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Hintergrund
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Wiederaufladbare Batterien benötigen üblicherweise eine gewisse Form eines Batterieladesystems. Batterieladesysteme übertragen Leistung von einer Leistungsquelle, wie z. B. einer Haushalts-AC-Leistung, in die Batterie. Der Wiederaufladeprozess umfasst im Allgemeinen das Regeln von Spannungen und Strömen aus der Leistungsquelle mit einem Ladegerät, sodass die Spannungen und Ströme, die zu der Batterie geliefert werden, die Ladungsspezifikationen der bestimmten Batterie erfüllen. Wenn die Spannungen oder Ströme, die zu der Batterie geliefert werden, z. B. zu hoch sind, kann die Batterie belastet oder beschädigt werden.
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Andererseits, wenn die Spannungen oder Ströme, die zu einer Batterie geliefert werden, zu klein sind, kann der Ladeprozess langsam und ineffizient sein. Zusätzlich dazu, wenn der Ladeprozess nicht effizient ausgeführt wird, wird die Kapazität der Batterie möglicherweise nicht optimal genutzt und deren Nutzlebensdauer (d. h. die verfügbaren Lade/Entladezyklen) kann reduziert werden. Diese Probleme werden durch die Tatsache verschlimmert, dass Batterieeigenschaften, einschließlich spezifizierter Spannungen und Wiederaufladeströme für die Batteriezellen, von Batterie zu Batterie unterschiedlich sein können.
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Existierende Batterieladegeräte sind üblicherweise konfiguriert, um Leistung von einer bestimmten Quelle zu empfangen und Spannungen und Ströme zu einer bestimmten Batterie basierend auf der Ladespezifikation der Batterie zu senden. Dies kann z. B. das schrittweise Herunterstufen des gelieferten Ladungsstroms umfassen, wenn vorbestimmte Batteriespannungen oder -temperaturen erreicht sind, um ein Überlasten der Batterie zu vermeiden. Das Herunterstufen des Ladungsstroms kann jedoch zu Oszillationen sowohl bei Batteriezellenspannung als auch Ladungsstrom während Übergängen zwischen Strompegeln führen, da ein Abfall der Batteriespannung üblicherweise einem Abfall des Ladungs- bzw. Ladestroms folgt, aufgrund der internen Impedanz der Batteriezellen.
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Genauer gesagt, wenn eine Batteriezellenspannung einen Schwellenpegel erreicht und der Ladungsstrom verringert wird, um ein Überladen der Batteriezelle zu vermeiden, verringert sich die Zellenspannung etwas, ansprechend auf den verringerten Strom, und fällt unter den Schwellenpegel, was verursacht, dass der Ladungsstrom zurück auf seinen vorangehenden, höheren Wert springt. Dieser Zyklus des Erhöhens und Verringerns des Ladungsstroms und der Zellenspannung kann viele Male wiederholt werden bei jedem Übergang zwischen Strompegeln, was zu einer unerwünschten Belastung der Batterie und einer unnötig langen Ladezeit führt. Ferner kann die Belastung der Batterie zu einer relativen kurzen Batterielebensdauer führen.
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Ein Verfahren zum Vermeiden von Oszillationen wie jenen, die oben beschrieben sind, ist das Verriegeln des Ladungsstroms an seinem reduzierten Pegel nach jedem neuen Schritt, so dass der Strom nicht zurück auf seinen vorangehenden, höheren Wert springen kann, ansprechend auf ein Absinken der Batteriespannung. Obwohl jedoch dieses Verfahren Oszillationen vermeidet, erhöht es üblicherweise die Ladezeit wesentlich. Ein anderes Verfahren zum Vermeiden von Oszillationen ist das Vorprogrammieren des Ladegeräts mit den Ladungsanforderungen der Batterie und das schrittweise Reduzieren des gelieferten Ladungsstroms, wenn jeweils ein Spannungs- oder Temperatur-Schritt-Übergang erreicht wird. Dies vermeidet sowohl Oszillationen als auch ungewollte Verzögerungen bei der Ladung, erfordert aber, dass das Ladegerät eine vorangehende Kenntnis der Ladungsanforderungen der Batterie hat. Das Ladegerät ist somit auf zur Zeit des Ladegerätentwurfs bekannte Batterien begrenzt und unterstützt keine zukünftigen Batterien mit neuen Anforderungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Laden einer Batterie zeigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein Batterieladesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Laden einer Batterie auf eine Mehrzahl von Spannungsschritten zeigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 ist ein Graph, der Ladungsstrom und Ladungsspannung über der Zeit für eine Batterie zeigt, die gemäß einem bekannten Ladeverfahren geladen wird.
