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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument betrifft ein System und ein Verfahren zum Laden einer Batterie auf eine energieeffiziente Weise.
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Hintergrund
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Hochspannungs(HV - high voltage)-Batterieladegeräte mit einer Eingangsspannung Vin in dem Bereich von 20V verwenden typischerweise Induktor-basierte Leistungswandler, die eine Wandlungseffizienz in dem Bereich von etwa 90% erreichen. Eine solche relativ niedrige Effizienz ist aufgrund der Tatsache, dass die Effizienz eines induktiven Abwärts-Leistungswandlers für Ausgangsspannungen Vout optimal ist, die nur etwas niedriger sind als die Eingangsspannung Vin, das heißt für Wandlungsverhältnisse Vout/Vin ~ 1.
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Die Batterie- oder Ausgangsspannung ist typischerweise Vout = 3,6V (d.h. < 4,2 V) und die Eingangsspannung Vin (hier auch als Übertragungsspannung bezeichnet) von einer externen Energieversorgung kann bis zu 20V sein. Als Folge davon ist das Vin/Vout-Wandlungsverhältnis relativ hoch und die Effizienz ist reduziert. Ein Parameter, der die Effizienz eines induktiven Abwärtswandlers beeinflusst, ist die Schaltfrequenz, wobei die Effizienz des Leistungswandlers typischerweise erhöht wird, wenn die Schaltfrequenz reduziert wird. Auf der anderen Seite erfordert eine angemessene Stromwelligkeit bei relativ niedrigen Schaltfrequenzen typischerweise Induktoren mit relativ hoher Induktivität. Die Größe eines Induktors nimmt typischerweise mit zunehmender Induktivität zu. Daher ist die Verwendung von Induktoren mit einer relativ hohen Induktivität typischerweise nicht kompatibel mit modernen tragbaren elektronischen Vorrichtungen, wie dünne Täblet-PCs oder Smartphones. Folglich verwenden Batterieladegeräte für tragbare elektronische Vorrichtungen typischerweise Spulen mit relativ geringer Induktivität, wodurch relativ hohe Schaltfrequenzen ausgelöst werden, und dadurch die erreichbare maximale Konversionseffizienz des Leistungswandlers des Batterieladegeräts begrenzt wird.
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US 2014/0 368 159 A1 beschreibt ein Ladesystem mit einem Adapter und einem Batterieladegerät. Das Batterieladegerät weist einen Stromschalter auf, mit dem der Strom, der über einen Bus von dem Adapter bereitgestellt wird, moduliert werden kann, um eine spezifische Strom-Wellenform zu erzeugen. Die spezifische Strom-Wellenform wird durch das Batterieladegerät generiert, wenn die Spannung auf dem Bus niedriger als 5.5V ist. So soll dem Adapter durch die Strom-Wellenform angezeigt werden, dass die Bus-Spannung auf 10V erhöht werden soll.
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US 2011/ 0 221 604 A1 beschreibt ein Ladesystem mit einem Adapter und einem Batterieladegerät. Über eine Kommunikationsleitung kann Information von dem Batterieladegerät an den Adapter übertragen werden. Die Spannung an der Leitung kann erhöht werden, wenn die Spannung am Eingang des Batterieladegeräts sinkt. Dadurch soll der Adapter veranlasst werden, die von dem Adapter bereitgestellte Spannung zu erhöhen, um einen Spannungsabfall an dem USB Kabel zwischen Adapter und Batterieladegerät zu kompensieren.
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Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem eines Vorsehens eines energieeffizienten und kompakten Systems zum Laden der Batterie einer elektronischen Vorrichtung. Das technische Problem wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiter werden Verbesserungen in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Ladesystem für eine Batterie einer elektronischen Vorrichtung beschrieben. Das Ladesystem weist einen Adapter auf, der konfiguriert ist zum Ableiten von Leistung mit einer Übertragungsspannung von einer Energiequelle. Insbesondere kann der Adapter konfiguriert sein zum Ableiten eines Übertragungsstroms bei einer Übertragungsspannung. Zum Beispiel kann die Energiequelle AC-Strom bei einer AC-Spannung vorsehen. Auf der anderen Seite ist die Übertragungsspannung typischerweise eine DC-Spannung und der Übertragungsstrom ist typischerweise ein DC-Strom. Somit kann der Adapter einen AC/DC-Wandler aufweisen zum Ableiten der Leistung mit der DC-Übertragungsspannung von dem AC-Strom, der von der Energiequelle vorgesehen wird. Der Adapter kann einen Steckdosenadapter aufweisen, das heißt der Adapter kann einen Netzstecker aufweisen zum Koppeln des Adapters mit einer (Wand)Steckdose, zum Beispiel die Steckdose einer Netzversorgung.
