z. B. Lade- oder Entladeüberströmen, Kurzschlüssen) und zum Ergreifen von korrektiven Maßnahmen, um eine Beschädigung der Akkuzelle und/oder des Geräts zu vermeiden und den Endbenutzer zu schützen.
Im Folgenden werden Details von einer oder mehreren Implementierungen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem angegeben. In einigen Implementierungen helfen verschiedene Merkmale des Systems dabei, sich weniger auf die Firmware zu verlassen, um kritische Sicherheitsfunktionen und andere Funktionen zu leisten. Zu den hier beschriebenen Merkmalen gehören: ein automatisches Laden von Sicherheits- und anderen Parametern während des Startens des Systems; ein zentralisierter Zeitgeber und ein Ereignissystem, die Aktionen in dem System unabhängig von einer zentralen Verarbeitungseinheit auslösen können; das Verwenden von gleichen Modulen sowohl für automatisch gesteuerte Sicherheitsmaßnahmen als auch für Firmware-gesteuerte Messungen; und verbesserte Diagnosefunktionen. Weiterhin wird eine Schlafwandelfunktion beschrieben, die ermöglicht, dass bestimmte Module im System weiterhin kritische Sicherheits- oder andere Funktionen erfüllen können, auch wenn sich das Modul oder das System in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befinden. Es können aber auch Implementierungen realisiert werden, in denen nicht alle oder gar keine der hier genannten Merkmale vorhanden sind.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung, die Zeichnungen und die Ansprüche verdeutlicht.
1 ist eine schematische Ansicht einer Anwendung einschließlich eines Akkupacks.
2 ist eine schematische Ansicht einer Akkupack-Betriebsschaltung.
3 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Module eines Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystems zeigt.
4 veranschaulicht einige Merkmale des Systems in Bezug auf den Akkuschutz.
5 veranschaulicht weitere Merkmale eines Akkumessungs-Subsystems.
6 veranschaulicht einige Merkmale des Systems in Bezug auf ein Ereignissystem für Kommunikationen zwischen den Modulen.
7A zeigt beispielhafte Taktsignale, die durch einen Zeitgeber in dem Ereignissystem erzeugt werden.
7B zeigt beispielhafte Zeitsignale, die durch den Zeitgeber erzeugt werden, um eine Oszillatorkalibrierung auszulösen.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Schlafwandelfunktion zeigt.
In der folgenden Beschreibung wird auf ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem mit einem Ein-Chip-Aufbau Bezug genommen, in dem ein Mikrocontroller, ein nicht-flüchtiger Speicher und andere Schaltungskomponenten in einer einzelnen integrierten Schaltung integriert sind. Das System kann jedoch auch in einer Mehr-Chip-Lösung realisiert werden. Wie im Folgenden beschrieben, umfasst das Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem autonome Sicherheits- und Messfunktionen und kann zum Beispiel in einem Verwaltungs- und Schutzsystem für Li-Ionen- oder andere Akkus verwendet werden.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Akkupack 100 mit einem Gerät 102 oder einem Ladegerät 104 gekoppelt werden. Wenn der Akkupack 100 mit dem Ladegerät 104 gekoppelt wird, werden Anschlüsse (z. B. positive und negative Anschlüsse und ein Kommunikationsanschluss) des Akkupacks 100 über ein Medium 106 mit entsprechenden Anschlüssen (d. h. positiven und negativen Anschlüssen und Kommunikationsanschlüssen) des Ladegeräts 104 gekoppelt, um die mit dem Akkupack 100 assoziierte(n) Zelle(n) zu laden. Als Medium 106 können Drähte, Anschlüsse, Stifte oder andere elektrische Verbindungen vorgesehen sein.
Und wenn der Akkupack 100 mit dem Gerät 102 gekoppelt wird, werden Anschlüsse (d. h. positive und negative Anschlüsse und Kommunikationsanschlüsse) des Akkupacks 100 über ein Medium 108 mit entsprechenden Anschlüssen (d. h. positiven und negativen Anschlüssen und Kommunikationsanschlüssen) des Geräts 102 gekoppelt, um einen Betrieb des Geräts 102 zu ermöglichen. Als Medium 108 können Drähte, Anschlüsse, Stifte oder andere elektrische Verbindungen vorgesehen sein. In einigen Implementierungen ist der Akkupack 100 auch mit dem Gerät 102 und dem Ladegerät 104 an entsprechenden Kommunikationsanschlüssen verbunden, um eine Informationsübertragung (für Befehle und Steuerungen) zwischen dem Gerät 102/dem Ladegerät 104 und dem Akkupack 100 zu ermöglichen. Ein Beispiel für die zu übertragenden Informationen sind etwa der Akkuladungspegel (d. h. die Kapazität).
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Akkupack 100 eine oder mehrere Akkuzellen 120, diskrete Transistoren 110, 112, einen Erfassungswiderstand 114 und ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem 130. Das System 130 enthält wie nachfolgend erläutert verschiedene Komponenten, die zu einer einzelnen Packung integriert werden können (d. h. zu einer einzelnen integrierten Schaltung integriert werden können) oder separat gepackt werden können. Diskrete Transistoren 110, 112 können separat zu dem System 130 vorgesehen sein und in einer separaten Packung enthalten sein oder aber zusammen mit anderen Systemkomponenten gepackt sein.
Diskrete Transistoren 110, 112 werden als Schalter verwendet, um die Akkuzellen 120 von den externen Akkupackanschlüssen (von den externen positiven und negativen Akkupackanschlüssen 140 und 150) zu trennen. Die gezeigte Implementierung umfasst zwei diskrete Transistoren, die zum Beispiel als Feldeffekttransistoren (FETs) implementiert sein können. Es können auch andere Transistortechniken verwendet werden, wobei die FETs jedoch Vorteile hinsichtlich des Prozesses, der Leistung (z. B. des Ein-Widerstands), der Kosten und der Größe bieten. Die zwei Transistoren der gezeigten Implementierung sind ein Lade-Transistor 110 und ein separater Entlade-Transistor 112. Der Lade-Transistor 110 wird für ein sicheres Laden der Akkuzellen 120 verwendet. Der Entlade-Transistor 112 wird für ein sicheres Entladen der Akkuzellen 120 verwendet.
Wie in 2 gezeigt, sind die Lade- und Entladetransistoren 110, 112 in Reihe gekoppelt. In einigen Implementierungen werden zwei N-Kanal-FET(NFET)-Transistoren verwendet, die von Drain zu Drain in einer Reihenkonfiguration gekoppelt sind. In anderen Implementierungen können zwei P-Kanal-FET(PFET)-Transistoren verwendet werden. In einer PFET-Lösung können zusätzliche Dioden erforderlich sein, um Leistung für das System 130 vorzusehen.
In der gezeigten Implementierung sind die Lade- und Entlade-Transistoren 110, 112 in einer Hoch-Seiten-Konfiguration gekoppelt (d. h. die Reihen-Transistoren sind mit der hohen Seite und nicht mit der niedrigen Seite der Akkuzelle gekoppelt). In der gezeigten Hoch-Seiten-Konfiguration ist ein Anschluss (z. B. die Source) des Lade-Transistors 110 mit dem positiven Anschluss der Akkuzelle 120 gekoppelt. Ein Anschluss (z. B. die Source) des Entlade-Transistors 112 ist mit dem externen positiven Akkupackanschluss 150 gekoppelt. Entsprechende zweite Anschlüsse der Lade- und Entlade-Transistoren 110, 112 sind miteinander gekoppelt (bilden einen Drain-Drain-Übergang). Die Gates des Lade-Transistors 110 und des Entlade-Transistors 112 sind mit dem System 130 jeweils an den Eingängen OC und OD gekoppelt.
Der Übergang zwischen den FET-Transistoren 110, 112 ist mit dem System 130 an einem Eingang (VFET) gekoppelt, der Betriebsleistung für das System 130 vorsieht. Ein On-Chip-Low-Drop-Spannungsregler (LDO) regelt die Spannung an dem VFET-Anschluss, um eine geeignete Spannungszufuhr (z. B. 2,2 V) für die interne Logik, die E/A-Leitungen und den analogen Schaltungsaufbau vorzusehen. Die geregelte Spannung wird auch zu einem externen Stift VREG zugeführt.
