DE10216642A1

DE10216642A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Ladespannung

Info

Publication number: DE10216642A1
Application number: DE10216642A
Authority: DE
Inventors: Georg Breuch; Zbigniew Kubacki
Original assignee: Friwo Geraetebau GmbH
Current assignee: Friwo Geraetebau GmbH
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-11-06
Also published as: US20030214268A1; JP2004163389A; US6906498B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion einer Ladespannung von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie mit einem Spannungswandler zur Umwandlung der Ladespannung der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie in ein Spannungssignal, einem Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung des Spannungssignals des Spannungswandlers in ein digitales Signal und einer Auswerte- und Steuereinrichtung zur Auswertung des digitalen Signals des Analog-Digital-Wandlers sowie zur Steuerung des Ladevorgangs der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie, basierend auf der Auswertung des digitalen Signals des Analog-Digital-Wandlers. Der Spannungswandler weist dabei eine Verstärkerschaltung mit variabler Verstärkung auf, die über mindestens einen Steuerausgang der Auswerte- und Steuereinrichtung derart gesteuert wird, dass die zur Erzeugung des Spannungssignals eingesetzte Verstärkung gemäß einer Übertragungsfunktion an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers angepasst ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion der Ladespannung von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie.
Wegen ihrer vielfältigen Vorteile gewinnen mobile Endgeräte im Elektro- und Unterhaltungsbereich ständig an Bedeutung. Diese Geräte sind auf eine ortsunabhängige Stromversorgung angewiesen, und aus Kosten- und Umweltschutzgründen empfiehlt sich hierfür die Verwendung von wiederaufladbaren Batterien (im Folgenden Akku genannt). Damit einhergehend steigt zum einen der Bedarf an kostengünstigen und kompakten Ladegeräten für Akkus, da auch die Endgeräte immer kleiner und kostengünstiger gefertigt werden. Zum anderen müssen die Ladegeräte zuverlässig und flexibel genug sein, um sowohl eine lange Lebensdauer der Akkus zu garantieren als auch eine variable Anzahl von wiederaufladbaren Batterien gleichzeitig laden zu können.
In der Akkuladetechnik werden verschiedenste Verfahren angewandt, um den Ladezustand eines Akkus zu detektieren, wie z. B. die Auswertung des Temperatur- oder Spannungsgradienten des zu ladenden Akkus. Ein sehr genaues Verfahren nutzt den Effekt aus, dass sich die Akkuspannung nach Erreichen eines Maximums bei fortgesetztem Ladevorgang verringert. Dieses Verfahren wird auch mit -ΔU-Erkennung bezeichnet. Fig. 1 zeigt schematisch sowohl den Temperatur- als auch den Spannungsverlauf einer 1,2 V-Akkuzelle während eines Ladevorgangs. Wie dargestellt, nimmt die Akkutemperatur mit der Ladezeit kontinuierlich zu. Die Zellenspannung nimmt ebenfalls mit der Ladezeit zu, jedoch nur bis zu einem Maximalwert. Danach sinkt sie trotz fortgesetzten Ladenvorgangs.
Hat die Ladespannung das Maximum erreicht, ist der Akku auf maximale Kapazität geladen. Jede weitere Ladung über diesen Punkt hinaus bedeutet eine Überladung des Akkus und damit eine Schädigung. Es ist daher wichtig, möglichst sofort nach dem Überschreiten des Spannungsmaximums den Ladevorgang zu beenden. Dies setzt voraus, dass die negative Spannungsänderung, auch -ΔU genannt, nach dem Überschreiten des Maximalwertes genau und zuverlässig genug detektiert wird. Der hierfür geforderte Wert ist bei einer Zellenspannung von 1,5 V ist typisch 5 mV pro Zelle oder, prozentual ausgedrückt, typisch 0,33% der Zellenspannung.
In der Ladetechnik wird die Auswertung der Akkuspannung und damit die Detektion des -ΔU typischerweise mit Hilfe eines Mikrocontrollers ausgeführt. Dabei wird die analoge Akkuspannung einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) direkt oder durch einen Spannungsteiler zugeführt und digitalisiert. Gebräuchlicherweise werden hierfür 8-Bit- oder 10-Bit-A/D-Wandler verwendet.
Um bei einer Messung der negativen Spannungsänderung -ΔU mittels eines A/D- Wandlers die notwendige Störsicherheit zu gewährleisten, werden bei der Auswertung der digitalen Signale des A/D-Wandlers nur Signaländerungen berücksichtigt, die mindesten 2 LSB (Least Significant Bit) groß sind. Fig. 6 zeigt in einer Tabelle zusammengefasst die Werte der maximalen, relativen Auflösung der Spannungsänderung -ΔU sowohl für einen 8-Bit-A/D-Wandler (8-Bit-ADC) als auch für einen 10-Bit-A/D-Wandler (10- Bit-ADC) bei einer Auswertegenauigkeit von 2 LSB. Die Werte werden für verschieden große digitale Ausgabewerte der A/D-Wandler ausgegeben. Die relative Auflösung ist bei kleineren Ausgabewerten des 8-Bit-A/D-Wandlers deutlich schlechter als die geforderten typischen 0,33%.
Bezogen auf eine feste Anzahl von Akkuzellen kann also die Forderung nach einer Genauigkeit bei der -ΔU-Detektion von mindestens 0,33% nur mit 10-Bit-A/D-Wandler eingehalten werden, der allerdings gegenüber einem 8-Bit-A/D-Wandler deutlich teurer ist.
Da die relative Genauigkeit bei größeren Spannungen und damit im oberen Bereich der Eingangspannung des A/D-Wandlers besser ist, sollte sichergestellt sein, dass das Signal für die Ladespannung der Akkus oder des Akkupacks immer im oberen Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers liegt, um eine möglichst große, relative Signalauflösung zu erreichen.
Sollen in einem Akkuladegerät eine variable Anzahl von Akkuzellen geladen werden, beispielsweise von 5 bis 15 Zellen, so ist eine Abbildung der Spannungslage der Akkuzellen durch eine passive Kopplung, beispielsweise durch einen einfachen Spannungsteiler, nicht mehr möglich, wenn gleichzeitig eine Genauigkeit der -ΔU-Detektion von 0,33% erreicht werden soll. Fig. 7 zeigt eine Tabelle, die diesen Sachverhalt am Beispiel eines 10-Bit-A/D-Wandlers verdeutlicht.
Um noch bessere Auflösungen bei der -ΔU-Detektion zu erreichen, kann man auf Mikrocontroller und A/D-Wandler mit einer höheren Auflösung zurückgreifen.