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Weiter weist das Ladesystem ein Batterieladegerät auf, das konfiguriert ist zum Laden einer Batterie der elektronischen Vorrichtung mit einem Batteriestrom bei einer Batteriespannung unter Verwendung der Leistung mit der Übertragungsspannung, insbesondere unter Verwendung des Übertragungsstroms bei der Übertragungsspannung. Der Batteriestrom kann auf einen vorgegebenen Soll-Ladestrom geregelt werden (zum Beispiel auf einen konstanten Soll-Ladestrom oder einen Soll-Ladestrom, der einer vorgegebenen Ladekurve folgt). Das Batterieladegerät kann als Teil der elektronischen Vorrichtung implementiert werden. Typischerweise sind der Adapter und das Batterieladegerät in getrennten physikalischen Einheiten implementiert, insbesondere in getrennten integrierten Schaltungen (ICs - integrated circuits).
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Das Ladesystem weist weiter Leistungsübertragungsmittel auf, die konfiguriert sind zum Übertragen der Leistung mit der Übertragungsspannung (d.h. der Übertragungsstrom bei der Übertragungsspannung) an das Batterieladegerät. Insbesondere können die Leistungsübertragungsmittel ein Ladekabel aufweisen, insbesondere ein USB(Universal Serial Bus)-Ladekabel, um die Leistung auf eine leitende Weise zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich können die Leistungsübertragungsmittel eine drahtlose Leistungsübertragungseinheit aufweisen (zum Beispiel als Teil des Adapters), die konfiguriert ist zum Erzeugen eines elektromagnetischen Ladefelds unter Verwendung der Leistung mit der Übertragungsspannung (d.h. der Übertragungsstrom bei der Übertragungsspannung). Die drahtlose Leistungsübertragungseinheit kann zu diesem Zweck eine Übertragungsspule aufweisen. Weiter können die Leistungsübertragungsmittel eine drahtlose Leistungsempfangseinheit aufweisen (zum Beispiel als Teil des Batterieladegeräts), die konfiguriert ist zum Ableiten von Leistung mit der Übertragungsspannung (das heißt der Übertragungsstrom bei der Übertragungsspannung) von dem elektromagnetischen Ladefeld. Die drahtlose Leistungsübertragungseinheit kann zu diesem Zweck eine Empfangsspule aufweisen.
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Zusätzlich weist das Ladesystem Kommunikationsmittel auf, die konfiguriert sind zum Übertragen von Rückkopplungsinformation, die die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom angibt, von dem Batterieladegerät an den Adapter. Insbesondere kann das Batterieladegerät ein Übertragungskommunikationsmodul aufweisen, das konfiguriert ist zum Übertragen der Rückkopplungsinformation über einen Kommunikationskanal. Weiter kann der Adapter ein Empfängerkommunikationsmodul aufweisen, das konfiguriert ist zum Empfangen der Rückkopplungsinformation über den Kommunikationskanal. Der Kommunikationskanal kann einen elektrischen Draht eines Ladekabels aufweisen, der zum Leiten der Leistung oder des Übertragungsstroms bei der Übertragungsspannung von dem Adapter an das Batterieladegerät verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Kommunikationskanal eine Funkfrequenzverbindung aufweisen, wie eine Bluetooth-Verbindung, eine WLAN-Verbindung, eine UMTS-Verbindung und/oder eine LTE-Verbindung.
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Der Adapter ist konfiguriert zum Setzen bzw. Einstellen der Übertragungsspannung und/oder des Übertragungsstroms in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation. Insbesondere kann der Adapter konfiguriert sein zum Setzen entweder der Übertragungsspannung oder des Übertragungsstroms. Als Folge davon kann Leistung an das Batterieladegerät geliefert werden derart, dass die Effizienz des Batterieladegeräts erhöht werden kann (zum Beispiel maximiert), und/oder derart, dass ein Energieverlust des Batterieladegeräts reduziert werden kann (zum Beispiel minimiert). Folglich kann ein energieeffizientes (und möglicherweise Größe-effizientes) Ladesystem vorgesehen werden.
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Insbesondere kann der Adapter konfiguriert sein zum Setzen (zum Beispiel Regeln) der Übertragungsspannung derart, dass ein Spannungswandlungsverhältnis, das in dem Batterieladegerät angewendet wird, um die Batterie mit einem Batteriestrom bei der Batteriespannung zu laden, eine Ganzzahl n gleich oder größer als 1 ist. Als Ergebnis davon kann eine Energieeffizienz weiter erhöht werden.