Die Akkuzelle 120 ist ein wiederaufladbarer Li-Ionen (Li-Ionen) oder Lithium-Polymer (Li-Polymer)-Akku. Es können aber auch andere Akkutechniken verwendet werden. Wenn mehrere Zellen vorgesehen sind, können die Akkuzellen seriell, parallel oder in einer seriellen/parallelen Kombination gekoppelt werden. In der gezeigten Implementierung ist der positive Anschluss der Akkuzelle 120 mit dem System 130 (z. B. um den Akkuspannungspegel an dem Eingang PV1 zu erfassen) und mit einem der diskreten Transistoren (z. B. dem Lade-Transistor 110) gekoppelt. Der negative Anschluss der Akkuzelle 120 ist ebenfalls mit dem System 130 (z. B. um den Akkuspannungspegel an dem Eingang NV zu erfassen) und mit einem Anschluss des Erfassungswiderstands 114 gekoppelt. Der Erfassungswiderstand 114 ist mit dem System 130 gekoppelt (um eine Messung des Stromflusses durch den Erfassungswiderstand 114 an dem Eingang PI zu ermöglichen). Der zweite Anschluss des Widerstandssensors ist mit der lokalen Erde (der lokalen Erde eines intelligenten Akkus), dem System 130 (um den Stromfluss durch den Erfassungswiderstand 114 an dem Eingang NI zu messen) und mit dem externen negativen Akkupackanschluss 140 des Akkupacks 100 gekoppelt. Es wird hier eine Implementierung mit nur einer Akkuzelle gezeigt, wobei aber eine beliebige andere Anzahl von Akkuzellen in dem Akkupack 100 enthalten sein kann. In einigen Implementierungen enthält der Akkupack 100 auch einen Schaltungsaufbau 116, der als eine Sicherung dient.
Bestimmte Akkutechniken können zu gefährlichen Situationen führen, wenn sie nicht korrekt verwendet werden. Zum Beispiel können Li-Ionen- und Li-Polymer-Akkus überhitzen, explodieren oder sich entzünden, wenn sie überladen oder zu schnell entladen werden. Gefährliche Situationen können auch entstehen, wenn der Akku zu tief entladen wird. Weiterhin können die Li-Ionen- und Li-Polymer-Akkus einen wesentlichen Teil ihrer Ladekapazität verlieren, wenn sie zu tief entladen werden. Das System 130 umfasst eine Überwachungselektronik, um einen ausfallfreien Betrieb sicherzustellen. Unter anderem hilft das System 130 dabei, einen Stromfluss in und aus der Akkuzelle 120 sicherzustellen und die Spannung und die Temperatur des Akkus 120 innerhalb von sicheren Grenzen zu halten. Verschiedene Aspekte des Systems 130 werden im Folgenden im größeren Detail erläutert.
Wie in 3 und 4 gezeigt, umfasst ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem 130 eine Software-basierte zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 202, die zum Beispiel als ein Niedrigleistungs-CMOS-8-Bit-Mikrocontroller auf der Basis einer RISC-Architektur implementiert werden kann. Die CPU 202 stellt eine korrekte Programmausführung sicher und kann auf Speicher zugreifen, Berechnungen durchführen und andere Module im System steuern. Ein Speicher (z. B. Flash-Speicher) 214 speichert Befehle, die durch die CPU 202 ausgeführt werden können. Das gezeigte Akkuverwaltungssystem 130 enthält als weitere Speicher einen RAM 210 und einen EEPROM 212. Einige Implementierungen können auch andere Typen von Speicher enthalten.
In dem gezeigten Beispiel kann der zuvor genannte On-Chip-LDO-Regler für das Regeln der VFET-Anschlussspannung zum Vorsehen einer geeigneten Versorgungsspannung für die interne Logik, die E/A-Leitungen und den analogen Schaltungsaufbau als Teil des Spannungsregler 248 vorgesehen sein. Die geregelte Spannung wird auch an dem Stift VREG vorsehen (2).
Das System 130 enthält verschiedene Module, die eine Akkumessung und einen Akkuschutz vorsehen. Derartige Module enthalten ein Spannungs-Analog-zu-Digital-Wandler (V-ADC)-Modul 204, ein Strom-Analog-zu-Digital-Wandler (C-ADC)-Modul 206 und ein Stromschutzmodul 208. Diese Module, die Schaltungen und Logik enthalten, werden weiter unten im größeren Detail erläutert.
Das V-ADC-Modul 204 kann zum Beispiel als ein 16-Bit-Sigma-Delta-Analog-zu-Digital-Wandler implementiert werden, der für das Messen einer Spannung und einer Temperatur optimiert ist. Er enthält mehrere wählbare Eingangskanäle für etwa eine skalierte Akkuzellenspannung, Mehrzweckeingaben (z. B. für die Verwendung als ein externer Temperatursensor), einen internen Temperatursensor, eine skalierte Akkuspannung (BATT) und Diagnosefunktionen. Der V-ADC 204 kann einzelne Wandlungen oder Kanalabtastungen unter der Steuerung einer Firmware (d. h. unter der Steuerung durch eine CPU 202) ausführen. Außerdem kann das V-ADC-Modul 204 automatische Akkuschutzabtastungen ausführen. In dem Fall einer Abtastung für den Einzelwandlungs-/Kanalabtastungsmodus wählt die CPU 202 die Kanäle und beginnt die Abtastung. Im Gegensatz dazu werden automatische Schutzabtastungen unabhängig von der Firmware (d. h. unabhängig von der CPU 202) durchgeführt. Wie weiter unten im größeren Detail erläutert, wird die automatische Schutzabtastung mit automatisch geladenen Werten während des Startens des Systems 130 konfiguriert. Das V-ADC-Modul 204 führt eine automatische Abtastung durch und vergleicht die gemessenen Werte (z. B. der Akkuzellenspannung und/oder der Temperatur) mit automatisch geladenen Auslöswerten. Diese Merkmale ermöglichen, dass das V-ADC-Modul 204 genaue, aber konfigurierbare Schutzwerte für die Akkuzellenspannung und die Temperatur vorsieht.
Das C-ADC-Modul 206 ist angeordnet, um den Stromfluss durch einen externen Erfassungswiderstand (z. B. den Erfassungswiderstand 114 in 2) zu messen. In der gezeigten Implementierung sieht das C-ADC-Modul 206 sowohl momentane als auch akkumulierte Ausgaben vor. Der momentane Stromwert kann nützlich für verschiedene kritische Aufgaben in der Akkuverwaltung wie etwa das Überwachen des Ladestroms während einer Unterspannungsbehebung und eines schnellen Ladens, das Überwachen des Zustands des Akkupacks (z. B. Standby oder Entladung), das Vorsehen eines genauen Überstromschutzes und das Durchführen von Impedanzberechnungen angewendet werden. Das C-ADC-Modul 206 kann einen Fenstervergleicher 207 enthalten, um zu bestimmen, ob die Akkuspannung innerhalb durch einen Benutzer programmierbaren Bereichs liegt. Dieses Merkmal kann zum Beispiel verwendet werden, wenn ein Ladegerät verbunden oder getrennt wird und um das Vorhandensein von übermäßigen Lade- oder Entladeströmen zu erfassen. Der Vergleicher 207 kann ein Unterbrechungssignal oder ein anderes Ereignis erzeugen, wenn der momentane Strom für eine durch einen Benutzer programmierbare Anzahl von Abtastungen außerhalb des spezifizierten Bereichs liegt. In einigen Implementierungen ist der Vergleicher 207 konfiguriert, um ein „Ereignis” zu erzeugen, wenn der Strom zu hoch ist, und um ein Unterbrechungssignal zu erzeugen, wenn der Strom niedrig ist. Dieses und andere „Ereignisse” werden nachfolgend im größeren Detail in Verbindung mit dem Ereignissystem erläutert (siehe 6).
Das gezeigte System 130 enthält ein Spannungsbezugsmodul 244, das eine sehr genaue Bezugsspannung (z. B. 1100 V) und einen Innentemperaturbezug für das V-ADC-Modul 204 vorsieht. Ein Beispiel für die Verbindungen unter den Modulen, die das Akkumessungs-Subsystem bilden, ist in 5 gezeigt. Die Bezugsspannung wird auch zu dem Stift VREF (2) gegeben.