Aus US 5973480 ist bekannt, dass ein Mikrocomputer eingesetzt wird, um ein gewünschtes Teilungsverhältnis der Akkuzellenspannung über das Hinzuschalten von Widerständen einzustellen. Eine Spannungsteilerschaltung teilt den Spannungsbereich des Akkus entsprechend dem Messbereich des A/D-Wandler herunter. Dieses Verfahren erreicht für eine digitale Einheit (1 LSB) des 8-Bit-A/D-Wandlers eine Genauigkeit von 3,19 mV pro Akkuzellen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie anzugeben, die entsprechend flexibel, kompakt und kostengünstig herzustellen ist, sowie ein entsprechendes Verfahren.

Diese Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass einerseits durch die Verwendung von modernen Auswerte- und Steuervorrichtungen, wie z. B. Mikrocontrollern, komplexe analoge Schaltungen vereinfacht werden, andererseits durch effiziente und kompakte, analoge Schaltungen aufwendige und damit teure Auswerte- und Steuervorrichtungen durch wesentlich kostengünstigere ersetzt werden können.

Daher können durch die erfindungsgemäße Lösung äußerst kompakte, kostengünstige Ladegeräte realisiert werden, die einerseits für eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien eingesetzt werden können. Andererseits lässt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung aufgrund der Genauigkeit bei der Detektion der Zellenspannung der Ladevorgang der Akkuzellen so genau steuern, dass das Überladen der Akkuzellen auf ein Mindestmass reduziert wird und dadurch die Lebensdauer der Akkuzellen steigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Spannungswandlerschaltung eine Operationsverstärkerschaltung, bei der der Verstärkungsbereich über von der Auswerte- und Steuereinrichtung geschaltete Widerstände gesteuert wird. Die Auswerte- und Steuereinrichtung beinhaltet einen Mikrocontroller oder einen programmierbaren Mikroprozessor, in den ein Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des Signals der Spannungswandlerschaltung sowie Steuerausgänge zum Steuern der Widerstände der Verstärkerschaltung integriert sind. Der Mikrocontroller oder Mikroprozessor besteht dabei aus einem 8-Bit-Mikrocontroller oder -prozessor und der A/D-Wandler aus einem 8-Bit-A/D-Wandler.

Durch diese kompakte Schaltung ist es möglich, das Spannungssignal der Akkuzellen während des Ladevorgangs flexibel an den Eingangsspannungsbereich des A/D- Wandlers anzupassen. Dies erlaubt einerseits eine genaue Bestimmung der Akkuzellenspannung und damit eine präzise Steuerung des Ladevorgangs mittels eines 8-Bit- Mikrocontrollers. Andererseits ermöglicht diese bevorzugte Ausführungsform sowohl bei minimaler als auch maximaler Anzahl von zu ladenden Akkuzellen, den maximalen Ladezustand der Batterien mit einer so großen Genauigkeit festzustellen, dass ein Überladen vermieden wird. Durch den kompakten Aufbau der Schaltung sind platzsparende und miniaturisierte Ausführungen der vorliegenden Erfindung möglich, die durch die Verwendung von 8-Bit-Mikrocontrollern darüber hinaus auch noch kostengünstig zu realisieren sind.