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5 ist ein Graph, der Ladungsstrom und Ladungsspannung über der Zeit für eine Batterie zeigt, die gemäß einem anderen, bekannten Ladeverfahren geladen wird.
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6 ist ein Graph, der einen Ladungsstrom und eine Ladungsspannung über der Zeit für eine Batterie zeigt, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geladen wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegenden Lehren beziehen sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Laden von wiederaufladbaren Batterien. Diese Lehren können z. B. an Batterien in Laptopcomputern, Zellentelefonen bzw. Mobiltelefonen oder andere elektronische Ausrüstung angewendet werden, die üblicherweise eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfasst. Die offenbarten Lehren können besonders geeignet zur Verwendung mit Lithiumionenpolymerbatterien sein, sind aber auch geeignet zur Verwendung mit jeglicher anderen Batterie, die nützlich in einer Reihe von Schritten geladen wird, was unterschiedlichen Ladungsströmen entspricht. Die vorliegenden Lehren umfassen allgemein das Programmieren einer Batterie mit einem Ladungsreduzierungsalgorithmus, im Gegensatz zu Systemen, die entweder keinen Ladungsreduzierungsalgorithmus verwenden oder die ein Batterieladegerät und nicht eine Batterie mit einem Ladungsreduzierungsalgorithmus programmieren.
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1 zeigt ein Verfahren, allgemein angezeigt bei 100, zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie gemäß Aspekten der vorliegenden Lehren. Bei Schritt 102 wird eine Batterie, die eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, mit einem Ladungsreduzierungsalgorithmus programmiert und mit Schrittladungsanforderungen, die den Zellen der Batterie entsprechen. Um eine solche Programmierung zu erreichen, umfasst die Batterie allgemein einen programmierbaren Prozessor, der ausgebildet ist, um Verarbeitungsoperationen an Daten zu empfangen und auszuführen und Verarbeitungsanweisungen zu empfangen und auszuführen. Zum Beispiel können Batterien, die der Smart Battery Data Specification (Datenspezifikation für intelligente Batterie) entsprechen, veröffentlicht von dem Smart Battery System Implementers Forum (Forum zum Implementieren eines intelligenten Batteriesystems), geeignet sein.
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Die Schrittladungsanforderungen, die bei Schritt 102 programmiert werden, umfassen allgemein einen maximal erwünschten Ladungsstrom, entsprechend jedem von mehreren unterschiedlichen Bereichen von Batteriezellenspannung und/oder -temperatur. Die maximale Spannung oder Temperatur von jedem Bereich kann als Schwelle oder „Triggerpunkt”-Wert gekennzeichnet sein, da das Überschreiten dieses Werts einen unterschiedlichen maximal gewünschten Ladungsstrom triggert bzw. auslöst. Im Allgemeinen verringert sich der maximal erwünschte Ladungsstrom, wenn Zellenspannung und Temperatur zunehmen, um die Belastung auf die Batterie während des Ladens zu begrenzen durch Steuern der Ladungsrate und Temperatur. Dies kann besonders wichtig sein, wenn sich die Zellenspannungen ihrer maximalen Kapazität nähern. Die Schrittladungsanforderungen sind üblicherweise ausgewählt, die Lebensdauer der Batterie zu erweitern, ohne die Ladungsgeschwindigkeit übermäßig zu beeinträchtigen. Dementsprechend variieren Schrittladungsanforderungen im Allgemeinen von Batterie zu Batterie, zumindest teilweise abhängig von der Zellenchemie, und können sich im Lauf der Zeit entwickeln, wenn Batterieforschung und -entwicklung sich weiterentwickelt.
