DE10203909C1 - Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine wiederaufladbare Batterie - Google Patents
Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine wiederaufladbare BatterieInfo
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Abstract
Eine Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine wiederaufladbare Batterie vermag eine an den Ladeanschlüssen anliegende, temporäre Überspannung von einer dauerhaften Überspannung zu unterscheiden und im letzteren Fall aus Sicherheitsgründen die Batterie endgültig von den Ladeanschlüssen zu trennen. Hierzu umfaßt die Schutzschaltung entweder parallel zu dem Laststromschalter (LS) oder parallel zu den Ladeanschlüssen eine Anzahl von Teilschaltern (15[1:]) und einen Überspannungsdetektor (10), der bei einer Überspannung alle Teilschalter über eine Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die anschließend einen Teilschalter nach dem anderen öffnet. Ein die Restspannung über den Teilschaltern überwachender Spannungsdetektor (16) sperrt jedoch das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein gegebener Restspannungswert ist. Wenn der Zyklus innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. bei Zeitablauf mindestens noch der letzte Teilschafter geschlossen ist, löst die Steuerschaltung die dauerhafte Abtrennung der Batterie von den Ladeanschlüssen aus.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lade/Entlade-Schutzschaltung
für eine über eine Schmelzsicherung abgesicherte, wieder
aufladbare Batterie, mit einer Steuerschaltung, die einen
Laststromschalter in Abhängigkeit von den Werten der Batte
riespannung, der Spannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen
der Schutzschaltung und dem Lade- oder Entladestrom
schließt oder öffnet.
Derartige Schutzschaltungen werden insbesondere in sog.
battery packs für Mobiltelefone eingesetzt und überwachen
unter anderem die Ladeschlussspannung und die Entlade
schlussspannung der Batterie sowie den maximal zulässigen
Lade- und Entladestrom. Bei unzulässigen Werten öffnen sie
den Laststromschalter. Ein Beispiel einer solchen Schutz
schaltung ist aus der DE 197 37 775 A1 bekannt. Diese
Schutzschaltung kann insbesondere zwischen einer einzigen
Lithiumionenzelle und der Elektronik eines Mobiltelefons
angeordnet sein.
Alle Hersteller bieten auf ihre Mobiltelefone und deren
Batterie abgestimmte, spezielle Ladegeräte an. Dennoch wird
mitunter versucht, die Batterie unter Verwendung eines
Fremdladegerätes wiederaufzuladen. So ist aus dem vorste
hend genannten Dokument eine Schutzschaltung bekannt, die
unter anderem eine z. B. von einem defekten Ladegerät oder
einem Fremdladegerät gelieferte, zu hohe Ladespannung er
kennt und die Batterie zur Vermeidung einer gefährlichen
Überladung sicher abtrennt, bevor die Schutzschaltung
selbst durch die Überspannung zerstört wird. Die Schutz
schaltung kann allerdings nicht zwischen einer nur kurzzei
tig anliegenden und einer dauerhaft anliegenden Überspan
nung unterscheiden, trennt also auch dann die Batterie
dauerhaft von den Lade/Entlade-Anschlüssen ab und wird
gegebenenfalls auch selbst zerstört, wenn die Überspannung
lediglich durch einen auf eine erhöhte Leerlaufspannung
eines Ladegerätes aufgeladenen Kondensator geliefert wird.
Eine derartige Schutzschaltung gilt auch aus der DE 101 03 336 C1
als bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschal
tung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die
eine kurzzeitig an den Lade/Entlade-Anschlüssen anliegende
Überspannung von einer dauerhaft anliegenden Überspannung
zu unterscheiden vermag. Im ersteren Fall soll die Über
spannung sicher abgeleitet, im letzteren Fall die Batterie
dauerhaft abgetrennt werden.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Schutz
schaltung der einleitend angegebenen Gattung darin, dass
parallel zu dem Laststromschalter eine Anzahl von Teil
schaltern liegt, dass ein Überspannungsdetektor bei einer
Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen alle Teil
schalter über eine Steuerlogik schließt, die anschließend
zyklisch fortschaltend einen Teilschalter nach dem anderen
öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern
überwachender Spannungsdetektor das Öffnen des jeweils
nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über
den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgege
bener Restspannungswert ist und dass die Steuerlogik die
dauerhafte Abtrennung der Batterie von den Lade/Entlade-
Anschlüssen auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vor
gegebenen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist,
d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen
ist.