Sieht man bei der erfindungsgemäßen Lösung zusätzlich noch vor, dass sich die Verstärkungsbereiche überlappen, ist ein kontinuierlicher Übergang zwischen den Verstärkungsbereichen möglich, ohne dass sich bei der Messung der Akkuzellenspannung Auswertefehler ergeben und dadurch der Ladevorgang der Akkuzellen fehlerhaft gesteuert wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Spannungswandlerschaltung eine Operationsverstärkerschaltung, bei der die Verstärkung über eine Pulsweitenmodulations-Schaltung gesteuert wird. Die Anpassung des Spannungssignals des Spannungswandlers an den Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers erfolgt sowohl durch bereichsweises als auch durch schrittweises Erhöhen des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulations-Schaltung.

Diese besonders bevorzugte Ausführungsform reduziert den Schaltungsaufwand gegenüber der bereits erwähnten nochmals, da für die Steuerung der Verstärkung des Spannungswandlers ein Steuerausgang genügt, der vorzugsweise in der Auswerte- und Steuereinrichtung integriert ist. Ein schrittweises Anpassen des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulations-Schaltung erlaubt darüber hinaus eine fast stufenlose Verstärkung, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung der Akkuzellenspannung nochmals verbessert wird.

Der bevorzugte Einsatzbereich der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Bereich der modernen Ladenetzteile.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezeichnungen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Temperatur- und Spannungsverlaufs einer 1,2 V-Akkuzelle während eines Ladevorgangs,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Operationsverstärkerschaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktionen einer bevorzugten Ausführungsform der Operationsverstärkerschaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Operationsverstärkerschaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Tabelle mit einer Aufstellung der maximalen, relativen Auflösung der Spannungsänderung -ΔU für einen 8-Bit-A/D-Wandler und einen 10-Bit-A/D- Wandler bei einer Auswertegenauigkeit von 2 LSB,
Fig. 7 eine Tabelle mit einer Aufstellung der maximalen, relativen Auflösung der Spannungsänderung -ΔU für einen 10-Bit-A/D-Wandler bei unterschiedlicher Anzahl der Akkuzellen bei einer Auswertegenauigkeit von 2 LSB,
Fig. 8 eine Tabelle mit einer Übersicht der Bereiche und ihrer Kenngrößen für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 3,
Fig. 9 eine Tabelle mit einer Übersicht der Bereiche und ihrer Kenngrößen für die besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 5 als Vergleich zu der Übersicht der Bereiche und ihrer Kenngrößen der bevorzugten Ausführungsform (Fig. 8), und
Fig. 10 ein Flussdiagramm zur Steuerung der Pulsweitenmodulation der besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 5.
Fig. 2 zeigt anhand eines einfachen Blockschaltbildes eine bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Schaltbild sind ein Block mit Akkuzellen 201, ein Spannungswandler 202 sowie eine Auswerte- und Steuereinrichtung 203 dargestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein 8-Bit-Mikrocontroller, bei dem der A/D- Wandler integriert ist, als kostengünstiges Beispiel für die Auswerte- und Steuereinrichtung gewählt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen mit all den aufgeführten Merkmalen möglich, bei denen ein separater A/D-Wandler oder eine andere Auswerte- und Steuereinrichtung verwendet wird.
Der Akkuzellenblock 201 weist einen Anschluss 204 für eine Ladevorrichtung zum Laden der Akkuzellen auf und ist mit einem Spannungswandler 202 verschaltet. Über einen Eingang des Spannungswandlers wird die variable Ladespannung 205 der Akkuzellen abgegriffen. Am Ausgang des Spannungswandlers wird ein entsprechend umgeformtes Spannungssignal 206 an den Eingang des A/D-Wandlers angelegt. Der A/D-Wandler wandelt das Spannungssignal in ein digitales Signal um und übergibt es zur Auswertung an einen Mikrocontroller. Entsprechend den digitalen Signalen des A/D- Wandlerausgangs steuert der Mikrocontroller über eine oder mehrere Steuerausgänge 207 den Spannungswandler sowie den Ladevorgang.
Alternativ zu einem 8-Bit-Mikrocontroller kann als Auswerte- und Steuereinrichtung 203 auch ein geeigneter Mikroprozessor, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder DSP (Digital Signal Prozessor) verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Operationsverstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung. Die Ladespannung 205 der Akkuzellen 201 wird über den Eingang des Spannungswandlers abgegriffen und über Widerstände R1 und R2 geteilt. Das so geteilte Spannungssignal der Akkuzellen wird an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 301 geschaltet, der an eine geeignete Spannungsversorgung V₁ angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist zum einen über einen Widerstand R3 mit einem positiven Spannungspotential V₂, zum anderen über Widerstände R5 bis R8 und entsprechenden Schaltern S1 bis S4 mit einem Massepotential und zum dritten über einen Widerstand R4 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden. Die Schalter S1 bis S4 sind mit den Steuerausgängen 207 des Mikrocontrollers verbunden und vorzugsweise durch Bipolartransistoren oder FET realisiert. Es sind aber auch konventionelle Schalter verwendbar. Darüber hinaus ist die Schaltung nicht auf eine Anzahl von vier Widerständen R5 bis R8 und die entsprechenden Schalter S1 bis S4 beschränkt, sondern nach Bedarf und Anwendung reduzier- oder erweiterbar. Die Spannungsversorgungen V₁ und V₂ sowie der Operationsverstärker liegen auf demselben Massepotential.