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Der Ladungsreduzierungsalgorithmus, der bei Schritt 102 programmiert wird, wird in Verbindung mit den Schrittladungsanforderungen verwendet, um beim Bestimmen eines geeigneten Ladeparameters zu helfen, was Ladungsstrom und/oder die Ladungsspannung umfasst, die zu der Batterie geliefert werden sollen. Da der Ladungsstrom I und die Ladungsspannung V durch das ohmsche Gesetz verwandt sind: I = V / Z, wobei Z die Batterieimpedanz ist, bestimmt das Bestimmen von einem dieser Ladeparameter auch den anderen. Ferner kann das ohmsche Gesetz verwendet werden, um einen Ladungsstrom aus einem gemessene Wert von Impedanz und einer Spannung zu bestimmen. In jedem Fall führt das Anlegen des Ladungsreduzierungsalgorithmus üblicherweise zu einer progressiven Verringerung des gelieferten Ladungsstroms, um die Rate der Erhöhung der Spannung von jeder Batteriezelle zu reduzieren, immer wenn ein vorbestimmter Schwellenwert der Spannung und/oder Temperatur der Batteriezelle erreicht oder annähernd erreicht ist.
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Durch Reduzieren des gelieferten Ladungsstroms auf die oben beschriebene Weise, kann der Ladungsreduzierungsalgorithmus konfiguriert sein, die Spannung und/oder Temperatur der Batteriezellen unter jedem sukzessiven Spannungs- oder Temperatur-Triggerpunkt zu halten, bis der Ladungsstrom unter eine vorbestimmte Schwelle reduziert wurde. An diesem Punkt kann der Ladungsstrom konstant gehalten werden und die Ladungsspannung und/oder Zellentemperatur dürfen sich schneller erhöhen, bis ein anderer Triggerpunkt erreicht ist. Wie nachfolgend detaillierter erklärt wird, kann das Reduzieren des Ladungsstroms auf diese Weise verschiedene unerwünschte Wirkungen vermeiden, die auftreten, wenn keine Ladungsreduzierung erfolgt.
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Bei Schritt 104 wird eine Eigenschaft von einer oder mehreren der Batteriezellen erfasst oder gemessen, sodass der Ladungsreduzierungsalgorithmus und die Schrittladungsanforderungen angewendet werden können. Die gemessene Eigenschaft ist üblicherweise Ladungsstrom, Batteriezellenspannung, Batteriezellenimpedanz und/oder Batteriezellentemperatur. Entsprechend ist zumindest ein Stromsensor, Spannungssensor, Impedanzsensor und/oder Temperatursensor in die Batterie eingelagert oder derselben anderweitig zugeordnet, um die entsprechende Eigenschaft von zumindest einer der Batteriezellen zu überwachen. In einigen Fällen können zwei oder mehr Eigenschaften gleichzeitig mit entsprechenden Sensoren überwacht werden.
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Geeignete Sensoren können verschiedene Formen annehmen, was allgemein entsprechend entworfene integrierte Schaltungen umfasst, von denen viele Typen handelsüblich erhältlich sind. Zum Beispiel können Zellenspannungen mit einer ersten integrierten Schaltung gemessen werden und Zellentemperatur, Ladungsstrom und/oder Zellenimpedanz können mit einer zweiten, integrierten „Kraftstoffmess”-Schaltung gemessen werden, die mit der ersten Schaltung verbunden ist. Geeignete Kraftstoffmessschaltungen umfassen Teilenummern BQ2084, BQ20Z40, BQ20Z45, BQ20Z60, BQ20Z65, BQ20Z70, BQ20Z75, BQ20Z90 und BQ20Z95, die von Texas Instruments, Inc., in Dallas, Texas, verkauft werden. Die gemessene Eigenschaft oder die Eigenschaften der Batteriezelle können mit einem Analog-zu-Digital-Wandler digitalisiert werden, um in digitaler Form zu einem Prozessor übertragen zu werden.