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Das Batterieladegerät kann einen Stromregler aufweisen, der konfiguriert ist zum Regeln des Batteriestroms zum Laden der Batterie unter Verwendung der Leistung mit der Übertragungsspannung. Weiter kann das Batterieladegerät eine Steuereinheit aufweisen, die konfiguriert ist zum Auswählen einer Ladestrategie zum Laden der Batterie und die konfiguriert ist zum Steuern des Stromreglers basierend auf der ausgewählten Ladestrategie. Die Ladestrategie kann zum Beispiel einen Soll-Ladestrom als eine Funktion des Ladezustands (SOC - state of charge) der Batterie definieren. Die Ladestrategie kann zum Beispiel vorgesehen werden zum Erhöhen (zum Beispiel Maximieren) der Lebensdauer und/oder der Anzahl von Ladezyklen der Batterie. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Bestimmen des SOCs der Batterie. Weiter kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Bestimmen des Soll-Ladestroms basierend auf dem SOC (und typischerweise basierend auf einer vorgegebenen Ladestrategie). Der Soll-Ladestrom kann von dem Stromregler verwendet werden, um den Batteriestrom auf den Soll-Ladestrom zu regeln. Dies kann erfordern, dass die Batteriespannung auf einen bestimmten Wert gesetzt wird, der einen Batteriestrom ermöglicht, der dem Soll-Ladestrom entspricht. Durch Vorsehen von Rückkopplungsinformation, die die erforderliche Batteriespannung angibt, an den Adapter, kann der Adapter die Übertragungsspannung modifizieren, wie in dem vorliegenden Dokument dargelegt, wodurch die Energieeffizienz des Ladesystems erhöht wird.
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In anderen Worten, das Batterieladegerät kann eine Steuereinheit aufweisen, die konfiguriert ist zum Bestimmen eines Soll-Ladestroms. Der Stromregler kann konfiguriert sein zum Ableiten der Batteriespannung in Abhängigkeit von dem Soll-Ladestrom, insbesondere derart, dass der Batteriestrom an dem Ausgang des Stromreglers dem Soll-Ladestrom entspricht. Somit kann die Batteriespannung über die Zeit variieren und in der Folge kann eine variierende Rückkopplungsinformation an den Adapter geliefert werden.
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Der Stromregler kann einen Batterieschalter und/oder einen Low-Drop-out(LDO)-Regler aufweisen. Weiter kann der Stromregler einen Reglerspannungsabfall Vrdrop zeigen. Der Adapter kann konfiguriert sein zum Setzen bzw. Einstellen der Übertragungsspannung in Abhängigkeit von dem Reglerspannungsabfall Vrdrop, wodurch die Energieeffizienz des Ladesystems weiter erhöht wird. Aus Gründen der Effizienz ist es insbesondere vorteilhaft, Vrdrop zu minimieren, was der Fall ist, wenn der Batterieschalter geschlossen ist (das heißt, wenn der LDO in einem Bypass-Modus arbeitet). Sobald der LDO eine Dropout-Spannung durch die Regelung einsetzt, nimmt der Energieverlust zu und die Effizienz nimmt ab. Somit kann es vorteilhaft sein, die Aufgabe eines Regelns des Batteriestroms an den Adapter zu übertragen, der konfiguriert sein kann zum Vorsehen eines (geregelten) Übertragungsstroms in Abhängigkeit von einem erforderlichen Batteriestrom.
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Das Batterieladegerät kann einen Leistungswandler aufweisen, der konfiguriert ist zum Durchführen einer Abwärtswandlung der Übertragungsspannung um ein Wandlungsverhältnis n, wobei n eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist. Leistungswandler mit diesem Merkmal können besonders hohe Wandlungseffizienzen zeigen. Dies ist insbesondere der Fall für einen Leistungswandler, der einen kapazitiven Leistungswandler aufweist oder diesem entspricht. Der Adapter kann konfiguriert sein zum Setzen der Übertragungsspannung in Abhängigkeit von dem Wandlungsverhältnis n. Folglich kann die Energieeffizienz des Ladesystems weiter erhöht werden.
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Der Leistungswandler kann einen Wandlerspannungsabfall Vcdrop zeigen. Der Adapter kann konfiguriert sein zum Setzen der Übertragungsspannung in Abhängigkeit von dem Wandlerspannungsabfall Vcdrop, wodurch die Energieeffizienz des Ladesystems weiter erhöht wird.
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Der Adapter kann einen Spannungsregler aufweisen, der konfiguriert ist zum Regeln der Übertragungsspannung in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation. Insbesondere kann die Übertragungsspannung Vin geregelt werden, um Vin = n x (Vbat + Vcdrop) + Vrdrop zu entsprechen, wobei Vbat die gewünschte Batteriespannung ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Übertragungsspannung derart gesetzt oder geregelt werden, dass die Batteriespannung von der Übertragungsspannung durch das Batterieladegerät unter Verwendung einer Spannungsabwärtswandlung mit einem Wandlungsverhältnis von n ableitbar ist, wobei n eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist.
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Der Adapter kann konfiguriert sein zum Begrenzen eines maximalen Übertragungsstroms in Übereinstimmung mit der Strombelastbarkeit des Batterieladegeräts, des Leistungswandlers, des Leistungsübertragungspfads (zum Beispiel das Ladekabel oder das drahtlose Leistungsübertragungsmittel) oder in Übereinstimmung mit einem maximalen Batteriestrom.