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Verstärkerschaltung wird am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers über die Spannungsquelle V₂ und die Widerstände R3 und R4 ein Potential relativ zum Ausgang des Operationsverstärkers angelegt. Das Resultat dieser Schaltung ist ein negativer Offset der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers, dessen Betrag proportional zu dem Quotienten der Widerstände R4 und R3 ist. Über den Widerstand R4 und das Widerstandsarrays R5 bis R8 wird die Verstärkung des am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegenden Spannungssignals eingestellt. Die Verstärkung nimmt dabei mit kleiner werdendem Gesamtwiderstand des Widerstandsarrays R5 bis R8 zu. Je nach Wahl der entsprechenden Schalter ist damit die Verstärkung des Operationsverstärkers über die Widerstände in dem Widerstandsarrays R5 bis R8 variabel einstellbar. Die Schalter werden dabei, wie bereits erwähnt, über den Mikrocontroller 203 geschaltet.
Die Verstärkung des am Eingang der Spannungswandlerschaltung liegenden Spannungssignals 205 kann mit einer Übertragungsfunktion beschrieben werden, die die Form einer Geradengleichung besitzt, bei der der Achsenabschnitt über die Spannung der Spannungsversorgung V₂ und die Widerstände R3 und R4 festgelegt ist. Die Steigung der Geraden ergibt sich aus der Verstärkung der Schaltung, die im Wesentlichen durch die Widerstände R1 und R2 sowie R4 und R5 bis R8 bestimmt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Widerstand R3 über zusätzliche Steuerausgänge des Mikrocontrollers so gesteuert, dass er seinen Widerstandswert definiert ändert. Dies wird vorzugsweise durch ein Widerstandsarray analog zu dem Widerstandsarray R5-R8 oder durch ähnliche Schaltungen realisiert. Dadurch ist es möglich, zusätzlich den Achsenabschnitt der Übertragungsfunktion der Verstärkung zu variieren und somit den Anwendungsbereich der Schaltung zu erweitern.
In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 3 wurden sämtliche Elemente für die Schutzbeschaltung und Entstörung weggelassen, um den wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung nicht zu verdecken. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch Schutzdioden, Filter und zusätzliche Elemente erweiterbar.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Verstärkerschaltung wird die Akkuspannung mit minimalem Aufwand an elektronischen Komponenten flexibel, kompakt und genau auf den Eingangsbereich eines 8-Bit A/D-Wandlers gespreizt. Hierfür wird die Verstärkung der Verstärkerschaltung vorzugsweise in verschiedene Bereiche aufgeteilt. Das heisst, je nach Spannungslage der Ladespannung der Akkus wird die Übertragungsfunktion des Operationsverstärkers so angepasst, dass sowohl die Abbildung des Spannungssignals immer auf den Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers erfolgt als auch die geforderte Genauigkeit für die Detektion des -ΔU erreicht wird. Für die Anpassung der Akkuspannungsbereiche dienen, wie bereits erwähnt, hinzuschaltbare Widerstände. Die Anzahl der Widerstände und Schalter ist davon abhängig, wie viele Bereiche benötigt werden, um den gesamten Spannungsbereich von minimaler bis zu maximaler Anzahl von Akkus abzudecken und die entsprechende Empfindlichkeit der -ΔU-Detektion zu gewährleisten. Je enger die einzelnen Bereiche gefasst werden, desto sensibler wird die -ΔU-Auswertung, jedoch steigt auch die Störempfindlichkeit.
Die folgende Beispielrechnung erläutert das oben geschilderte Verfahren der Bereichseinteilung für die Verstärkung anhand einer maximalen Anzahl von 15 Akkuzellen. Als weitere Randbedingungen für die Beispielrechnung wird im Folgenden angenommen, dass die Spannung einer voll geladenen Akkuzelle 1,6 V beträgt und ein 8-Bit-A/D- Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 0 V bis 5 V verwendet wird. Weiterhin berücksichtigt der Mikrocontroller bei der -ΔU-Auswertung nur Änderung von mindestens 2 LSB, um einen genügenden Störabstand bei der Auswertung des digitalen A/D-Signals zu haben. Dies entspricht einer Änderung der Eingangsspannung des 8-Bit-A/D- Wandlers von 39,2 mV und kann wie in Gleichung (1) beschrieben werden.
Die geforderte Genauigkeit bei der -ΔU-Auswertung beträgt 0,3%. Der Eingangsspannungsbereich des 8-Bit-A/D-Wandlers von 0 V bis 5 V wird bei der folgenden Beispielrechnung nur in dem Spannungsbereich von 0,85 V-5 V (U_A/Din,min bzw. U_A/Din,max) ausgesteuert.
Um einen kontinuierlichen Übergang zwischen zwei Bereichen zu gewährleisten, werden die Bereiche so definiert, dass sie sich in der Beispielrechnung um einen vorgegebenen Prozentsatz von 15% überlappen. Es sind jedoch auch beliebige andere Überlappungsbereiche möglich.
Die Übertragungsfunktion für jedes Intervall n berechnet sich aus der Lösung folgender Gleichungen:

wobei U_n1, die obere und U_n3 die untere Bereichsgrenze des Intervalls n darstellt.
Die allgemeine Form der Übertragungsfunktion lautet:

U_A/Din(U_Akku) = U_Akku.a_n + b_n (6)

wobei U_Akku die Akku- oder Ladespannung 205 a_n die Verstärkung und b_n die Offsetspannung oder auch Achsenabschnitt der Übertragungsfunktion U_A/Din(UAkku) bezeichnet. U_A/Din(U_Akku) entspricht dem Spannungssignal 206.
Die Verstärkung a_n lässt sich auch beschreiben als der Quotient aus der Akku- oder Ladespannungsdifferenz und Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers in einem Intervall n:
Als Startwert für die Berechnung der Bereiche ist die höchste Akkuspannung zu wählen. Demzufolge ist bei 15 Akkuzellen eine Spannung von 24 V für U_n1, anzusetzen. Gleichung (4) gibt den Zusammenhang zwischen den Spannungen U_n1 und U_n2 wieder, hier soll ein Δ_max mit einem Wert von 0,3% erzielt werden.
Die untere Grenze des Intervalls lässt sich mit der ermittelten Übertragungsfunktion von U_A/Din,min berechnen. In diesem Beispiel ergibt sich daraus ein erstes Intervall von 16,3 V bis 24,0 V, in dem mit einer maximalen, relativen Auflösung von 0,3% Spannungsänderungen Δ_max zuverlässig detektiert werden können.
Fig. 8 zeigt eine Tabelle mit einer Übersicht von fünf Verstärkungsbereichen (Intervall 1-5), ihrer Kenngrößen und die berechneten Ergebnisse für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 3.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, liegt die zuverlässig detektierbare Spannungsänderung (2 LSB) pro Akkuzelle sogar unterhalb des geforderten Wertes von 5 mV pro Zelle. Damit stellt bereits diese einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber existierenden Lösungen dar, zumal die Schaltung kompakt ausgelegt ist.
Der Startwert für den nächsten Bereich ergibt sich aus der unteren Intervallgrenze ΔU_n3 des vorhergehenden Intervalls plus der vorgegebenen Bereichsüberlappung von 15%. Die Berechnung des zweiten Intervalls erfolgt analog zur Berechnung des ersten Intervalls. Die Berechnung der weiteren Intervalle wird solange fortgesetzt, bis die minimale Akkuspannung erreicht ist.
Fig. 4 zeigt zusammengefasst den Verlauf der Umkehrfunktion aller Übertragungsfunktionen des Beispiels. Man erkennt, dass sich die Steigung 1/a der Geraden zu niedrigeren Akkuspannungen hin reduziert ist, d. h. dass die Verstärkung der Operationsverstärkerschaltung zunimmt.
Die Steuerung der Schalter zur Einstellung der Verstärkung in den unterschiedlichen Bereichen übernimmt der Mikrocontroller mittels seiner Programmierung. Der Mikrocontroller muss daher mindestens so viele Ausgänge besitzen, wie Schalter benötigt werden. Die Schalter selbst lassen sich, wie bereits erwähnt, vorzugsweise als Bipolartransistor oder FET realisieren. In diesem Fall werden die Widerstände R5 bis R8 indirekt, also mittels der externen Schalter S1 bis S4 geschaltet. Alternativ kann man die Widerstände R5 bis R8 direkt schalten, indem man die Steuerausgänge des Mikrocontrollers nutzt, sofern in dem Mikrocontroller Open-Kollektor-Ausgänge oder ähnliche Steuerausgänge integriert sind.
Um je nach Anzahl der zu ladenden Akkus den entsprechenden Verstärkungsbereich bestimmen zu können, wählt der Mikrocontroller vorzugsweise die geringste Verstärkung und ermittelt dann den Betrag der aktuellen Lade- oder Akkuspannung. Mittels dieses Wertes wählt der Mikrocontroller dann den entsprechenden Verstärkungsbereich. Es genügt also ein A/D-Wandler in der bevorzugten Ausführungsform, um automatisch die Verstärkungsbereiche einzustellen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Operationsverstärkerschaltung mit Pulsweitenmodulation (PWM) dar, wie sie als Blockschaltbild in Fig. 5 dargestellt wird.
Wie bei der in Fig. 3 bereits dargestellten Ausführungsform wird auch hier die Ladespannung 205 der Akkuzellen über den Eingang des Spannungswandlers abgegriffen, über Widerstände R1 und R2 geteilt und an den nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 501 geschaltet. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist zum einen über einen Widerstand R3 mit einem positiven Spannungspotential V₂, zum anderen über einen Widerstand R5 und einen Schalter S1 mit einem Massepotential und zum dritten über einen Widerstand R4 mit dem Ausgang 506 des Operationsverstärkers verbunden. Parallel zu dem Widerstand R4 ist eine Kapazität C1 geschaltet. Zwischen dem Ausgang 506 des Operationsverstärkers und dem Ausgang der Spannungswandlerschaltung ist ein Tiefpass geschaltet, bestehend aus einem Widerstand R6 und einer Kapazität C2.