Eine zweite Lösung der genannten Aufgabe besteht darin,
dass parallel zu den Lade/Entlade-Anschlüssen eine Kurz
schlussschalteranordnung aus parallel geschalteten Teil
schaltern liegt, dass ein Überspannungsdetektor bei einer
Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen alle Teil
schalter über eine Steuerlogik schließt, die anschließend
zyklisch fortschaltend einen Teilschalter nach dem anderen
öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern
überwachender Spannungdetektor das Öffnen des jeweils näch
sten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über den
noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgegebener
Restspannungswert ist und dass die Steuerlogik die dauer
hafte Abtrennung der Batterie von den Lade/Entlade-An
schlüssen auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vorgege
benen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist,
d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen
ist.
Beide Lösungen haben den Grundgedanken gemeinsam, eine
temporäre Überspannung über einen niederohmigen Strompfad,
der im Fall der ersten Lösung über die Batterie und im Fall
der zweiten Lösung über die Kurzschlussschalteranordnung
führt, kurzzuschließen, periodisch in rascher Folge mit
entsprechend der abnehmenden Zahl noch geschlossener Teil
schalter und damit zunehmendem Schalterdurchlaßwiderstand
zu prüfen, ob der Kurzschlussstrom verschwindet und nur
dann, wenn dies innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht der
Fall ist, die Batterie aus Sicherheitsgründen dauerhaft und
endgültig von den Lade/Entlade-Anschlüssen abzutrennen, im
anderen Fall jedoch die normale Funktion der Lade/Entlade-
Schutzschaltung zuzulassen. Dabei hat der Einsatz mehrerer
paralleler Teilschalter auch den Zweck, zunächst einen so
niederohmigen Strompfad zu schaffen, daß auch ein hoher
Kurzschlußstrom, den z. B. ein geladener Kondensator ver
ursacht, keine unzulässig hohe Spannung an den Anschlüssen
der Schutzschaltung erzeugt und damit deren Funktion ge
fährdet.
Vorzugsweise umfasst die Steuerlogik zur dauerhaften Ab
trennung der Batterie einen deren Anschlüsse über die Si
cherung verbindenden, gesteuerten Schalter, den die Steuer
logik schließt, wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitinter
valls mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen
ist (Anspruch 3). Die Batterie liefert dann einen die Si
cherung zerstörenden Kurschlussstrom.
Zur Realisierung des Zeitkriteriums kann die Steuerlogik
einen Timer umfassen, dessen Verzögerungszeit länger als
das vorgegebene Zeitintervall zum zyklischen Öffnen sämtli
cher Teilschalter ist, und der nach Ablauf seiner Verzöge
rungszeit ein Signal liefert, das die dauerhafte Abtrennung
der Batterie auslöst (Anspruch 4), also insbesondere das
Signal, das den zuvor genannten Schalter schließt, der die
Batterie über die Sicherung verbindet.
Um sicherzustellen, dass die Schutzschaltung nach Erkennung
einer Überspannung auch dann, wenn letztere, z. B. weil sie
von einem Kondensator kleiner Kapazität geliefert wird,
frühzeitig wegfällt, wieder in ihren Ausgangszustand zu
rückkehrt, kann die Steuerlogik ein RS-Flipflop zur Spei
cherung einer erkannten Überspannung umfassen, wobei der
Ausgang des RS-Flipflops mit den Freigabeeingängen des
Timers und einer Schalterlogik verbunden ist, die ein Takt
signal erhält und zyklisch fortschreitend die Steuersignale
zum Öffnen eines Teilschalters nach dem anderen liefert,
solange an ihrem weiteren Eingang das Ausgangssignal des
Spannungsdetektors anliegt, das einer Restspannung über den
noch geschlossenen Teilschaltern entspricht, die höher als
der vorgegebene Restspannungswert ist (Anspruch 5).
Zweckmäßig erhält dann das RS-Flipflop an seinem Rücksetz
eingang ein von dem den letzten Teilschalter steuernden
Schaltsignal abgeleitetes Rücksetzsignal (Anspruch 6).