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Weiter kann der Adapter konfiguriert sein zum Vorsehen eines konstanten Übertragungsstroms, wobei die Übertragungsspannung entsprechend geregelt ist. Die Übertragungsspannung kann auf einen Maximalpegel begrenzt sein, der von der Eingangsbetriebsspannung des Batterieladegeräts abgeleitet sein kann oder der durch die maximale Batteriespannung (plus den Spannungsabfall in dem Leistungswandler) multipliziert mit dem Wandlungsverhältnis n bestimmt werden kann. Eine derartige Konfiguration kann ein Entfernen des Batterieladegeräts oder des Stromreglers und seines Verlusts ermöglichen.
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Somit kann der Adapter konfiguriert sein zum Setzen (zum Beispiel Regeln) des Übertragungsstroms in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation derart, dass die Batteriespannung von der Übertragungsspannung durch das Batterieladegerät unter Verwendung (nur) einer Spannungsabwärtswandlung mit einem Wandlungsverhältnis von n ableitbar ist, wobei n eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist. Zu diesem Zweck kann der Adapter einen Stromregler aufweisen. Als Folge davon kann das Batterieladegerät ohne einen Stromregler vorgesehen werden, wodurch die Effizienz des Batterieladegeräts weiter erhöht wird.
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Der Adapter kann konfiguriert sein zum Regeln der Übertragungsspannung derart, dass der Übertragungsstrom einen vorgegebenen maximalen Übertragungsstrom nicht übersteigt. Alternativ kann der Adapter konfiguriert sein zum Regeln des Übertragungsstroms derart, dass die Übertragungsspannung eine vorgegebene maximale Übertragungsspannung nicht übersteigt. Der maximale Übertragungsstrom und/oder die maximale Übertragungsspannung können/kann fest sein. Alternativ können/kann der maximale Übertragungsstrom und/oder die maximale Übertragungsspannung durch das Batterieladegerät über das Kommunikationsmittel gesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Adapter für ein Ladesystem zum Laden einer Batterie einer elektronischen Vorrichtung beschrieben. Der Adapter weist ein Empfängerkommunikationsmodul auf, das konfiguriert ist zum Empfangen von Rückkopplungsinformation, die eine Batteriespannung und/oder einen Batteriestrom angibt, die/der zum Laden der Batterie zu verwenden ist. Insbesondere kann die Batteriespannung durch einen Stromregler eines entsprechenden Batterieladegeräts verwendet werden zum Setzen bzw. Einstellen eines Batteriestroms in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Soll-Ladestrom. Die Batteriespannung kann über die Zeit variieren, um einen Batteriestrom vorzusehen, der in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Soll-Ladestrom (zum Beispiel ein konstanter Soll-Ladestrom) gesetzt ist (zum Beispiel geregelt).
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Weiter weist der Adapter einen Spannungsregler und/oder einen Stromregler auf, die konfiguriert sind zum Ableiten von Leistung (zum Beispiel ein Übertragungsstrom) mit einer Übertragungsspannung von einer Energiequelle, in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation. Insbesondere kann die Übertragungsspannung in Abhängigkeit von der Batteriespannung abgeleitet werden, die zum Laden der Batteriespannung zu setzen ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Übertragungsstrom in Abhängigkeit von dem Batteriestrom abgeleitet werden, der zum Laden einer Batterie zu verwenden ist. In Anbetracht der Tatsache, dass die Batteriespannung und/oder der Batteriestrom über die Zeit variieren können/kann, können/kann die Übertragungsspannung und/oder der Batteriestrom entsprechend über die Zeit variieren. Zusätzlich weist der Adapter eine Leistungsübertragungsschnittstelle auf (zum Beispiel ein geeigneter Stecker oder eine Buchse) zum Vorsehen der Leistung (zum Beispiel den Übertragungsstrom) mit der Übertragungsspannung über Leistungsübertragungsmittel (zum Beispiel über ein Ladekabel) an ein Batterieladegerät zum Laden der Batterie.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batterieladegerät zum Laden einer Batterie einer elektronischen Vorrichtung beschrieben. Das Batterieladegerät weist eine Leistungsempfangsschnittstelle (zum Beispiel ein geeigneter Stecker oder eine Buchse) auf zum Empfangen von Leistung (zum Beispiel einen Übertragungsstrom) mit einer Übertragungsspannung über Leistungsübertragungsmittel (zum Beispiel über ein Ladekabel). Weiter kann das Batterieladegerät einen Stromregler aufweisen, der konfiguriert ist zum Regeln eines Batteriestroms zum Laden der Batterie unter Verwendung der Leistung mit der Übertragungsspannung. Der Batteriestrom ist bei einer Batteriespannung vorzusehen. Insbesondere kann der Stromregler konfiguriert sein zum Setzen der Spannung an dem Ausgang des Stromreglers derart, dass die Batterie mit dem (zum Beispiel konstanten) Batteriestrom geladen wird. Die Batteriespannung kann über die Zeit variieren. Insbesondere kann die Batteriespannung mit dem Ladezustand (SOC - state of charge) der Batterie variieren.