Der Schalter S1 ist mit einem Steuerausgang 207 des Mikrocontrollers verbunden und ist vorzugsweise durch einen Bipolartransistor oder FET realisiert. Der Schalter S1 kann auch durch einen konventioneller Schalter oder einen Open-Kollektor-Ausgang des Mikrocontrollers realisiert werden, sofern in dem Mikrocontroller Open-Kollektor-Ausgänge oder ähnliche Steuerausgänge integriert sind. In diesem Fall beschränkt sich die Schaltung auf ein Minimum von Bauteilen und der Mikrocontroller benötigt zur Steuerung der Verstärkung nur einen einzigen Ausgang.
Die Spannungsversorgungen V₁ und V₂ sowie der Operationsverstärker liegen wie bei der anderen Ausführungsform auf demselben Massepotential.
Die Funktionsweise dieser besonders bevorzugten Ausführungsform ist analog der vorher beschriebenen Ausführungsform, mit dem Unterschied, dass die Verstärkung des Operationsverstärkers nun variabel über eine Pulsweitenmodulation eingestellt wird, die über den Schalter S1 gesteuert wird.
Im statischen Fall gibt es zwei Zustände, Schalter S1 ist geschlossen oder Schalter S1 ist offen. Bei geschlossenem Schalter S1 ergibt sich die maximale Verstärkung (vgl. Gleichung 7). Dies entspricht, im Vergleich mit der mehrstufigen Operationsverstärkerschaltung von oben, dem Fall, dass alle Schalter geschlossen sind. Bei offenem Schalter S1 ergibt sich die minimale Verstärkung, gleichbedeutend mit dem Intervall 1 der oben aufgeführten Ausführungsform. Alle Zwischenwerte werden durch anteiliges Einschalten erreicht, das heisst durch ein entsprechendes Verhältnis der jeweiligen Zeiten, für die der Schalter S1 geöffnet bzw. geschlossen ist. Damit lassen sich, je nach Wahl dieses Verhältnisses der Einschaltzeit zur Ein- und Ausschaltzeit (Tastverhältnis), beliebige Verstärkungen einstellen.
Diese besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich nicht nur durch Kompaktheit und damit kostengünstige Herstellung aus, sondern auch durch eine stufenlose Anpassung des Signals der Akkuladespannung an den Eingangsbereich des A/D-Wandlers.
Das PWM-Verfahren ist auch auf das in Fig. 8 dargestellte Beispiel der fünf Verstärkungsbereiche anwendbar, wählt man für jedes Intervall ein entsprechendes, konstantes Tastverhältnis. Fig. 9 zeigt eine Tabelle mit einer Übersicht der Ergebnisse für eine analoge Berechnung von fünf Verstärkungsbereichen (Intervall 1-5), ihrer Kenngrößen und die berechneten Ergebnisse.
Die Ergebnisse in Fig. 9 zeigen, dass diese besonders bevorzugte Ausführungsform auch die Genauigkeit der bereits erwähnten und in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform erfüllt.
Zur Einstellung des optimalen Tastverhältnisses und damit der Verstärkung werden vorzugsweise zwei verschiedene Verfahren verwendet. Zum Einen kann mittels des Mikrocontrollers eine Messung der Spannungslage des Akkus erfolgen. Mit diesem Ergebnis wird dann das Tastverhältnis eingestellt. Zum Anderen kann durch schrittweises Erhöhen des Tastverhältnisses die Ausgangsspannung 206 am Spannungswandler so eingestellt werden, dass sich dort eine Spannung von U_A/Din,min (s. o.) einstellt.
Das Tastverhältnis wird dann vorzugsweise so lange konstant gehalten, bis sich die Ausgangsspannung des Spannungswandlers beim Ladevorgang der Akkus dem Wert U_A/Din,max nähert und die Verstärkung dem darauffolgenden Intervall angepasst werden muss. Dieses Vorgehen entspricht in etwa dem oben beschriebenen Stufenverfahren.
Da sich mit dem PWM-Verfahren eine Vielzahl von Zwischenwerten einstellen lässt, ist es möglich, eine sehr genaue Anpassung des Tastverhältnisses und damit der Verstärkung vorzusehen. Diese Vielzahl von Zwischenwerten entspricht einer Vielzahl von Verstärkungsbereichen und ist nur durch die Genauigkeit des Mikrocontrollers bei der Steuerung des Tastverhältnisses beschränkt. Damit wird bei dem PWM-Verfahren die Verstärkung so gesteuert, dass die Ausgangsspannung des Spannungswandlers immer im ladetechnisch optimalen Eingangsbereich des A/D-Wandlers liegt.
Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm zur Steuerung der Pulsweitenmodulation (PWM) der besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Fig. 5. PWMDuty, MaxValue und MinValue bezeichnen dabei das aktuelle, das maximale bzw. das minimale Tastverhältnis der PWM. AmpVoltage bezeichnet die Ausgangsspannung des Spannungswandlers, MaxVoltage die maximale Eingangsspannung des A/D- Wandlers U_A/Din,max und MinVoltage die minimale Eingangsspannung des A/D-Wandlers U_A/Din,min.