Eine Weiterbildung der Schutzschaltung erkennt, ob nach dem
Anschließen eines Ladegerätes, das kurzzeitig eine Über
spannung abgibt, innerhalb einer vorgegebenen Zeit erneut
eine (kurzfristige oder dauerhafte) Überspannung auftritt,
z. B. weil das Ladegerät defekt ist. Diese Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgang des Überspan
nungsdetektors mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes
verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang einer
Speicherschaltung verbunden ist, deren Eingang ebenfalls
mit dem Ausgang des Überspannungsdetektors verbunden ist
und die nach dem ersten Überspannungsereignis den zweiten
Eingang des UND-Gliedes während einer vorgegebenen Zeit,
die länger als die Zykluszeit ist, auf "1" setzt, so dass
das nächste während dieser vorgegebenen Zeit auftretende
Überspannungsereignis am Ausgang des UND-Gliedes eine "1"
erzeugt und dadurch die dauerhafte Abtrennung der Batterie
auslöst (Anspruch 7).
Die Zeichnung veranschaulicht blockschaltbildartig zwei
Ausführungsbeispiele. Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei der eine Über
spannung über die Batterie kurzgeschlossen wird,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, bei der eine Über
spannung über eine Kurzschlußschalteranordnung
kurzgeschlossen wird und
Fig. 3 eine im Zusammenhang mit der ersten und der zwei
ten Ausführungsform realisierbare Verbesserung.
Die in dem Fig. 1 und 2 dargestellte Schutzschaltung
liegt als integrierte Schaltung zwischen den Polen einer
Li-Ionenzelle 1 und zwei Lade/Entlade-Anschlüssen 50 und
60, zu denen ein Filterkondensator 40 als Schutz gegen
steilflankige Spannungsanstiege parallel liegt. An die
Lade/Entlade-Anschlüsse 50 und 60 ist zur Aufladung der Li-
Ionenzelle 1 ein nur angedeutetes Ladegerät 100 mit seinen
Anschlüssen 150 und 160 anschließbar. Eine Steuerschaltung
30 überwacht in an sich bekannter Weise die Ladeschlußspan
nung und die Entladeschlußspannung der Li-Ionenzelle 1
sowie über einen Strommeßwiderstand RS den maximal zulässi
gen Lade- und Entladestrom und öffnet bei unzulässigen
Werten einen Laststromschalter LS. Wenn die Li-Ionenzelle 1
zumindest teilweise entladen ist, schließt die Steuerschal
tung 30 diesen Laststromschalter LS. Arbeitet das Ladegerät
100 korrekt, so fließt nach dessen Anschließen über RS, LS
und eine Sicherung Si in die Li-Ionenzelle 1 ein zulässiger
Ladestrom, bis die Ladeschlußspannung erreicht ist und die
Steuerschaltung 30 deshalb den Lastschalter LS öffnet.
Die meisten Ladegeräte enthalten ausgangsseitig einen durch
den Kondensator 101 angedeuteten Glättungs- und/oder Fil
terkondensator. Letzterer kann auf eine über der zulässigen
Anschlußspannung an den Anschlüssen 50, 60 liegende Leer
laufspannung aufgeladen sein; ebenso kann es vorkommen, daß
das Ladegerät 100 an seinen Anschlüssen 150, 160 eine zu
hohe Spannung abgibt, sei es, weil das Ladegerät defekt
ist, sei es, weil es sich um ein nicht für die Li-Ionen
zelle 1 sondern z. B. für eine wiederaufladbare Batterie mit
mehreren Zellen ausgelegtes, "fremdes" Ladegerät handelt.
Bei wiederaufladbaren Batterien, insbesondere solchen für
Mobilfunktelefone, muß aber, zumal wenn es sich um Li-
Ionenzellen handelt, unter allen Umständen sichergestellt
sein, daß die gesamte Schaltung, insbesondere jedoch die
Steuerschaltung 30, nicht infolge einer Überspannung funk
tionsunfähig und infolgedessen die Stromquelle überladen
wird, im ungünstigsten Fall bis zur Explosion.