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Das Batterieladegerät kann ein Übertragungskommunikationsmodul aufweisen, das konfiguriert ist zum Übertragen von Rückkopplungsinformation, die die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom angibt, über einen Kommunikationskanal. Als Folge davon kann ein entsprechender Adapter die Rückkopplungsinformation verwenden zum Vorsehen der Leistung mit der Übertragungsspannung, wobei die Übertragungsspannung von der Rückkopplungsinformation abhängig sein kann (insbesondere von der Batteriespannung und/oder dem Batteriestrom, die zum Laden der Batterie zu verwenden sind (zum Beispiel an dem Ausgang des Stromreglers)).
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie einer elektronischen Vorrichtung unter Verwendung eines Adapters und eines Batterieladegeräts beschrieben. Der Adapter und das Batterieladegerät sind voneinander getrennt. Das Verfahren weist ein Ableiten von Leistung (zum Beispiel einen Übertragungsstrom) mit einer Übertragungsspannung von einer Energiequelle unter Verwendung des Adapters auf. Weiter weist das Verfahren ein Übertragen der Leistung (zum Beispiel den Übertragungsstrom) mit der Übertragungsspannung von dem Adapter an das Batterieladegerät auf. Zusätzlich weist das Verfahren ein Laden der Batterie der elektronischen Vorrichtung mit einem Batteriestrom bei einer Batteriespannung auf, wobei der Batteriestrom von der Leistung (zum Beispiel dem Übertragungsstrom) mit der Übertragungsspannung unter Verwendung des Batterieladegeräts abgeleitet ist. Das Verfahren weist weiter ein Übertragen von Rückkopplungsinformation, die die Batteriespannung und/oder den Batteriestrom angibt, von dem Batterieladegerät zu dem Adapter auf, wobei die Übertragungsspannung und/oder der Übertragungsstrom durch den Adapter in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation gesetzt werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument beschrieben, eigenständig oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Systemen verwendet werden können, die in diesem Dokument offenbart werden. Weiter sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems dargelegt werden, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Weiter können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument offenbart werden, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche miteinander in beliebiger Weise kombiniert werden.
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In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander stehen, entweder direkt verbunden, zum Beispiel über Drähte, oder auf andere Weise.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zum Laden einer Batterie zeigt;
- 2 ein Blockdiagramm eines weiteren beispielhaften Systems zum Laden einer Batterie zeigt; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Laden einer Batterie zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie oben dargelegt, adressiert das vorliegende Dokument das technische Problem eines Ladens der Batterie einer elektronischen Vorrichtung auf eine Energie- und Platz-effiziente Weise. Insbesondere ist es wünschenswert, die Effizienz eines Ladesystems (und insbesondere des Leistungswandlers, der in dem Batterieladegerät des Ladesystems enthalten ist) auf 95% oder mehr zu erhöhen, um einen Energieverlust in der elektronischen Vorrichtung zu verringern.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Ladesystems 100, wobei das Ladesystem 100 einen Steckdosenadapter 110, ein Ladekabel 120 (zum Beispiel ein USB-Kabel) und ein Batterieladegerät 130 aufweist. Typischerweise ist das Batterieladegerät 130 in einer elektronischen Vorrichtung, wie einem Smartphone oder einem Tablet-PC, aufgenommen, um eine Batterie 140 der elektronischen Vorrichtung zu laden. Der Adapter 110 weist einen AC/DC-Regler 111 (insbesondere einen Spannungsregler) auf, der konfiguriert ist zum Erzeugeneiner DC(Direct Current)-Übertragungsspannung 121 von einer AC(Alternating Current)-Quellenspannung (zum Beispiel von einer AC-Netzspannung mit zum Beispiel 110V, 220V oder 240 V). Die DC-Übertragungsspannung 121 wird über das Ladekabel 120 an einen Leistungswandler 131 des Batterieladegeräts 130 vorgesehen, wobei der Leistungswandler 131 konfiguriert ist zum Umwandeln der Übertragungsspannung 121 in eine Systemspannung 135, wobei die Systemspannung 135 typischerweise der Batteriespannung Vbat 141 entspricht, die zum Laden der Batterie 140 verwendet wird, plus einer Abfallspannung Vcdrop an der Ladeeinheit 133 (die einen Stromregler aufweisen kann oder ein Stromregler sein kann).
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Die Ladeeinheit 133 (oder der Stromregler) kann konfiguriert sein zum Vorsehen eines vorgegebenen Batteriestroms bei einer (typischerweise variierenden) Batteriespannung 141 an die Batterie 140 zum Laden der Batterie 140. Zu diesem Zweck kann die Ladeeinheit 133 einen Batterieschalter und/oder einen Batterieregler (zum Beispiel einen LDO(Low-Drop-out)-Regler) sowie Stromerfassungsmittel zum Erfassen des Batteriestroms aufweisen. Die Ladeeinheit 133 kann unter Verwendung einer Steuereinheit 134 gesteuert werden. Insbesondere kann die Ladeeinheit 133 derart gesteuert werden, dass ein Batteriestrom in Übereinstimmung mit einem (vorgegebenen) Soll-Ladestrom vorgesehen wird.