Das Stromschutzmodul 208 tastet die Spannung über den Erfassungswiderstand 114 mit durch einen Benutzer programmierbaren Intervallen ab und vergleicht die Spannung mit mehreren programmierbaren Werten. Die Schutzwerte werden durch das Programmieren von bestimmten Positionen des Flash-Speichers 214 (oder EEPROMs 212) mit den gewünschten Schutzwerten konfiguriert. Wie nachfolgend im größeren Detail erläutert, werden Register automatisch aus diesen Flash-Speicher-Positionen während des Startens des Systems 130 geladen. Verletzungszähler ermöglichen eine Zeitfilterung des Überstroms und des Kurzschlussstroms. In einigen Implementierungen ist das Stromschutzmodul 208 konfiguriert, um ein „Ereignis” zu erzeugen, wenn der Strom außerhalb eines spezifizierten Bereichs liegt. Dieses und andere „Ereignisse” werden nachfolgend im größeren Detail in Verbindung mit dem Ereignissystem erläutert (siehe 6).
Das Akkuverwaltungssystem 130 enthält auch ein Modul 216 zum Steuern der FET-Transistoren 110, 112. In der gezeigten Implementierung enthält der FET-Controller 216 mehrere Ausgänge (z. B. OC, CD), die mit externen Einrichtungen gekoppelt sind, die durch den FET-Controller 216 konfiguriert werden können, um den Stromfluss zwischen der Akkuzelle 120 und einem Gerät oder einem Ladegerät zu steuern. Der FET-Controller 206 enthält Schaltungen und eine Logik zum Erzeugen von Spannungen an den Ausgängen OC und OD. In einigen Implementierungen ist die OC-Ausgabe eine Hochspannungsausgabe, die mit dem Gate eines Lade-FET (z. B. des Lade-Transistors 110) gekoppelt wird, um eine Steuerung des Stromflusses während eines Ladeereignisses durch den Lade-FET vollständig oder teilweise zu gestatten oder zu unterbinden. Die OD-Ausgabe ist eine Hochspannungsausgabe, die mit dem Gate des Entlade-FET (z. B. des Entlade-Transistors 112) gekoppelt wird, um eine Steuerung des Stromflusses während eines Ladeereignisses durch den Entlade-FET vollständig oder teilweise zu gestatten oder zu unterbinden.
Die CPU 202 und andere Module senden und empfangen Signale über einen oder mehrere Busse 218 (3). Ein Bus ist ein Eingabe/Ausgabe-Bus 218A (4). Ein anderer Bus 218B wird für das Laden von Sicherheits- und anderen Parametern aus dem Flash-Speicher 214 während des Startens des Systems 130 verwendet. Das System enthält auch einen Unterbrechungsbus 218C für die Kommunikation von Unterbrechungssignalen zu/von der CPU 202 oder einem anderen Modul. Außerdem gestattet ein dediziertes Leitnetzwerk 219, dass „Ereignisse” zwischen bestimmten Modulen unabhängig von der CPU 202 gewendet werden, was nachfolgend im größeren Detail mit Bezug auf das Ereignissystem erläutert wird (siehe 6).
Wie in 3 gezeigt, enthält das System 130 auch ein Ruhe/Leistungs-Modul 246, das weiter unten erläutert wird. Andere Komponenten und Module, die in der gezeigten Implementierung 130 enthalten sein können, sind Oszillatoren 250, ein Wake-Up-Timer (WUT) 252, ein Watchdog-Timer (WDT) 254, ein universaler asynchroner Sender/Empfänger (UART) 256, eine bidirektionaler Zweidraht(TWI)-Bus 258, eine On-Chip-Debug(OCD)-Modul 260, eine Unterbrechungssteuereinrichtung 262 und eine Oszillator/Takt-Steuereinrichtung 264. Eine praktische Implementierung des Systems 130 kann auch andere Komponenten, Module und Subsysteme enthalten, die in 3 der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. In einigen Implementierungen müssen auch nicht alle in dem Beispiel von 3 gezeigten Komponenten, Module und Subsysteme enthalten sein.
Um den sicheren Betrieb des Systems 130 zu verbessern, werden während des Systemstarts verschiedene Sicherheits- und Kalibrierungsparameter automatisch aus einem nicht-flüchtigen Speicher zu dedizierten Eingabe/Ausgabe-Registern in einem oder mehreren der Module geladen.
Sicherheitsparameter können durch das System verwendet werden, um Sicherheitsfunktionen des Akkus 120 zu bestimmen. In einer bestimmten Implementierung werden durch einen Benutzer programmierbare Sicherheitsparameter in dedizierten Positionen im Flash-Speicher 214 gespeichert. Während des Startens des Systems 130 werden diese Parameter automatisch durch die Rücksetzsteuereinrichtung 220 (3) aus dem Flash-Speicher 214 zu dedizierten Registern 215 geladen. Der Bus 218B (4) wird verwendet, um die Sicherheitsparameter aus dem Flash-Speicher 214 zu dedizierten Registern 215 zu übertragen. Die CPU 202 kann die Register 215 lesen, aber nicht in diese schreiben. Die in den dedizierten Registern 215 gespeicherten Sicherheitsparameter können während des Betriebs nicht geändert werden. Indem Akkuschutz- und Kalibrierungsparameter automatisch und unabhängig von der CPU 202 und der Firmware von vordefinierten Positionen während des Startzyklus geladen werden (z. B. während eines Rücksetzzyklus), kann der sichere Betrieb des Systems 130 verbessert werden.
Die Register 215 können über verschiedene Module für das Implementieren von kritischen Sicherheitsfunktionen verteilt werden. Die Register 215 in dem V-ADC-Modul 204 können zum Beispiel Informationen zum Bestimmen der in einer Schutzabtastung verwendeten Kanäle speichern, die Frequenz der Schutzabtastung bestimmen und die Schwellwerte für Zellenspannungs-Vergleicher angeben. Die Register 215 in dem Stromschutzmodul 208 können zum Beispiel Informationen zu der Stromschutzsteuerung, zu der Kurzschlussschutz-Zeitgebung, der Überstromschutz-Zeitgebung, den Kurzschluss-Erfassungswerten, den Entladeüberstrom-Erfassungswerten und den Ladeüberstrom-Erfassungswerten speichern. Die Register 215 in dem FET-Controller 216 können zum Beispiel Informationen zu einer Aktion speichern, die zu ergreifen ist, wenn ein Signal empfangen wird, das eines der folgenden Ereignisse angibt: ein Kurzschluss-Schutzereignis, ein Entladeüberstrom-Schutzereignis, ein Ladeüberstrom-Schutzereignis, ein Zellenüberspannungs-Schutzereignis, ein Zellenunterspannungs-Schutzereignis, ein Innentemperatur-Überspannungs-Schutzereignis und ein Innentemperatur-Unterspannungs-Schutzereignis. Es können auch andere Sicherheitsparameter während des Startens geladen und automatisch in dedizierten Registern 215 in diesen oder anderen Modulen des Systems 130 gespeichert werden.
Die für die Kalibrierung verschiedener Aspekte des Systems 130 verwendeten Parameter können auch automatisch während des Startens (z. B. während des Zurücksetzens) aus einem nicht-flüchtigen Speicher 214 in dedizierte Eingabe/Ausgabe-Register wie oben für die Sicherheitsparameter beschrieben geladen werden. Beispiele für derartige Parameter sind Parameter zum Kalibrieren von Spannungsbezügen und Parameter zum Kalibrieren von Oszillatoren. In einigen Implementierungen können Kalibrierungswerte in dem nicht-flüchtigen Speicher 214 zum Beispiel während der Chip-Herstellung oder durch einen Kunden gespeichert werden. Einige Kunden ziehen es vor, die durch den Hersteller vorgegebenen Werkswerte zu verwenden, um die Testkosten zu reduzieren, während andere Kunden die Parameter für die Kalibrierung lieber selbst wählen, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Einige Implementierungen erlauben, dass der Kunde wählt, ob die Parameter von einer ersten Position mit durch den Hersteller gespeicherten Werten oder von einer zweiten Position mit eigenen Werten des Kunden geladen werden. Ein nicht-flüchtiger Speicher kann verwendet werden, um dem Kunden diese Auswahl zu ermöglichen.
In einigen Implementierungen wird die Einrichtung durch eine Rücksetzanfrage zurückgesetzt und in dem zurückgesetzten Zustand gehalten, solange die Anfrage aktiv ist. Wenn alle Rücksetzanfragen aufgehoben wurden, durchläuft das System 130 mehrere Stufen, bevor die interne Rücksetzung aufgehoben wird und der Systembetrieb beginnt. In einigen Implementierungen wird vor der Aufhebung der internen Rücksetzung eine Zählerverzögerung zurückgesetzt und gestartet, werden Oszillatoren gestartet, läuft die Zählerverzögerung ab und werden die Sicherheits- und Kalibrierungsparameter aus dem nicht-flüchtigen Speicher 214 wie oben erläutert geladen. Es können auch andere Operationen während des Startens (z. B. Zurücksetzens) des Systems 130 ausgeführt werden, wobei zum Beispiel auch Eingabe/Ausgabe-Register auf ihre entsprechenden Ausgangswerte gesetzt werden können.