Hierzu umfaßt die vorgeschlagene Schutzschaltung zusätzlich
zu der an sich bekannten Steuerschaltung 30 in der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1 folgende Komponenten:
Parallel zu dem Lastschalter LS liegen mehrere steuerbare
Teilschalter 15[1:n]. Die gemeinsamen Anschlüsse dieser
Anordnung sind mit den Eingängen eines Restspannungsdetek
tors verbunden, der aus einem Spannungskomparator 16 und
einer Referenzspannungsquelle 16.1 besteht, die eine Span
nung im Bereich von etwa 30 mV liefert. Der Spannungskom
parator 16 erzeugt an seinem Ausgang ein logisches Signal
"1", solange die Spannung über den geschlossenen Teilschal
tern 15[1:n] kleiner als die vorgegebene Restspannung ist.
Der Ausgang des Spannungskomparators 16 ist mit einem Wei
terschalteingang "ws" einer Schalterlogik 17 verbunden.
Diese steuert über getrennte Ausgänge [1:n] einzeln die
Teilschalter 15[1:n]. Zusätzlich ist der Ausgang "n" der
Schalterlogik 17 über einen Inverter 18 mit dem Eingang R
eines RS-Flipflops 11 verbunden. Solange der Ausgang "n"
den logischen Wert "0" hat, liegt deshalb an dem Resetein
gang des RS-Flipflops 11 der Wert "1" an. Dessen Seteingang
S ist mit dem Ausgang eines Überspannungsdetektors in Form
eines Komparators 10 verbunden, der die Spannung an den
Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 mit der Spannung einer
Referenzspannungsquelle 10.1 vergleicht und bei einer Über
spannung an seinem Ausgang das logische Signal "1" liefert.
Das RS-Flipflop 11 ist so ausgelegt, daß dessen Eingang S
dominiert. Wenn am Eingang S des RS-Flipflops 11 das lo
gische Signal "1" anliegt, geht deshalb dessen Ausgang Q
auf den logischen Wert "1". Dieses Signal wird den Freiga
beeingängen "en" eines Taktgenerators 12, eines Timers oder
Zeitgebers 13, und der Schalterlogik 17 zugeführt. Der
Ausgang des Zeitgebers 13 ist mit dem Steuereingang eines
Halbleiterschalters 19 verbunden, der die Anschlüsse der
Li-Ionenzelle 1 über die Sicherung Si verbindet und norma
lerweise offen ist.
Wenn an dem Freigabeeingang "en" des Taktgenerators 12 das
Signal "1" anliegt, liefert der Taktgenerator 12 Taktimpul
se, z. B. mit einer Pulsfolgefrequenz von 1 kHz, sowohl an
einen Takteingang "clk" des Zeitgebers 13 als auch an einen
Takteingang "clk" der Schalterlogik 17. Der Zeitgeber 13,
der in diesem Beispiel ein Abwärtszähler ist, aber auch ein
Monoflop sein könnte (und dann keine Taktimpulse benötigen
würde), erzeugt nach Ablauf seiner Verzögerungszeit, die im
Bereich von einigen hundert Millisekunden bis einige Sekun
den liegen kann, an seinem Ausgang das logische Signal "1",
das den Schalter 19 schließt.
Diese Schaltung arbeitet bei einer an den Lade/Entlade-
Anschlüssen 50, 60 anliegenden Überspannung, gleich welcher
Ursache, wie folgt:
Der Überspannungsdetektor 10, 10.1 setzt den Ausgang Q des RS-Flipflops 11 auf "1". Die Schalterlogik 17 erhält dieses Signal "1" an ihrem Eingang "en". Daraufhin setzt die Schalterlogik 17 alle ihre Ausgänge [1:n] ebenfalls auf den logischen Wert "1", so daß alle Teilschalter 15[1:n] sofort schließen. Bevor die Teilschalter 15 schließen, steht an ihnen die Überspannung abzüglich der Batteriespannung an, so daß der Restspannungsdetektor 16, 16.1 das Ausgangssig nal "0" an den Eingang "ws" der Schalterlogik 17 liefert, wodurch diese in ihrem augenblicklichen Schaltzustand ver harrt.