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Weiter weist das Ladesystem 100 Kommunikationsmittel auf, die dem Batterieladegerät 130 ermöglichen, mit dem Adapter 110 zu kommunizieren. Insbesondere ermöglichen die Kommunikationsmittel dem Batterieladegerät 130, eine Rückkopplungsinformation an den Adapter 110 vorzusehen. Weiter kann der Adapter 110 konfiguriert sein zum Anpassen des Betriebs des AC/DC-Reglers 111 in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation. Die Kommunikationsmittel weisen ein Kommunikationsmodul 132 in dem Batterieladegerät 130 und ein entsprechendes Kommunikationsmodul 112 in dem Adapter 110 auf. Die Rückkopplungsinformation kann von dem Kommunikationsmodul 132 des Batterieladegeräts 130 über das Ladekabel 120 (zum Beispiel über einen Kommunikationsdraht 122 des Ladekabels 120) an das Kommunikationsmodul 112 des Adapters 110 übertragen werden. Die Rückkopplungsinformation kann von der Steuereinheit 134 des Batterieladegeräts 130 vorgesehen werden. Die Rückkopplungsinformation kann die Batteriespannung 141 angeben oder dieser entsprechen, die von der Ladeeinheit 133 zum Laden der Batterie 140 zu verwenden ist.
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Unter Verwendung einer bidirektionalen Kommunikation zwischen dem Batterieladegerät 130 und dem Adapter 110 kann der Adapter 110 das Batterieladegerät 130 während einer anfänglichen Verhandlung über seine Fähigkeiten informieren (zum Beispiel die maximale Spannung und/oder der maximale Strom). Der Adapter 110 kann auch eine Bestätigung auf Anweisungen senden, die von dem Batterieladegerät 130 empfangen werden, oder einen Kommunikationsfehler markieren (zum Beispiel eine ungültige Anweisung).
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Wie oben angegeben, ist es ein Ziel des vorliegenden Dokuments, eine Effizienz des Batterieladegeräts 130 zu erhöhen (zum Beispiel maximieren). Zu diesem Zweck kann die Übertragungsspannung 121 (die auch als die Eingangsspannung des Batterieladegeräts 130 bezeichnet wird) gesetzt bzw. eingestellt werden, genau das n-fache der Batteriespannung Vbat 141 plus der Abfallspannung Vcdrop über die Ladeeinheit 133 und möglicherweise plus einen gewissen Spannungsabfall Vpdrop in dem Leistungswandler 131 zu sein. Dies kann erreicht werden durch Regeln der Spannung an dem Ausgang des AC/DC-Reglers 111 in Abhängigkeit von der erforderlichen Batteriespannung Vbat 141. Wie in 1 dargestellt, kann die Kommunikation von dem Batterieladegerät 130 zu dem Adapter 110 über eine Steckdosen-Kommunikation unter Verwendung des Ladekabels 120 stattfinden. Insbesondere können die Batteriespannung 141 und/oder die erforderliche Übertragungsspannung 121 als Rückkopplungsinformation an den Adapter 110 kommuniziert werden. Der AC/DC-Regler 111 kann dann derart betrieben werden, dass die erforderliche Übertragungsspannung 121 an den Eingang des Batterieladegeräts 130 vorgesehen wird.
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Der Leistungswandler 131 kann einen kapazitiven Leistungswandler aufweisen. Weiter kann der Leistungswandler 131 konfiguriert sein zum Vorsehen eines ganzzahligen Abwärtswandlungsverhältnisses n auf eine energieeffiziente Weise, wie es der Fall ist zum Beispiel bei einer Verwendung eines geeignet ausgelegten kapazitiven Leistungswandlers. Als Ergebnis eines Vorsehens einer Eingangsspannung 141 an den Leistungswandler 131, die das n-fache der gewünschten Batteriespannung 141 ist (typischerweise plus Spannungsabfällen an dem Leistungswandler 131 und/oder der Ladeeinheit 133), kann der Leistungswandler 131 bei einem optimalen Betriebspunkt mit einer maximalen Wandlungseffizienz betrieben werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass eine Kommunikation zwischen dem Batterieladegerät 130 und dem Adapter 110 nicht auf eine Kommunikation über ein Kabel 120 (zum Beispiel über USB-Kabel) beschränkt ist. Wie in dem Ladesystem 200 von 2 gezeigt, kann eine drahtlose Kommunikation 222 mit einem Steckdosenadapter 110 durchgeführt werden unter Verwendung geeigneter drahtloser Kommunikationsmodule 232, 212. Beispielhafte drahtlose Kommunikationsschemen sind Bluetooth, Drahtloses LAN, UMTS, LTE usw.