Obwohl in dem System 130 viele Kommunikationen über die CPU 202 verlaufen, umfasst das System 130 auch ein Ereignissystem für bestimmte Kommunikationen zwischen den Modulen. Das Ereignissystem ermöglicht, dass ein Zustandswechsel in einem Modul des Systems automatisch und unabhängig von der CPU 202 eine Aktion in einem oder mehreren anderen Modulen des Systems auslöst. Eine derartige Angabe einer Änderung in einem Modul wird als ein „Ereignis” bezeichnet. Ereignisse werden zwischen Modulen unter Verwendung eines dedizierten Leitnetzwerks 219 (3 und 4) übertragen. Das Modul, das das Ereignis erzeugt, wird manchmal als der Ereigniserzeuger bezeichnet, während das Modul, das das Ereignis verwendet, manchmal als der Ereignisbenutzer bezeichnet wird. Die Aktion, die durch das Ereignis ausgelöst wird, wird manchmal als die Ereignisaktion bezeichnet. Einige Ereignisbenutzer können Ereignisse von einem oder mehreren Ereigniserzeugern empfangen und können gleiche oder verschiedene Ereignisaktionen veranlassen.
Wie in 6 gezeigt, ist ein derartiger Ereigniserzeuger ein Zeitgeber 240, der Teil der Ereignissteuereinrichtung 222 ist (siehe 3). Der Zeitgeber 240 dient als ein zentralisierter Timer, der steuert, wann bestimmte Ereignisse auftreten, und über das dedizierte Leitnetzwerk 219 direkt mit einigen der Module wie etwa dem V-ADC-Modul 204, dem C-ADC-Modul 206 und dem Stromschutzmodul 208 gekoppelt ist. Ein Zeitgeber 308 erzeugt Ereignisse (z. B. Pulssignale), die wiederum Taktaktivierungsereignisse auslösen. In einigen Implementierungen können die Ereignissignale direkt als Taktsignale verwendet werden. Der Zeitgeber 308 kann einen Satz von dividierten Ereignissignalen erzeugen. Zum Beispiel enthält in der gezeigten Implementierung der Zeitgeber 240 einen Vorskalierer, der ein Ereignissignal (clk) verwendet und Zweierpotenz-Divisionen des Ausgangssignals erzeugt. Der Zeitgeber 240 erzeugt einen Satz von dividierten Signalen, die jeweils eine entsprechende Frequenz clk/2...clk/2'' aufweisen, wobei n eine Ganzzahl ist. In einer bestimmten Implementierung erzeugt der Zeitgeber 240 ein erstes Ereignissignal mit einer Frequenz clk/2, ein zweites Ereignissignal mit einer Frequenz clk/4, ein drittes Ereignissignal mit einer Frequenz clk/8 und ein viertes Ereignissignal mit einer Frequenz clk/16 (7A). In einigen Implementierungen erzeugt der Zeitgeber 240 zusätzliche oder andere synchrone Ereignissignale. So wird in einigen Implementierungen ein zweites Ereignissignal aus dem ersten Ereignissignal dividiert, wird das dritte Ereignissignal aus dem zweiten Ereignissignal dividiert usw. Wenn dabei ein langsames Ereignissignal eine aktive Flanke aufweist, weisen auch die schnelleren Ereignissignale eine aktive Flanke auf. In anderen Situationen können die Teilungsfaktoren eine beliebige Reihe von Ganzzahlen (z. B. clk/2, clk/3, clk/4) sein. Allgemein erzeugt der Zeitgeber 240 einen Satz von dividierten Signalen, die jeweils eine entsprechende Frequenz F/n₁, F/n₂...F/n_m aufweisen, wobei n_i Ganzzahlen sind.
Der Zeitgeber 240 wird verwendet, um Ereignisse für die mit dem Zeitgeber 240 verbundenen Module zu erzeugen. Jedes Modul kann individuell die gewünschte Taktteilung (z. B. auf der Basis von automatisch während des Startens in die Register 215 geladenen Informationen) wählen. Zum Beispiel kann ein Modul (z. B. das V-ADC-Modul 204) auf clk/32 programmiert werden, kann ein zweites Modul (z. B. das C-ADC-Modul 206) auf clk/128 programmiert werden und kann ein drittes Modul (z. B. das Stromschutzmodul 208) auf clk/32 programmiert werden. In diesem Beispiel empfangen das erste und das dritte Modul 204 und 208 gleichzeitig Ereignisse, währen das zweite Modul 206 Ereignisse bei 1/4 der Frequenz empfängt. In dem gezeigten Beispiel sind die Zeitgeberereignisse für alle Module synchron. Wenn das zweite Modul Ereignisse empfängt, empfangen das erste und das dritte Modul gleichzeitig Ereignisse. Zeitgeberereignisse können zum Beispiel verwendet werden, um Messungen auszulösen und Sicherheitsprobleme zu erfassen.
Der Zeitgeber 240 wirkt als ein Initiator für einige Ereignissequenzen. Der Zeitgeber gibt mit regelmäßigen Intervallen Ereignisse aus, um Aktionen in anderen Modulen (z. B. in dem V-ADC-Modul 204, dem C-ADC-Modul 206 und dem Stromschutzmodul 208) einzuleiten. Die Ereignissequenzen für während des Betriebs konfigurierbare Schutzereignisse werden durch den Zeitgeber 240 eingeleitet und lösen Ereignisaktionen zum Beispiel in dem C-ADC-Modul 206 aus. In dem gezeigten Beispiel werden auch Ereignissequenzen für automatisch geladene Schutzereignisse durch den Zeitgeber 240 eingeleitet und lösen Ereignisaktionen in dem V-ADC-Modul 204 und in dem Stromschutzmodul 208 aus. Beispiele für Aktionen, die derart gesetzt werden können, dass sie bei regelmäßigen Ereignissen durch den Zeitgeber 240 ausgelöst werden, sind etwa: eine Schutzabtastung durch das V-ADC-Modul, eine Strommessung durch das C-ADC-Modul, eine Erfassung des regelmäßigen Stroms, eine Erfassung von hohen Lade-/Entladeströmen, Messungen des Stromschutzmoduls, eine Erfassung eines Kurzschlussstroms und eine Erfassung von Lade-/Entladeüberströmen.
Das V-ADC-Modul 204, das C-ADC-Modul 206 und das Stromschutzmodul 208 können jeweils als ein Ereigniserzeuger wirken. Zum Beispiel können durch das C-ADC-Modul 206 erzeugte Ereignisse eine oder mehrere Ereignisaktionen in dem FET-Controller 216 auslösen. Zu diesem Zweck ist das C-ADC-Modul 206 über ein dediziertes Leitnetzwerk 219 mit dem FET-Controller 216 verbunden, sodass Ereignisse direkt und unabhängig von der CPU 202 von dem C-ADC-Modul 206 zu dem FET-Controller 216 kommuniziert werden können. Entsprechend können das V-ADC-Modul 204 und das Stromschutzmodul 208 eine oder mehrere Ereignisaktionen in dem FET-Controller 216 auslösen. Zu diesem Zweck sind auch das V-ADC-Modul 204 und das Stromschutzmodul 208 über das dedizierte Leitnetzwerk 219 mit dem FET-Controller 216 verbunden, sodass derartige Ereignisse direkt und unabhängig von der CPU 202 von dem V-ADC-Modul 204 oder dem Stromschutzmodul 208 zu dem FET-Controller 216 kommuniziert werden können.
Ein Beispiel für eine Aktion, die auf der Basis von Ereignissen aus den vorstehend genannten Modulen ausgelöst werden kann, ist eine Deaktivierung der FETs 110, 112. Zum Beispiel können die FETs 110, 112 automatisch auf der Basis von einem oder mehreren der folgenden Ereignisse deaktiviert werden: eine Über-/Unterspannung des V-ADC-Kanals, eine Über/Untertemperatur des V-ADC-Kanals, ein hoher Lade/Entladestrom des C-ADC, eine Erfassung eines C-ADC-Entladestroms bei niedrigen Spannungen, ein Lade/Entladeüberstrom des Stromschutzmoduls und ein Kurzschluss des Stromschutzmoduls.