Der Überspannungsdetektor 10, 10.1 setzt den Ausgang Q des RS-Flipflops 11 auf "1". Die Schalterlogik 17 erhält dieses Signal "1" an ihrem Eingang "en". Daraufhin setzt die Schalterlogik 17 alle ihre Ausgänge [1:n] ebenfalls auf den logischen Wert "1", so daß alle Teilschalter 15[1:n] sofort schließen. Bevor die Teilschalter 15 schließen, steht an ihnen die Überspannung abzüglich der Batteriespannung an, so daß der Restspannungsdetektor 16, 16.1 das Ausgangssig nal "0" an den Eingang "ws" der Schalterlogik 17 liefert, wodurch diese in ihrem augenblicklichen Schaltzustand ver harrt.
Sobald alle Teilschalter 15 geschlossen haben, besteht
zwischen den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 ein nieder
ohmiger Strompfad. Ist die Überspannung durch einen
aufgeladenen Kondensator verursacht, entsteht der bekannte,
abklingende Ausgleichsstrom. Ist hingegen ein falsches oder
defektes Ladegerät die Ursache der Überspannung, dann
bleibt der erzeugte Strom zeitlich im wesentlichen kon
stant. Die vorgeschlagene Schaltung ermöglicht eine sichere
Unterscheidung dieser beiden Fälle. Der Gesamtwiderstand
der Parallelschaltung der Durchlaßwiderstände der geschlos
senen Teilschalter 15[1:n] ist dabei so niedrig, daß die
Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 in
allen in der Praxis denkbaren Fällen zusammenbricht, das
heißt zumindest auf einen Wert sinkt, der kleiner als der
maximal an den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 zulässige
Wert ist.
Je nach dem Betrag des von der Überspannung verursachten
Stroms über die geschlossenen Teilschalter 15[1:n] fällt
über letzteren eine ihrem Durchlaßwiderstand proportionale
Spannung ab, die größer oder kleiner als die Schaltschwelle
des Restspannungsdetektors 16, 16.1 von ca. 30 mV ist. Ist
der Spannungsabfall größer als die Schaltschwelle, dann
liefert der Restspannungsdetektor an den Weiterschaltein
gang "ws" der Schalterlogik 17 das logische Signal "0", so
daß diese in ihrem Schaltzustand "alle Teilschalter ge
schlossen" verharrt. Ist der Spannungsabfall kleiner oder
wird er durch Abbau der Überspannung kleiner als die
Schaltschwelle, dann liefert der Restspannungsdetektor an
den Weiterschalteingang "ws" der Schalterlogik 17 das lo
gische Signal "1", so daß die Schalterlogik 17 entsprechend
den von dem Taktgenerator 12 an ihren Eingang "clk" gelie
ferten, gleichnamigen Taktimpulsen ihre Ausgänge [1:n]
nacheinander von "1" auf "0" setzt und damit die entspre
chenden Teilschalter 15.1, 15.2, . . . 15.n sequentiell öff
net.
Entsprechend erhöht sich stufenweise der Durchlaßwiderstand
der Teilschalteranordnung. Damit erhöht sich die Empfind
lichkeit der Schaltung für den durch die Überspannung ver
ursachten Ausgleichsstrom. Wenn der über die Teilschalter
anordnung fließende Strom noch so hoch ist, daß die über
dem stufenweise erhöhten Durchlaßwiderstand der Teilschal
teranordnung abfallende Restspannung größer als die Schalt
schwelle des Restspannungsdetektors 16, 16.1 wird, dann
geht dessen Ausgangssignal "ws" von "1" auf "0" und sperrt
damit das Weiterschalten der Schalterlogik 17, so daß kein
weiterer Teilschalter mehr öffnet.
Währenddessen läuft der Zeitgeber 13 weiter. Wenn dessen
Verzögerungszeit abgelaufen ist, und zu diesem Zeitpunkt
zumindest noch der letzte Teilschalter 15.n geschlossen
ist, liefert der Zeitgeber 13 an seinem Ausgang das schon
genannte Steuersignal, das den Schalter 19 schließt, was
die unmittelbare Zerstörung der Sicherung Si durch den
entstehenden Kurzschlußstrom und damit die dauerhafte Ab
trennung der Li-Ionenzelle 1 zur Folge hat.