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Weiter ist anzumerken, dass das Ladesystem 200 konfiguriert sein kann zum Durchführen einer drahtlosen Leistungsübertragung 221 unter Verwendung eines drahtlosen Leistungssenders 211 an dem Adapter 110 und eines entsprechenden drahtlosen Leistungsempfängers 231 an dem Batterieladegerät 130. Eine drahtlose Leistungsübertragung 221 verwendet typischerweise Induktoren für eine Leistungsübertragung. Ein Beispiel für eine induktive Leistungsübertragung ist der Qi-Standard.
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Es sollte angemerkt werden, dass für den Fall von n = 1 der Leistungswandler 131 umgangen und/oder entfernt werden kann, wodurch die Energieeffizienz des Ladesystems 100, 200 weiter erhöht wird.
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Somit kann ein integrierter kapazitiver Wandler 131 in dem Batterieladegerät 130 verwendet werden, um die Eingangsspannung 121 zu teilen. Der kapazitive Wandler 131 kann in Kombination mit einer Regelschleife verwendet werden, um die Eingangsspannung 121 dynamisch auf genau n x (Vbat + Vcdrop) zu steuern. Alternativ oder zusätzlich kann der kapazitive Wandler 131 verwendet werden zum Steuern eines konstanten Stroms, der an die Batterie 140 zu liefern ist. Ein kapazitiver Wandler 131 kann eine hohe Effizienz erreichen, solange das Wandlungsverhältnis Vin/Vout des Wandlers 131 ein ganzzahliges Verhältnis ist. Eine typische Implementierung kann ein kapazitiver 2:1-Wandler sein. Keine Regelung kann in dem kapazitiven Wandler 131 verwendet werden, wodurch eine optimale Effizienz des kapazitiven Wandlers 131 vorgesehen wird.
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Ein weiterer Vorteil eines kapazitiven Wandlers 131 im Vergleich zu einem Induktor-basierten Leistungswandler ist die 10-1000 höhere Energiedichte eines Kondensators im Vergleich zu einem Induktor. Dadurch können die Energiespeicherelemente, die in dem kapazitiven Wandler 131 verwendet werden, extrem klein sein, auch wenn die Schaltfrequenz des kapazitiven Wandlers 131 relativ niedrig ist.
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Die Ladesysteme 100, 200 der 1 und 2 verwenden den AC/DC-Regler 111 des Adapters 110, um die Systemspannung 135 an dem Eingang zu der Ladeeinheit 133 zu regeln. Zu diesem Zweck wird Rückkopplungsinformation, die die Batteriespannung Vbat 141 angibt, an den Adapter 110 unter Verwendung von Kommunikationsmitteln vorgesehen. Insbesondere kann eine (geschlossene Schleife) Kommunikation zwischen der integrierten Schaltung (IC - integrated circuit) des Batterieladegeräts 103 in der elektronischen Vorrichtung und der IC des Reglers 111 in der externen Energieversorgung 110 (d.h. in dem Adapter 110) vorgesehen werden.
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Die Schleife kann an dem AC/DC-Regler 111 „geschlossen“ werden durch Ändern der Übertragungsspannung. Es sollte angemerkt werden, dass eine höhere Spannung auch einen höheren Strom auslösen kann, was einen höheren Spannungsabfall in den Stromzufuhrkomponenten des Systems 100 bewirkt. Als Ergebnis kann die Übertragungsspannung an dem Eingang des Batterieladegeräts 130 weniger zunehmen als an den AC/DC-Regler 111 angewiesen. In dem Fall eines Konfigurierens eines konstanten Stroms kann das Vorsehen eines derartigen Stroms unter Verwendung des Systems 100 als eine Schleifen-Schließung betrachtet werden. Jedoch muss in dem Fall einer maximalen Übertragungsspannung der konfigurierte Strom nicht immer an das Batterieladegerät 130 vorgesehen werden.
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Die Kommunikation kann über das Ladekabel 120 stattfinden, wobei verschiedene Techniken verwendet werden können, wie VBUS-Signalisierung, D+/D-Signalisierung und/oder Kommunikation über einen Typ-C-Verbinder des Kabels 120. Alternativ oder zusätzlich kann die Kommunikation zwischen der Ladegerät- - IC und der Regler-IC in dem Steckdosenadapter 110 unter Verwendung einer drahtlosen Verbindung implementiert werden. Eine typische Anwendung ist ein drahtloses Laden. Die Kommunikation mit dem Leistungssender (d.h. mit dem Adapter 110) kann über eine Lastmodulation und/oder über eine drahtlose Funkfrequenz(RF - radio frequency)-Verbindung (Bluetooth, etc.) implementiert werden, wie zum Beispiel durch den drahtlosen Rezence™-Leistungsladestandard spezifiziert.