Das Ereignissystem ermöglicht eine Automatisierung von kritischen und nicht-kritischen Aufgaben in einem Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem ohne Einbeziehung der Firmware (d. h. unabhängig von der CPU 202). Zum Beispiel kann das Ereignissystem dabei helfen, eine sichere und voraussagbare Handhabung und Reaktionszeit für kritische Aufgaben vorzusehen, sodass die Qualifizierungsanforderungen für die Firmware reduziert werden können. Gleichzeitig kann das Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem eine Flexibilität bieten, indem bestimmte Sicherheitsparameter wie oben beschrieben durch den Benutzer programmiert werden können. Für nicht-kritische Aufgaben kann das Ereignissystem dabei helfen, die Zeit zu reduzieren, die die CPU 202 in einem aktiven Modus verbringen muss. Das System kann also auch dabei helfen, den Stromverbrauch zu reduzieren.
Das Ereignissystem kann weiterhin verwendet werden, um andere Ereignisse zu unterstützen, die nicht kritisch für Akkuschutzereignisschleifen sind. Zum Beispiel können Ereignisse von dem Zeitgeber 240 verwendet werden, um einen Timer/Zähler 242 (3 und 5) zu inkrementieren.
Das Ereignissystem kann auch verwendet werden, um die Ausführung von verschiedenen Systemkalibrierungen mit regelmäßigen Intervallen unabhängig von der CPU 202 auszulösen. Die Verwendung des Ereignissystems gestattet, dass die Kalibrierung gleichzeitig mit anderen Ereignissen ausgelöst wird. Wenn Ereignisse gleichzeitig auftreten, können die durch Ereignissignale von dem Zeitgeber ausgelösten Messungen auch synchron durchgeführt werden, um die Zeitdauer zu reduzieren, während der die zentralen Module aktiviert sind. Dadurch kann wiederum der Gesamtstromverbrauch reduziert werden. Zum Beispiel können durch den Zeitgeber 240 erzeugte Ereignisse dabei helfen, sicherzustellen, dass die Kalibrierung von Oszillatoren 250 mit regelmäßigen Intervallen und ohne Beteiligung der CPU 202 durchgeführt wird. Weil die Kalibrierung gleichzeitig mit anderen, dieselben gemeinsamen Ressourcen nutzenden Aktivitäten durchgeführt werden kann, kann der Stromverbrauch reduziert werden. Eine Kalibrierung des Systems kann also während des Betriebs auf der Basis eines oder mehrerer Zeitgeberereignisse eingeleitet werden.
Zum Beispiel verbrauchen hochgenaue Oszillatoren eine ziemlich hohe Leistung. Deshalb wird in einigen Implementierungen ein Bezugsoszillator nur mit regelmäßigen Zeitintervallen eingeschaltet. Das Zeitintervall kann zum Beispiel auf einem automatisch während des Startens aus dem nicht-flüchtigen Speicher 214 in ein dediziertes Register 215 geladenen Parameter beruhen. Eine Temperaturvariation des Oszillators kann zum Beispiel durch das Kalibrieren des Oszillators in Bezug auf eine gemessene Temperatur mit einem regelmäßigen Zeitintervall beseitigt werden. In einigen Implementierungen ist das System 130 konfiguriert, um den Oszillator durch das Berechnen eines Zielzyklusverhältnisses zwischen dem Bezugsoszillator und dem Zieloszillator teilweise auf der Basis der letzten Temperaturlesung durch das V-ADC-Modul 204 zu kalibrieren. Die Verwendung des Zeitgebers 240 zum Auslösen der Temperaturlesungen und die folgende Kalibrierung gestatten, dass die verschiedenen Aktionen gleichzeitig zu präzise bestimmten Zeiten wie in dem Beispiel von 7B gezeigt durchgeführt werden können.
Wenn in einigen Implementierungen kein Zeitgeber 240 vorgesehen ist, müssen verschiedene andere Module jeweils mit eigenen Vorskalierern implementiert werden, wodurch jedoch die Gesamtkosten des Systems 130 erhöht werden. Durch das Vorsehen eines zentralisierten Zeitgebers 240 in dem System 130 können Kosteneinsparungen realisiert werden. Weiterhin kann das Sicherstellen eines synchronen Betriebs ohne den zentralisierten Zeitgeber kompliziert sein.
Wie weiter oben angegeben, erfüllen verschiedene Module Akkumessfunktionen. Das Messungs-Subsystem führt automatisch gesteuerte Sicherheitsmessungen des Akkus sowie CPU-gesteuerte Messungen zu dem Ladzustand und dem Gesundheitszustand des Akkus durch.
Zu den Modulen des Akkumessungs-Subsystems gehören das V-ADC-Modul 204, das C-ADC-Modul 206, das Stromschutzmodul 208 und das Spannungsbezugsmodul 248. Wie zuvor erläutert enthalten diese Module dedizierte Register 215, in die beim Starten des Systems 130 automatisch und unabhängig von der CPU 202 Sicherheitsparameter geladen werden. Weiterhin werden kritische Sicherheitsmessungen durch Ereignisse ausgelöst, die durch den Zeitgeber 240 erzeugt werden und über das Ereignisleitnetzwerk 219 unabhängig von der CPU 202 kommuniziert werden. Dieselben Module, die die Firmware-gesteuerten Messungen unter Einbeziehung der CPU 202 durchführen, führen also auch die Sicherheitsmessungen des Akkus unabhängig von der CPU 202 aus. Durch die Verwendung derselben Hardwaremodule für die Durchführung von beiden Typen von Akkumessungen kann also in einigen Fällen die Größe und die Kosten des Systems 130 reduziert werden.
Ein Ruhe-/Leistungsverwaltungs-Steuermodul 246 (3) ermöglicht, dass das Akkuverwaltungssystem 130 in einen oder mehrere Ruhemodi (mit einer niedrigen Leistung) eintritt, um den Stromverbrauch zu reduzieren. In die Ruhemodi kann von einem aktiven Modus, in dem die CPU 202 einen Anwendungscode ausführt, eingetreten werden. Der Anwendungscode bestimmt, wann in einen Ruhemodus eingetreten werden soll und in welchen Ruhemodus eingetreten werden soll. Unterbrechungssignale von aktivieren Modulen und aktivierten Rücksetzungsquellen können die CPU 202 aus dem Ruhemodus in den aktiven Modus zurückversetzen.
Ein Ruhemodustyp, der in einigen Implementierungen verfügbar ist, wird als ein Leerlaufmodus bezeichnet, in dem die Operationen der CPU 202 und des nicht-flüchtigen Speichers gestoppt werden. In dem Leerlaufmodus setzen andere Module einschließlich der Ereignissteuereinrichtung 222 (weiter oben erläutert) und der Unterbrechungssteuereinrichtung 262 (siehe 3) ihren Betrieb fort, sofern sie aktiviert sind. Unterbrechungsanfragen von aktivierten Unterbrechungssignalen wecken das System 130 auf. Um den Stromverbrauch in dem Leerlaufmodus zu reduzieren, können nicht verwendete Module deaktiviert werden.
Einige Implementierungen können auch zusätzliche oder alternative Niedrigleistungs- oder Ruhemodi unterstützen, in denen einige der Module in dem System 130 ruhen. Zum Beispiel enthalten einige Implementierungen einen Stromsparmodus, in dem verschiedene Module (z. B. das V-ADC-Modul 204 und das C-ADC-Modul 206) normalerweise nicht betrieben werden können, auch wenn sie aktiviert sind. Um den Stromverbrauch in dem Stromsparmodus auf ein Minimum zu reduzieren, sollten Module, die von aktivierten Oszillatoren betrieben werden und nicht in Verwendung sind, deaktiviert werden. Dadurch werden die Takte für die Module gestoppt, was zu einem beträchtlich reduzierten Stromverbrauch beiträgt.
Die mit dem Ereignissystem verbundenen Module unterstützen ein „Schlafwandeln”. Es können Situationen auftreten, in denen sich das System 130 in einem Ruhemodus befindet, aber ein bestimmtes Modul in dem Ereignissystem ein Ereignis an ein anderes Modul senden muss. Wenn das Zielmodul ruht (d. h. sich in einem Niedrigleistungsmodus befindet), löst das Ereignis automatisch eine Ereignisanfrage an das Zielmodul aus, damit das Zielmodul das Ereignis verarbeiteten und danach wieder zu dem Ruhemodus zurückkehren kann. Das dedizierte Ereignisleitnetzwerk 219 kann verwendet werden, um die Ereignisanfrage zu dem Zielmodul zu kommunizieren. Die normalerweise nicht in dem Ruhemodus betriebenen Module können weiterhin in dem Ruhemodus betreiben werden, indem sie durch die Schlafwandelfunktion ausgelöst werden.