Wenn hingegen während der Verzögerungszeit des Zeitgebers
die Überspannung abgebaut wird, öffnet die Schalterlogik 17
auch den letzten Teilschalter 15.n, indem sie auch ihren
Ausgang "n" auf "0" setzt. Dieser Ausgang ist, wie schon
beschrieben, zusätzlich über den Inverter 18 mit dem Rück
setzeingang R des RS-Flipflops 11 verbunden. Dessen Ausgang
Q geht deshalb auf "0", sperrt damit den Taktgenerator 12
und setzt den Zeitgeber 13 sowie die Schalterlogik 17 auf
den Ausgangszustand zurück.
Die Steuerschaltung 30 übernimmt dann ihre normale, ein
leitend erläuterte Funktion der Steuerung des Lastschalters
LS. Dessen Funktion kann jedoch alternativ auch die Teil
schalteranordnung übernehmen, wenn die Steuereingänge der
Teilschalter 15[1:n] über Logikglieder derart verknüpft
sind, daß das Ausgangssignal der Steuerschaltung 30 im
normalen Lade- und Entladebetrieb der Schutzschaltung alle
Teilschalter 15[1:n] jeweils gleichzeitig öffnet oder
schließt.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform stimmt weitge
hend mit derjenigen nach Fig. 1 überein. Der wesentliche
Unterschied besteht darin, daß der im Fall einer detektier
ten Überspannung geschaffene, niederohmige Stromkreis zwi
schen den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 nicht über den
Laststromschalter LS, die Sicherung Si und die Li-Ionen
zelle 1 verläuft sondern zwischen den Anschlüssen 50, 60
eine Kurzschlußschalteranordnung 20, bestehend aus paral
lelgeschalteten Teilschaltern 20[1:n] liegt. Diese Kurz
schlußschalteranordnung 20 entspricht funktionsmäßig der
Teilschalteranordnung 15[1:n] in Fig. 1 und wird von einem
Restspannungsdetektor überwacht, der aus einem Spannungs
komparator 26 und einer Referenzspannungsquelle 26.1 be
steht. Der Spannungskomparator 26 entspricht dem Spannungs
komparator 16 in Fig. 1. Alle übrigen Komponenten sind die
gleichen wie in Fig. 1. Die Beschreibung der Funktions
weise der Ausführungsform nach Fig. 1 gilt deshalb auch
für die Ausführungsform nach Fig. 2.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsergänzung, die sowohl für die
Ausführungsform nach Fig. 1 als auch für diejenige nach
Fig. 2 verwendbar ist und die Erkennung von wiederholten
Überspannungsereignissen ermöglicht.
Hierzu ist der Überspannungsdetektor, also der Ausgang des
Komparators 10 in den Fig. 1 und 2, nicht nur mit dem
Eingang S des RS-Flipflops 11 sondern auch mit dem Eingang
S eines weiteren RS-Flipflops 111, einem Inverter 118 und
dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 70 verbunden. Dessen
Ausgang ist über ein ODER-Glied 71 mit dem Steuereingang
des Halbleiterschalters 19 in den Fig. 1 und 2 verbun
den. Der zweite Eingang des ODER-Gliedes erhält das Aus
gangssignal des Zeitgebers 13 in den Fig. 1 und 2.
Der zweite Eingang des UND-Gliedes 70 in Fig. 3 ist mit
dem Ausgang Q eines D-Flipflops 72 verbunden, dessen Takt
eingang T über eine Verzögerungsschaltung 73 mit dem Aus
gang des Inverters 118 verbunden ist. Der Ausgang Q des
zweiten RS-Flipflops 111 ist mit den Freigabeeingängen "en"
eines Taktgenerators 112 und eines Zeitgebers 113 verbun
den. Der Ausgang des Zeitgebers 113 ist sowohl mit dem RS-
Eingang des D-Flipflops 72 als auch über einen Inverter 74
mit dem Rücksetzeingang R des RS-Flipflops 111 verbunden.