Der Ablauf einer Steuersequenz zur Einstellung des Tastverhältnisses der PWM beginnt mit der Abfrage des aktuellen Tastverhältnisses, der aktuellen Ausgangsspannung und einem Vergleich (Schritt 1010) der beiden Werte mit den jeweiligen Minimalwerten. Entsprechend dem Auswerteergebnis wird der Ablauf fortgesetzt oder beendet (Schritt 1090). Während des Ablaufs der Steuersequenz wird das Tastverhältnis der PWM- Steuerung gemäß der Erfordernisse entweder erhöht (Schritt 1080), reduziert (Schritt 1050) oder beibehalten (direkter Sprung zu Schritt 1090).
Die Einheiten zur Einstellung des Tastverhältnisses werden dabei vorzugsweise entsprechend der Auflösung der Steuereinheit um jeweils 1 Bit geändert. Bei einer alternativen Ausführung der Steuersequenz wird das Tastverhältnis um einen variablen Betrag erhöht bzw. reduziert, je nach der Größe der Abweichung der aktuellen Messwerte von den jeweiligen Minimal- bzw. Maximalwerten. Der Ablauf der Steuersequenz wird dabei zyklisch wiederholt, um die Verstärkung des Spannungswandlers kontinuierlich anzupassen. Die Zeit für die Wiederholung der Steuersequenz ist dabei vorzugsweise variabel an den optimalen Verlauf des Ladevorgangs angepasst oder alternativ konstant.
Die beschriebene Steuersequenz kann auch dafür verwendet werden, dass die Auswerte- und Steuereinheit 203 beim Einschalten des Ladegerätes bzw. zu Beginn des Ladevorgangs die ladetechnisch günstigste Verstärkung einstellt. Diese Funktion wird als "Autorange"-Funktion bezeichnet und ermöglicht eine flexible Anpassung der Verstärkung an die jeweiligen Erfordernisse, wie zum Beispiel Anzahl oder Ladezustand der Akkus.
Über das PWM-Verfahren mit einer Vielzahl von Zwischenwerten für die Anpassung der Verstärkung kann die Empfindlichkeit der -ΔU-Detektion wesentlich erhöht und ein noch zuverlässigeres Laden der Akkus erreicht werden, einhergehend mit einer noch längeren Lebensdauer der Akkus.
Bei der oben erwähnten Ausführungsform gemäß Fig. 3 würde diese Forderung nach höherer Empfindlichkeit zu mehr Intervallen führen. Sollte beispielsweise die maximale Empfindlichkeit von 0,3% (-ΔU von ∼ 5 mV), auf 0,2% (-ΔU von ∼ 3 mV) verbessert werden, erhöht sich die Anzahl der Intervalle von 5 auf 12. Dies würde bei einer größeren Anzahl von Bereichen bei der oben erwähnten Ausführungsform mit einem Widerstandsarray und entsprechenden Schaltern die Größe des Widerstandsarrays und die Anzahl der notwendigen Schalter erhöhen. Mit der schrittweisen Anpassung des Tastverhältnisses bei dem PWM-Verfahren kann jedoch die Genauigkeit der -ΔU-Detektion gesteigert werden, ohne dass dadurch der Schaltungsaufwand erhöht wird.
In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 5 wurden sämtliche Elemente für die Schutzbeschaltung und Entstörung weggelassen, um den wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung nicht zu verdecken.
Die beschriebene, besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird gemäß einer weiteren Ausführungsform derart variiert, dass einer oder mehrere der Widerstände R1 bis R5 über zusätzliche Steuerausgänge des Mikrocontrollers variabel gesteuert werden. Dadurch wird der Achsenabschnitt und die Steigung der Übertragungsfunktion (Gleichung 6) der Verstärkung in einem größeren Bereich variiert und der Anwendungsbereich dieser besonders bevorzugten Ausführungsform erweitert. Damit ist es möglich, Ladegeräte zu bauen, die flexibel und "selbständig" ihre Ladecharakteristik an eine beliebige Anzahl von Akkuzellen oder Akkupacks anpassen und die notwendige Genauigkeit aufweisen, um den Ladevorgang genau genug zu steuern.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion einer Ladespannung (205) von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie mit:
einem Spannungswandler (202) zur Umwandlung der Ladespannung (205) der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie (201) in ein Spannungssignal (206),
einem Analog-Digital-Wandler (203) zur Umwandlung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) in ein digitales Signal, und
einer Auswerte- und Steuereinrichtung (203) zur Auswertung des digitalen Signals des Analog-Digital-Wandlers (203) sowie zur Steuerung des Ladevorgangs der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie (201) basierend auf der Auswertung des digitalen Signals des Analog-Digital-Wandler (203),
wobei der Spannungswandler (202) eine Verstärkerschaltung mit variabler Verstärkung aufweist, die über mindestens einen Steuerausgang (207) der Auswerte- und Steuereinrichtung (203) derart gesteuert wird, dass die zur Erzeugung des Spannungssignals (206) eingesetzte Verstärkung gemäß einer Übertragungsfunktion an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (203) angepasst ist.

2. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung aus einer Operationsverstärkerschaltung besteht.

3. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mittels von der Auswerte- und Steuereinrichtung (203) geschalteter Widerstände gesteuert wird.

4. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mittels Pulsweitenmodulation gesteuert wird.

5. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital- Wandlers (203) je nach maximaler Anzahl von zu ladenden Akkuzellen (201) in eine Anzahl von Bereichen mit konstanter Verstärkung eingeteilt ist, deren Anzahl so bestimmt ist, dass sowohl bei minimaler als auch maximaler Anzahl von zu ladenden Batterien (201) die Auswerte- und Steuereinrichtung (203) mit Hilfe des Analog- Digital-Wandlers die Spannungsänderungen des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) mit einer vorgegebenen Genauigkeit auswertet, um über den gesamten Ladespannungsbereich eine definierte Auswertegenauigkeit zu gewährleisten.

6. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche zur Anpassung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (203) überlappen, um einen kontinuierlichen Übergang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen zu gewährleisten.

7. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (203) durch schrittweises Anpassen des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulations-Schaltung derart erfolgt, dass das Spannungssignal (206) in einen bestimmen Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (203) abgebildet wird, so dass eine definierte Auswertegenauigkeit zu gewährleistet wird.

8. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung (203) aus einem Mikrocontroller, einem programmierbaren Mikroprozessor oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) besteht.

9. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler in der Auswerte- und Steuereinrichtung (203) integriert ist.

10. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (203) über mindestens einen Steuerausgang (207) verfügt, über den die Widerstände oder die Pulsweitenmodulation für die Verstärkung direkt oder indirekt geschaltet werden.

11. Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler ein 8-Bit-Analog- Digital-Wandler und der Mikrocontroller ein 8-Bit-Microcontroller ist.

12. Ladegerät mit einer Vorrichtung zur Detektion der Ladespannung (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Verfahren zur Detektion einer Ladespannung (205) von mindestens einer wiederaufladbaren Batterie (201), bei dem
die Ladespannung (205) der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie (201) mittels eines Spannungswandlers (202) in ein Spannungssignal (206) umgewandelt wird,
das Spannungssignal (206) des Spannungswandlers (202) mittels eines Analog- Digital-Wandlers (203) in ein digitales Signal umgewandelt wird, und
eine Auswerte- und Steuereinrichtung (203) das digitale Signal des Analog-Digital- Wandlers (205) auswertet, um basierend auf der Auswertung des digitalen Signals den Ladevorgang der mindestens einen wiederaufladbaren Batterie (201) zu steuern,
wobei die zur Erzeugung des Spannungssignals (206) eingesetzte Verstärkung des Spannungswandlers (202) über eine Verstärkerschaltung variabel verstärkt wird, um das Spannungssignal (206) an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital- Wandlers (203) anzupassen.

14. Verfahren zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) an den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers (203) je nach maximaler Anzahl von zu ladenden Akkuzellen (201) in eine Anzahl von Bereichen mit konstanter Verstärkung eingeteilt ist, deren Anzahl so bestimmt ist, dass sowohl bei minimaler als auch maximaler Anzahl von zu ladenden Batterien (201) die Auswerte- und Steuereinrichtung (203) mit Hilfe des Analog-Digital- Wandlers die Spannungsänderungen des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) mit einer vorgegebenen Genauigkeit auswertet, um über den gesamten Ladespannungsbereich eine definierte Auswertegenauigkeit zu gewährleisten.

15. Verfahren zur Detektion der Ladespannung (205) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche zur Anpassung des Spannungssignals (206) des Spannungswandlers (202) an den Eingangsspannungsbereich des Analog- Digital-Wandlers (203) überlappen, um einen kontinuierlichen Übergang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen zu gewährleisten.