Die Schlafwandelfunktion gestattet, dass Module in dem Ereignissystem (z. B. der Zeitgeber 240, das V-ADC-Modul 204, das C-ADC-Modul 206 und das Stromschutzmodul 208) weiterhin kritische Sicherheitsfunktionen oder andere Funktionen erfüllen, auch wenn sich das System 130 in einem Niedrigleistungsmodus (z. B. Ruhemodus) befindet. Wenn also wie in 8 gezeigt der Zeitgeber 240 versucht, ein Ereignis zu dem V-ADC-Modul 204, dem C-ADC-Modul 206 oder dem Stromschutzmodul 208 zu senden, während sich das Zielmodul in dem Niedrigleistungsmodul befindet (Block 302), löst das Ereignis automatisch eine Aktivierungsanfrage an das Zielmodul aus (Block 304). In Reaktion auf den Empfang der Aktivierungsanfrage verarbeitet das Zielmodul das Ereignis und kehrt dann zu dem Ruhemodus zurück (Block 306). Es werden also bestimmte Module aktiviert, um spezifizierte Aufgaben auch dann auszuführen, wenn sich das System 130 in einem Ruhe- oder Niedrigleistungsmodus befindet, in dem diese Module ohne die Schlafwandelfunktion nicht betrieben werden könnten. Außerdem wird die Schlafwandelfunktion unabhängig von der CPU 202 betrieben. Es können also bestimmte Aufgaben ausgeführt werden, ohne die CPU 202 zu wecken.
Ein Beispiel dafür, wie die Schlafwandelfunktion in der gezeigten Implementierung verwendet werden kann, ist wie folgt. Das C-ADC-Modul 206 weist einen programmierbaren Abtastungsmodus auf, sodass es eine unmittelbare Wandlung für einen gemessenen Akkustromwert durchführen kann. Der Zeitgeber 240 löst Ereignisse aus, sodass das C-ADC-Modul 206 Akkustromwerte mit regelmäßigen Intervallen abtastet. Wenn sich das C-ADC-Modul 206 in einem Ruhemodus befindet, während die Abtastung stattfinden soll, gestattet die Schlafwandelfunktion, dass das C-ADC-Modul 206 geweckt wird und die unmittelbare Wandlung durchführt.
Wenn entsprechend das V-ADC-Modul 204, das C-ADC-Modul 206 oder das Stromschutzmodul 208 versucht, ein Ereignis an den FET-Controller 216 zu senden, während sich der FET-Controller in einem Niedrigleistungsmodus befindet, löst das Ereignis automatisch eine Aktivierungsanfrage an den FET-Controller aus, sodass der FET-Controller das Ereignis verarbeitet und dann wieder in den Ruhemodus eintritt.
In einigen Implementierungen ist der Zeitgeber 240 mit einem Timer/Zähler 242 (3 und 5) verbunden, der zum Beispiel verwendet werden kann, um die Zeit zu verfolgen. Wenn sich das System 130 in einem Niedrigleistungsmodus befindet, während ein Zeitgeberereignis ausgelöst wird, kann die Schlafwandelfunktion verwendet werden, damit der Timer/Zähler 242 den Zählerwert erhöht.
Um eine größere Sicherheit vorzusehen, umfassen einige Implementierungen des Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystems 130 Diagnosefunktionen, die verwendet werden können, um einen korrekten Betrieb des Systems sicherzustellen.
Wie nachfolgend erläutert, können verschiedene analoge Signale und Werte an externen Stiften des Akkuverwaltungssystems 130 durch die CPU 202 geprüft werden. Wenn eine Diagnosefunktion außerhalb des erwarteten Bereichs liegt, kann die CPU 202 veranlassen, dass der FET-Controller 216 die FETs 110, 112 (siehe 2) deaktiviert, um die Akkusicherheit aufrechtzuerhalten.
Zum Beispiel kann das Spannungsbezugsmodul 244 einen Fenstervergleicher umfassen, der kontinuierlich den VREF-Stift (siehe 2) überwacht, um zu erfassen, ob die Bezugsspannung mit der Erde oder mit einer Stromversorgung (VDD) kurzgeschlossen ist. Wenn eine Kurzschlussbedingung auftritt, kann die CPU 202 veranlassen, dass die FETs 110, 112 deaktiviert werden, um das System zu schützen.
Die CPU 202 kann auch verschiedene Diagnoseprüfungen in Verbindung mit dem V-ADC-Modul 204 durchzuführen, das einen dedizierten Akkukanal (BATT) für das Erfassen eines Ausfalls des FET, eines unzulässigen Ladegeräts und von nicht verbundenen Stiften umfasst. Die CPU 202 kann eine oder mehrere Diagnoseprüfungen unter Verwendung von Signalen auf dem Akkukanal durchführen. Wenn zum Beispiel die FETs 110, 112 vollständig aktiviert werden, sollte der Spannungsabfall zwischen der Seite des Akkus und der Seite des Ladegeräts/der Last nahe null sein. Nach der Aktivierung der FETs 110, 112 kann die Differenz zwischen der Akkukanalspannung und der Zellenspannung berechnet werden, um festzustellen, ob der FET korrekt eingeschaltet ist. Wenn die gemessene Spannung nicht innerhalb des erwarteten Bereichs liegt, kann die CPU 202 die FETs deaktivieren. Ein Ausfall des FET kann auch durch separate Differentialkanäle erfasst werden, die den FET-Spannungsabfall direkt messen.
Wenn entsprechend ein Ladegerät mit dem Akkuverwaltungssystem (siehe 1) verbunden ist, kann der Akkukanal verwendet werden, um zu prüfen, ob die Ladespannung innerhalb eines annehmbaren Bereichs liegt, bevor die FETs 110, 112 aktiviert werden. Außerdem kann durch das Messen des Akkukanals während des aktiven Zustands der FETs 110, 112 festgestellt werden, dass der Akkustift nicht korrekt mit einer Leiterplatte verbunden ist. Wenn sich das Ergebnis stark von der Akkuzellenspannung unterscheidet, kann die CPU 202 die FETs deaktivieren.
Die CPU 202 kann auch Diagnoseprüfungen in Bezug auf die Stifte PV1 und NV des V-ADC-Moduls 204 (siehe 2 und 5) durchführen. Zum Beispiel kann die CPU 202 für den Stift PV1 einen internen Pull-down-Widerstand aktivieren, um festzustellen, ob die CPU 202 eine gute Verbindung zu dem positiven Zellenanschluss aufweist. Wenn das Ergebnis wesentlich niedriger als erwartet ist, während der Pull-down-Widerstand aktiviert ist, bestimmt die CPU 202, dass eine schlechte Verbindung gegeben ist. Für den Stift NV kann die CPU 202 einen internen Pull-up-Widerstand aktivieren, um eine schlechte Verbindung zu dem negativen Zellenwiderstand zu erfassen. Bei aktiviertem Pull-up-Widerstand vergrößert sich die Differenz zwischen den Spannungen an den Stiften NV und PV erheblich, wenn eine schlechte Verbindung zu der Zelle gegeben ist. Wenn dagegen eine gute Verbindung gegeben ist, ist die Spannungsdifferenz klein. Wenn eines der Ergebnisse außerhalb des erwarteten Bereichs liegt, kann die CPU 202 die FETs 110, 112 deaktivieren. Wenn in einigen Implementierungen eine Schutzabtastung gestartet wird, während diese Diagnosefunktionen durchgeführt werden, werden die Pull-up- und Pull-down-Widerstände automatisch deaktiviert, um ein korrektes Ergebnis aus der Schutzabtastung sicherzustellen.
Die CPU 202 kann auch Diagnoseprüfungen in Bezug auf die Stifte PI und NI des C-ADC-Moduls 206 (siehe 2 und 5) durchführen, die beide interne Pull-up-Quellen zum Erfassen einer schlechten Verbindung mit dem Erfassungswiderstand 114 aufweisen. Wenn der Pull-up-Widerstand für den Stift PI oder den Stift NI aktiviert wird und der Stift eine schlechte Verbindung aufweist, sättigt sich das Wandlungsergebnis zu einem maximalen Wandlungswert. Wenn in einigen Implementierungen eine Schutzabtastung gestartet wird, während diese Diagnosefunktionen ausgeführt werden, werden die Pull-up- und Pull-down-Widerstände automatisch deaktiviert, um ein korrektes Ergebnis aus der Schutzabtastung sicherzustellen.