Die Schaltung arbeitet wie folgt:
Sobald der Überspannungsdetektor eine Überspannung fest stellt und dementsprechend das logische Signal "1" liefert, geht der Ausgang Q des RS-Flipflops 111 auf den logischen Wert "1" und startet damit den Taktgenerator 112 und den Zeitgeber 113 über deren Freigabeeingänge "en". Der Ausgang des Zeitgebers 113, dessen voreingestellte Verzögerungszeit z. B. 10 Minuten betragen kann, geht dann sofort auf den logischen Wert "1", so daß wegen des Inverters 74 an dem Eingang R des RS-Flipflops 111 der logische Wert "0" an liegt, wodurch das RS-Flipflop zum Zurücksetzen vorbereitet wird. Gleichzeitig wird das D-Flipflop 72 aus dem Reset genommen. Nach dem Abbau der Überspannung mittels der Schaltung nach Fig. 1 oder Fig. 2 geht das Ausgangssignal des Überspannungsdetektors von "1" auf "0". Diese fallende Flanke setzt mit der durch das Verzögerungsglied 73 erzeug ten Verzögerung τ von z. B. einigen Millisekunden das D- Flipflop 72, so daß dessen Ausgang Q den Wert "1" annimmt und damit das UND-Glied 70 für das nächste Ausgangssignal "1" des Überspannungsdetektors 10, das innerhalb der Ver zögerungszeit des Zeitgebers 113 auftritt, durchlässig schaltet, woraufhin der Halbleiterschalter 19 schließt und, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, die Li-Ionen zelle 1 endgültig von den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 abtrennt.
Sobald der Überspannungsdetektor eine Überspannung fest stellt und dementsprechend das logische Signal "1" liefert, geht der Ausgang Q des RS-Flipflops 111 auf den logischen Wert "1" und startet damit den Taktgenerator 112 und den Zeitgeber 113 über deren Freigabeeingänge "en". Der Ausgang des Zeitgebers 113, dessen voreingestellte Verzögerungszeit z. B. 10 Minuten betragen kann, geht dann sofort auf den logischen Wert "1", so daß wegen des Inverters 74 an dem Eingang R des RS-Flipflops 111 der logische Wert "0" an liegt, wodurch das RS-Flipflop zum Zurücksetzen vorbereitet wird. Gleichzeitig wird das D-Flipflop 72 aus dem Reset genommen. Nach dem Abbau der Überspannung mittels der Schaltung nach Fig. 1 oder Fig. 2 geht das Ausgangssignal des Überspannungsdetektors von "1" auf "0". Diese fallende Flanke setzt mit der durch das Verzögerungsglied 73 erzeug ten Verzögerung τ von z. B. einigen Millisekunden das D- Flipflop 72, so daß dessen Ausgang Q den Wert "1" annimmt und damit das UND-Glied 70 für das nächste Ausgangssignal "1" des Überspannungsdetektors 10, das innerhalb der Ver zögerungszeit des Zeitgebers 113 auftritt, durchlässig schaltet, woraufhin der Halbleiterschalter 19 schließt und, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, die Li-Ionen zelle 1 endgültig von den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 abtrennt.
Wenn während der Verzögerungszeit des Zeitgebers 113 kein
weiteres Überspannungsereignis auftritt, geht der Ausgang
des Zeitgebers 113 wieder auf den logischen Wert "0", wo
durch sowohl das D-Flipflop 72 als auch das RS-Flipflop 111
in den Ausgangszustand zurückgesetzt werden.
Claims (7)
1. Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine über eine
Schmelzsicherung (Si) abgesicherte, wiederaufladbare
Batterie (1), mit einer Steuerschaltung (30), die
einen Laststromschalter (LS) in Abhängigkeit von den
Werten der Batteriespannung, der Spannung an den La
de/Entlade-Anschlüssen (50, 60) der Schutzschaltung
und dem Lade- oder Entladestrom schließt oder öffnet,
dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Last
stromschalter (LS) eine Anzahl von Teilschaltern
(15[1:n]) liegt, dass ein Überspannungsdetektor (10,
10.1) bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-An
schlüssen (50, 60) alle Teilschalter (15[1:n]) über
eine Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die
anschließend zyklisch fortschaltend einen Teilschalter
(15.1, 15.2, . . . 15.n) nach dem anderen öffnet, dass
ein die Restspannung über den Teilschaltern (15) über
wachender Spannungdetektor (16, 16.1) das Öffnen des
jeweils nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Rest
spannung über den noch geschlossenen Teilschaltern
höher als ein vorgegebener Restspannungswert ist und
dass die Steuerschaltung (11, 12, 13, 17, 18) die dau
erhafte Abtrennung der Batterie (1) von den Lade/Ent
lade-Anschlüssen (50, 60) auslöst, wenn der Zyklus
innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht
vollständig durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der
letzte Teilschalter (15.n) geschlossen ist.
2. Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine über eine
Schmelzsicherung (Si) abgesicherte, wiederaufladbare
Batterie (1), mit einer Steuerschaltung (30), die
einen Laststromschalter (LS) in Abhängigkeit von den
Werten der Batteriespannung, der Spannung an den La
de/Entlade-Anschlüssen (50, 60) der Schutzschaltung
und dem Lade- oder Entladestrom schließt oder öffnet,
dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Lade/Ent
lade-Anschlüssen (50, 60) eine Kurzschlussschalteran
ordnung (20) aus parallel geschalteten Teilschaltern
(20[1:n]) liegt, dass ein Überspannungsdetektor (10)
bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen
(50, 60) alle Teilschalter (20[1:n]) über eine Steuer
logik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die anschließend
zyklisch fortschaltend einen Teilschalter (20.1, 20.2,
. . . 20.n) nach dem anderen öffnet, dass ein die Rest
spannung über den Teilschaltern (20) überwachender
Spannungdetektor (26, 26.1) das Öffnen des jeweils
nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung
über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als
ein vorgegebener Restspannungswert ist, und dass die
Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) die dauerhafte Ab
trennung der Batterie (1) von den Lade/Entlade-An
schlüssen (50, 60) auslöst, wenn der Zyklus innerhalb
eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht vollständig
durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der letzte Teil
schalter (20.n) geschlossen ist.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Steuerlogik zur dauerhaften
Abtrennung der Batterie (1) einen deren Anschlüsse
über die Sicherung (Si) verbindenden, gesteuerten
Schalter (19) umfaßt, den die Steuerlogik schließt,
wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls minde
stens noch der letzte Teilschalter (15.n, 20.n) ge
schlossen ist.
4. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik einen Timer
(13) umfaßt, dessen Verzögerungszeit länger als das
vorgegebene Zeitintervall zum zyklischen Öffnen sämt
licher Teilschalter (15[1:n]; 20[1:n]) ist und der
nach Ablauf seiner Verzögerungszeit ein Signal lie
fert, das die dauerhafte Abtrennung der Batterie (1)
auslöst.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, dass die Steuerlogik ein RS-Flipflop (11) zur
Speicherung einer erkannten Überspannung umfaßt, und
dass der Ausgang des RS-Flipflops (11) mit den Frei
gabeeingängen (en) des Timers (13) und einer Schalter
logik (17) verbunden ist, die ein Taktsignal (clk)
erhält und zyklisch fortschreitend die Steuerignale
zum Öffnen eines Teilschalters (15[1:n]); 20[1:n])
nach dem anderen liefert, solange an ihrem weiteren
Eingang (ws) das Ausgangssignal des Spannungsdetektors
(16, 16.1; 26, 26.1) anliegt, das einer Restspannung
über den noch geschlossenen Teilschaltern entspricht,
die höher als der vorgegebene Restspannungswert ist.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, dass das. RS-Flipflop (11) an seinem Rücksetzein
gang (R) ein von dem den letzten Teilschalter (15.n;
20.n) steuernden Schaltsignal (n) abgeleitetes Rück
setzsignal erhält.
7. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Überspan
nungsdetektors (10) mit dem ersten Eingang eines UND-
Gliedes (70) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit
dem Ausgang einer rücksetzbaren Speicherschaltung (72)
verbunden ist, deren Eingang ebenfalls mit dem Ausgang
des Überspannungsdetektors (10) verbunden ist und die
nach dem ersten Überspannungsereignis den zweiten Ein
gang des UND-Gliedes (70) während einer vorgegebenen
Zeit, die länger als die Zykluszeit ist, auf "1"
setzt, so dass das nächste während dieser vorgegebenen
Zeit auftretende Überspannungsereignis am Ausgang des
UND-Gliedes (70) eine "1" erzeugt und dadurch die dau
erhafte Abtrennung der Batterie (1) auslöst.
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