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Die Ladesysteme 100, 200 der 1 und 2 ermöglichen eine Leistungswandlung mit hoher Effizienz, auch bei Wandlungsraten von Vin/Vout = 2, 3, 4... Als eine Folge kann die Übertragungsspannung 121 erhöht werden, wodurch die Übertragung einer höheren Menge an Leistung unter Verwendung desselben Leistungskabels 120 (Draht/Verbinder) mit hoher Effizienz (von zum Beispiel 95%) und einem geringen Energieverlust in dem Batterieladegerät 130 (zum Beispiel eine Verringerung von 50%) möglich wird. Somit ermöglichen die Ladesysteme 100, 200 ein energieeffizientes Hochspannungs(HV - high voltage)-Batterieladen.
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Wie oben angegeben, bei einem Wandlungsverhältnis Vin/Vout = 1 kann der Leistungswandler 131 von dem Batterieladegerät 130 entfernt werden. Als Folge davon wird die Übertragungsspannung 121 direkt an die Ladeeinheit 133 geliefert, die konfiguriert sein kann zum Vorsehen eines geregelten Batteriestroms zum Laden an die Batterie 140. In einem solchen Fall wird die Übertragungsspannung 121 durch den Regler 111 des Adapters 110 auf die Batteriespannung 141 plus den Spannungsabfall über die Ladeeinheit 133 gesetzt. Als Folge davon können ein Energieverlust und Platzanforderungen des Batterieladegeräts 120 weiter reduziert werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Laden einer Batterie 140 einer elektronischen Vorrichtung. Die Batterie 140 kann eine oder mehrere Batteriezelle(n) aufweisen, die in Serie und/oder parallel angeordnet sein kann/können. Die Batteriezellen können zum Beispiel unter Verwendung einer Lilon-Technologie implementiert werden. Die elektronische Vorrichtung kann eine tragbare elektronische Vorrichtung aufweisen, wie ein Smartphone oder einen Tablet-PC. Das Verfahren 300 kann unter Verwendung eines Adapters 110 und eines Batterieladegeräts 130 implementiert werden, wobei der Adapter 110 und das Batterieladegerät 130 typischerweise voneinander getrennt sind.
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Das Verfahren 300 weist ein Ableiten 301 von Leistung mit einer Übertragungsspannung 121 von einer Energiequelle (zum Beispiel von einer Netzversorgung) unter Verwendung des Adapters 110 auf. Die Übertragungsspannung 121 ist eine DC-Spannung, wobei die Energiequelle einen AC-Strom bei einer AC-Spannung vorsehen kann. Das Verfahren 300 weist weiter auf ein Übertragen 302 der Leistung mit der Übertragungsspannung 121 von dem Adapter 110 an das Batterieladegerät 130 (zum Beispiel unter Verwendung eines leitenden Ladekabels oder unter Verwendung einer drahtlosen Leistungsübertragungstechnologie).
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Weiterhin weist das Verfahren 300 auf ein Laden 303 der Batterie 140 der elektronischen Vorrichtung mit einem Batteriestrom bei einer Batteriespannung 141, wobei der Batteriestrom typischerweise von der Leistung mit der Übertragungsspannung 121 unter Verwendung des Batterieladegeräts 130 abgeleitet wird. Insbesondere kann ein geregelter Batteriestrom (zum Beispiel auf einen konstanten Soll-Ladestrom geregelt) zum Laden der Batterie 140 vorgesehen werden. Zu diesem Zweck kann das Batterieladegerät 130 einen Stromregler 133 (hier auch als eine Ladeeinheit bezeichnet) aufweisen.
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Das Verfahren 300 kann weiter ein Übertragen 304 von Rückkopplungsinformation, die die Batteriespannung 141 angibt, von dem Batterieladegerät 130 an den Adapter 110 aufweisen. Die Übertragungsspannung 121 kann dann von dem Adapter 110 in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation gesetzt werden. Insbesondere kann die Übertragungsspannung 121 in Abhängigkeit von der Rückkopplungsinformation geregelt werden. Zum Beispiel kann die Übertragungsspannung 121 derart gesetzt werden (zum Beispiel geregelt), dass eine Spannungsabwärtswandlung, die in dem Batterieladegerät 130 durchzuführen ist, um die Batteriespannung 141 zu erlangen, eine Ganzzahl n ist, die gleich oder größer ist als 1. Insbesondere kann eine Abweichung zwischen einem Soll-Abwärtswandlungsverhältnis n und einem tatsächlichen Abwärtswandlungsverhältnis bestimmt werden. Die Übertragungsspannung 121 kann derart gesetzt werden (zum Beispiel geregelt), dass eine Größe der Abweichung reduziert wird (zum Beispiel minimiert). Als Folge davon kann eine Energieeffizienz zum Laden der Batterie erhöht werden.
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Wie in 3 zu sehen ist, kann der Prozess zum Übertragen 304 von Rückkopplungsinformation und zum Ableiten 301 von Leistung mit der Übertragungsspannung 121 basierend auf der Rückkopplungsinformation auf eine iterative Weise wiederholt werden. Insbesondere kann eine (kontinuierliche) Regelschleife implementiert werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute auf dem Gebiet werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Weiter sind alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargestellt werden, ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken vorgesehen, um dem Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.