Vorstehend werden verschiedene Vorteile in einigen Implementierungen des Systems 130 erläutert. Einige Implementierungen des Systems 130 können andere Vorteile zusätzlich oder alternativ zu den vorstehend erläuterten Vorteilen enthalten. Zum Beispiel kann die Firmware (d. h. die CPU 202) eine Ausgangskonfiguration steuern, um sich an spezifische Anwendungsanforderungen anzupassen, wobei das System dann autonom ausgeführt werden kann. Weil die Firmware nur die Ausgangskonfiguration handhabt, ist der Aufwand zum Verifizieren einer korrekten Konfiguration relativ niedrig. Sobald die Konfiguration eingerichtet ist, handhabt die Hardware automatisch kritische Sicherheitsfunktionen ohne Einbeziehung der Firmware. Die Firmware kann optional die Konfigurationsregister für einen weiteren CPU-Schreibzugriff sperren, um sicherzustellen, dass der sichere Betrieb nicht durch Firmwarefehler beeinträchtigt wird.
Das System kann eine Produktqualifizierung durch den Kunden vereinfachen, indem Fehlerquellen aus der Firmware, die die Sicherheit des Systems beeinträchtigen könnten, beseitigt werden. Dadurch wird der Aufwand für eine Qualifizierung des Systems für verschiedene Sicherheitszulassungen reduziert. Durch eine verbesserte Genauigkeit des Systems kann in einigen Implementierungen die Wahrscheinlichkeit von nicht erfassten, unsicheren Betriebsbedingungen eines Li-Ionen-Akkus reduziert werden. Dadurch kann die Akkusicherheit verbessert werden.
Aufgrund der verbesserten Genauigkeit des Systems können Entwickler mehr Energie in den Akkupack laden, ohne die Sicherheitsgrenzen der Akkuzelle zu überschreiten. Durch die erhöhte Akkukapazität kann mehr Energie für den Benutzer pro Einheitsladung verfügbar gemacht werden. Und wegen der verbesserten Genauigkeit kann auch eine bessere Angabe zu der verbleibenden Akkuzeit gemacht werden. Dadurch können Situationen vermieden werden, in denen die berichtete Akkukapazität plötzlich sehr schnell von einer Angabe, dass eine ausreichende Kapazität verbleibt, zu einer Angabe fällt, dass eine sehr geringe Kapazität verbleibt und das System deaktiviert werden sollte.
Wie zuvor erläutert, können einige Merkmale des Systems 130 dabei helfen, den Stromverbrauch zu reduzieren. Der reduzierte Stromverbrauch ermöglicht eine längere Haltbarkeitsdauer für neue Akkupacks. Außerdem kann das Risiko einer versehentlichen Entladung einer Akkuzelle zu einem unsicheren und gefährlichen Pegel reduziert werden.
Es sind auch andere Implementierungen innerhalb des durch die Ansprüche definierten Erfindungsumfangs möglich.

Claims

Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, das umfasst: einen nicht-flüchtigen Speicher (214) zum Speichern von einem oder mehreren durch einen Benutzer programmierbaren Sicherheitsparametern, wenigstens ein Modul (204, 206, 208), das ein oder mehrere Register (215) enthält, eine Software-basierte zentrale Verarbeitungseinheit (202), und eine Steuereinrichtung, die angeordnet ist, um während des Startens des Systems (130) unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) den einen oder die mehrere Sicherheitsparameter aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) in ein oder mehrere Register (215) zu laden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Sicherheitsparameter, die in dem einen oder den mehreren Registern (215) gespeichert werden, verwendet werden, um Sicherheitsfunktionen eines Akkus (100) zu bestimmen, wenn der Akku (100) mit dem System (130) verbunden ist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-flüchtige Speicher (214) weiterhin einen oder mehrere Kalibrierungsparameter speichert, wobei die Steuereinrichtung angeordnet ist, um den einen oder die mehreren Kalibrierungsparameter während des Startens des Systems (130) und unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) in das eine oder die mehreren Register (215) zu laden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-flüchtige Speicher (214) einen ersten und einen zweiten Satz von Kalibrierungsparametern speichert, wobei das System (130) derart angeordnet ist, dass ein Benutzer wählen kann, ob der erste oder der zweite Satz von Kalibrierungsparametern während des Startens des Systems (130) durch die Steuereinrichtung in das eine oder die mehreren Register (215) geladen wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Signale zu empfangen, die die Spannung, den Strom und/oder die Temperatur eines Akkus (100) angeben, wenn der Akku (100) mit dem System (130) gekoppelt ist, und die in dem einen oder in den mehreren Registern (215) gespeicherten Sicherheitsparameter zu verwenden, um zu bestimmen, ob die empfangenen Signale vorbestimmte Kriterien erfüllen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Register (215) über eine Vielzahl von verschiedenen Modulen (204, 206, 208) in dem System verteilt ist, wobei wenigstens einige der Module (204, 206, 208) angeordnet sind, um Signale zu empfangen, die die Spannung, den Strom und/oder die Temperatur eines Akkus (100) angeben, wenn der Akku (100) mit dem System (130) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (130) ein Verwaltungs- und Schutzsystem für einen Li-Ionen-Akku ist.
Verfahren zum Betreiben eines Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystems, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Laden von durch einen Benutzer programmierbaren Sicherheitsparametern aus einem nicht-flüchtigen Speicher in ein Register während des Startens des Systems.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zentrale Verarbeitungseinheit enthält und das Laden des Sicherheitsparameters in das Register unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch einen Schritt zum Verwenden des in dem Register gespeicherten Sicherheitsparameters, um die Sicherheitsfunktion eines mit dem System gekoppelten Akkus zu bestimmen.
Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, das umfasst: ein Modul (204, 206, 208), das angeordnet ist, um Informationen zu empfangen, die Betriebseigenschaften eines Akkus (100) angeben, wenn der Akku (100) mit dem System (130) verbunden ist, wobei das Modul (204, 206, 208) ein oder mehrere Register (215) enthält, einen nicht-flüchtigen Speicher (214) zum Speichern von durch einen Benutzer konfigurierbaren Sicherheitsparametern, eine Steuereinrichtung zum Laden der Parameter aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) in die Register (215) während des Startens des Systems (130), und eine zentrale Verarbeitungseinheit (202) zum Steuern wenigstens einiger Operationen des Moduls (204, 206, 208), wobei das Modul (202) angeordnet ist, um auf die Sicherheit bezogene Akkuschutzwerte wenigstens teilweise auf der Basis von den in den Registern (215) gespeicherten Parametern vorzusehen.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Parameter während des Startens des Systems unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) in die Register (215) lädt.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Abtastungen einer oder mehrerer Akkueigenschaften auszuführen, wobei einige Abtastungen oder einzelne Messungen unter der Steuerung der zentralen Verarbeitungseinheit (202) durchgeführt werden und andere Abtastungen unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) durchgeführt werden.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) durchgeführten Abtastungen das Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um gemessene Werte einer Akkueigenschaft mit einem oder mehreren in den Registern (215) gespeicherten Parametern zu vergleichen.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Abtastungen der Spannung und der Temperatur des Akkus (100) auszuführen.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Abtastungen des Stroms des Akkus (100) auszuführen.
Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, das umfasst: ein erstes Modul (204, 206, 208) zum Bestimmen, ob eine Betriebseigenschaft eines Akkus (100) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wobei das erste Modul (204, 206, 208) ein Signal erzeugt, wenn das erste Modul (204, 206, 208) bestimmt, dass die Betriebseigenschaften des Akkus (100) nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen, ein zweites Modul (204, 206, 208) zum Steuern, ob mit dem Akku (100) gekoppelte Schalter aktiviert werden, um ein Laden und Entladen des Akkus (100) zu gestatten, ein oder mehrere Register (215), einen nicht-flüchtigen Speicher (214) zum Speichern eines durch einen Benutzer programmierbaren Sicherheitsparameters, eine Steuereinrichtung zum automatischen Laden des Sicherheitsparameters aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) in ein oder mehrere der Register (215) während des Startens des Systems (130), wobei der Sicherheitsparameter Informationen dazu spezifiziert, wie das zweite Modul (204, 206, 208) reagieren soll, wenn das erste Modul (204, 206, 208) bestimmt, dass die Betriebseigenschaft nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, und ein dediziertes Leitnetzwerk (219) zum Führen des Signals von dem ersten Modul (204, 206, 208) zu dem zweiten Modul (204, 206, 208), wobei das zweite Modul (202, 204, 206) angeordnet ist, um die Schalter in Reaktion auf das Signal zu steuern.
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das dedizierte Leitnetzwerk (219) angeordnet ist, um das Signal direkt von dem ersten Modul (204, 206, 208) zu dem zweiten Modul (204, 206, 208) zu führen.
System nach Anspruch 17, weiterhin gekennzeichnet durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), wobei das dedizierte Leitnetzwerk (219) angeordnet ist, um das Signal unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) von dem ersten Modul (204, 206, 208) zu dem zweiten Modul (204, 206, 208) zu führen.
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebseigenschaft die Spannung, der Strom oder die Temperatur des Akkus (100) ist.
System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Abtastungen der Spannung und/oder der Temperatur des Akkus (100) auszuführen.
System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (204, 206, 208) angeordnet ist, um Abtastungen des Stroms des Akkus (100) auszuführen.
Verfahren für die Verwendung in einem Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen in einem ersten Modul, ob eine Betriebseigenschaft eines mit dem System gekoppelten Akkus innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und Senden eines Signals von dem ersten Modul zu einem zweiten Modul, wenn das erste Modul bestimmt, dass die Betriebseigenschaft des Akkus nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, wobei das zweite Modul steuert, ob mit dem Akku verbundene Schalter aktiviert werden oder nicht, um ein Laden und Entladen des Akkus zu gestatten, wobei das zweite Modul auf das Signal von dem ersten Modul wenigstens teilweise auf der Basis eines in einem Register gespeicherten Sicherheitsparameters reagiert.
Verfahren nach Anspruch 23, weiterhin gekennzeichnet durch einen Schritt zum Führen des Signals von dem ersten Modul zu dem zweiten Modul über ein dediziertes Leitnetzwerk.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zentrale Verarbeitungseinheit enthält, wobei das Verfahren einen Schritt zum Führen des Signals von dem ersten Modul zu dem zweiten Modul unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, weiterhin gekennzeichnet durch einen Schritt zum automatischen Laden des Sicherheitsparameters aus einem nicht-flüchtigen Speicher in das Register während des Startens des Systems.
Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem mit einem aktiven Modus und einem oder mehreren Niedrigleistungs-Ruhemodi, wobei das System umfasst: ein Modul (204, 206, 208) zum Empfangen von Signalen, die eine Betriebseigenschaft eines Akkus (100) angeben, und zum Bestimmen, ob die Eigenschaft innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, einen Zeitgeber (240) zum Erzeugen von Ereignissen, und ein dediziertes Leitnetzwerk (219) zum Führen von entsprechenden Ereignissen von dem Zeitgeber (240) zu dem Modul (204, 206, 208), wobei das Modul (204, 206, 208) betrieben werden kann, um die Ereignisse von dem Zeitgeber (240) zu empfangen und darauf zu reagieren, auch wenn sich das System (130) in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befindet.
System nach Anspruch 27, weiterhin gekennzeichnet durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), wobei das Modul (204, 206, 208) betrieben werden kann, um unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) die Ereignisse von dem Zeitgeber (240) zu empfangen und darauf zu reagieren.
System nach Anspruch 27, weiterhin gekennzeichnet durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), wobei das Modul (204, 206, 208) betrieben werden kann, um unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) die Ereignisse von dem Zeitgeber (240) zu empfangen und darauf zu reagieren, auch wenn sich das System (130) in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befindet.
System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (204, 206, 208) betrieben werden kann, um die Ereignisse von dem Zeitgeber (240) zu empfangen und darauf zu reagieren, auch wenn sich das Modul (204, 206, 208) in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befindet, und wobei das Modul (204, 206, 208) betrieben werden kann, um nach der Ausführung von spezifizierten Aktionen, die durch die von dem Zeitgeber (240) empfangenen Ereignisse ausgelöst werden, zu dem Niedrigleistungs-Ruhemodus zurückzukehren.
Verfahren für ein Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines Ereignisses durch einen Zeitgeber, und Führen des Ereignisses von dem Zeitgeber zu einem Modul über ein dediziertes Leitnetzwerk, wobei sich das Modul in einem Niedrigleistungs-Ruhemodus befindet, und wobei das Modul nach dem Empfang des Ereignisses von dem Zeitgeber auf Taktsignale von dem Zeitgeber reagiert, auch wenn sich das Modul in dem Niedrigleistungs-Ruhemodus befindet.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine spezifizierte Aktion, die durch das Ereignis von dem Zeitgeber ausgelöst wird, durchführt und nach dem Durchführen der spezifizierten Aktion zu dem Niedrigleistungs-Ruhemodus zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zentrale Verarbeitungseinheit enthält und das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Durchführen der spezifizierten Aktion, die durch das Ereignis von dem Zeitgeber ausgelöst wird, durch das Modul unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit umfasst.
Akkuverwaltungs- und Schutzsystem für die Verbindung mit einem Akku, wobei das System umfasst: ein Modul (204, 206, 208) zum Steuern, ob ein mit dem Akku (100) gekoppelter Schaltungsaufbau einen Stromfluss in und aus dem Akku (100) gestattet, und eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), die betrieben werden kann, um zu bestimmen, ob eine Akkupackspannung spezifizierte Kriterien erfüllt, und zu veranlassen, dass das Modul (204, 206, 208) den Schaltungsaufbau steuert, um einen Stromfluss zwischen einem Akkupackanschluss und einer Zelle des Akkus (100) zu unterbinden, wenn die zentrale Verarbeitungseinheit (202) bestimmt, dass die Akkupackspannung die spezifizierten Kriterien nicht erfüllt.
System nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (202) betrieben werden kann, um die spezifizierten Kriterien für das Erfassen des Vorhandensein eines unzulässigen Ladegeräts zu verwenden.
System nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Verarbeitungseinheit (202) betrieben werden kann, um die spezifizierten Kriterien für das Erfassen eines nicht verbundenen Akkustifts zu verwenden.
Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem für die Verbindung mit einem Akku, wobei das System umfasst: ein Modul (204, 206, 208) zum Steuern, ob der mit dem Akku (100) gekoppelte Schaltungsaufbau einen Stromfluss in und aus dem Akku (100) gestattet, und eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), die betrieben werden kann, um zu bestimmen, ob eine Betriebseigenschaft des Akkus (100) spezifizierte Kriterien erfüllt, und zu veranlassen, dass das Modul (204, 206, 208) den Schaltungsaufbau steuert, um einen Stromfluss zwischen einem Akkupackanschluss und einer Zelle des Akkus (100) zu unterbinden, wenn die zentrale Verarbeitungseinheit (202) bestimmt, dass die Betriebseigenschaft die spezifizierten Kriterien nicht erfüllt, wobei die spezifizierten Kriterien einer erwarteten Differenz zwischen einer Akkuzellenspannung und einer Akkupackspannung entspricht.
Akkuverwaltungs- und Akkuschutzsystem, das umfasst: eine zentrale Verarbeitungseinheit (202), und einen Zeitgeber (240) zum Erzeugen von verschiedenen Taktereignissen unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202), wobei das System (130) angeordnet ist, um eine Kalibrierung des Systems (130) auf der Basis eines oder mehrerer der Ereignisse während des Betriebs einzuleiten.
System nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Ereignisse unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202) verwendet wird, um eine Kalibrierung des Systems (130) während des Betriebs einzuleiten, um Änderungen in der Akkuspannung oder in der Temperatur zu berücksichtigen.
System nach Anspruch 38, weiterhin gekennzeichnet durch ein dediziertes Leitnetzwerk (219) zum Führen der Ereignisse von dem Zeitgeber (240) zu anderen Modulen in dem System (130) unabhängig von der zentralen Verarbeitungseinheit (202).
System nach Anspruch 38, das umfasst: einen nicht-flüchtigen Speicher (214) zum Speichern eines programmierbaren Parameters für die Verwendung in der Kalibrierung, ein Modul (202, 204, 206), das ein oder mehrere Register (215) enthält, eine Steuereinrichtung, die angeordnet ist, um die Parameter aus dem nicht-flüchtigen Speicher (214) zu einem oder mehreren Registern (215) während des Startens des Systems (130) zu laden.