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Bei Schritt 106 wird ein gewünschter Ladeparameter, wie z. B. Ladungsstrom oder Ladungsspannung, basierend auf der gemessenen Eigenschaft der Batteriezelle(n), den Schrittladungsanforderungen und dem Ladungsreduzierungsalgorithmus bestimmt. Üblicherweise wird der gewünschte Ladeparameter anfänglich eingestellt, um einen maximalen Ladungsstrom bereitzustellen, der dem Bereich entspricht, in dem die gemessene Eigenschaft liegt, bis die gemessene Eigenschaft sich einem vorbestimmten Versatzwert eines Schwellen- oder Triggerpunktwerts nähert. Wenn z. B. der maximal bevorzugte Ladungsstrom für eine Zelle, die auf zwischen 3,0 und 4,0 Volt (V) geladen wird, 1.400 Milliampere (mA) ist, dann kann der Ladeparameter eingestellt werden, um einen Ladungsstrom von 1.400 mA bereitzustellen, wenn eine Zellenspannung von 3,0 V gemessen wird, und dieser Ladungsstrom kann beibehalten werden, bis sich die Zellenspannung einem vorbestimmten Betrag von 4,0 V nähert, wie z. B. einem Wert von 3,9 oder 3,95 V.
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Unter Fortsetzung des vorangehenden Beispiels, wenn die Zellenspannung 4,0 V minus einen gewissen vorbestimmten Versatzbetrag erreicht (wie z. B. 0,1 V oder 0,05 V), kann der Ladeparameter eingestellt werden, um den Ladungsstrom zu reduzierten und die Zellenspannung unter 4,0 V beizubehalten, bis der Ladungsstrom unter eine vorbestimmte Schwelle fällt, die dem maximal bevorzugten Ladungsstrom für eine Zelle entspricht, die auf 4,0 V geladen wird. Der Ladungsstrom kann auf verschiedene Weisen reduziert werden, um die Zellenspannung in einem bestimmten Bereich beizubehalten, und der präzise Reduzierungsalgorithmus bzw. Taper-Algorithmus kann von der Batteriezellenchemie abhängen. Zum Beispiel kann bei einigen Anwendungen der Ladungsstrom mit einer ungefähr linearen Durchschnittsrate reduziert werden (als Funktion der Zeit), um die Zellenspannung unter einem Auslösepunktwert beizubehalten. Diese Reduzierung wird üblicherweise als eine Reihe von diskreten Schritten ausgeführt, die bei vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt werden.
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Bei Schritt 108 überträgt der Batterieprozessor eine Anforderung, den Ladungsstrom und die Ladungsspannung zu empfangen, wie bei Schritt 106 bestimmt wurde, von einem Batterieladegerät, üblicherweise durch Senden des angeforderten Werts oder der Werte in ein Datenregister, das durch das Ladegerät zugreifbar ist. Der Batterieprozessor aktualisiert die Anforderung periodisch (wiederum üblicherweise durch periodisches Aktualisieren eines geeigneten Datenregisters), sodass das Ladegerät einen Ladungsstrom liefern kann, der dem Ladungreduzierungsalgorithmus entspricht. Die Frequenz der Aktualisierungen kann ausgewählt sein, um jeden gewünschten Wert zu haben, was zu einem Ladungsstrom führt, der auf die Ladebatteriezelleneigenschaften bei jeglicher gewünschten Rate antwortet.
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Bei Schritt 110 liefert das Ladegerät den angeforderten Ladungsstrom und die Ladungsspannung. Da die Schrittladungsanforderungen und der Ladungreduzierungsalgorithmus in der Batterie beibehalten werden, muss das Ladegerät nicht mit jeglichen batteriespezifischen Informationen programmiert sein, um dies auszuführen. In einigen Fällen unterstützt das Ladegerät die Änderungen des angeforderten Ladungsstroms und der Ladungsspannung, sodass er im Wesentlichen genau die angeforderten Werte liefern kann. In anderen Fallen unterstützt das Ladegerät die Änderungen des geforderten Ladungsstroms und der Ladungsspannung möglicherweise nicht. In solchen Fallen kann das Ladegerät weiterhin als Leistungsquelle zum Liefern des angeforderten Ladungsstroms und der Ladungsspannung wirken, aber die Batterie kann Schaltungen einlagern, um den Ladungsstrom und die Spannung intern zu Steuern, die durch das Ladegerät geliefert werden, um sie im Wesentlichen auf die angeforderten Werte zu bringen.
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2 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Komponenten eines Batterieladesystems zeigt, das allgemein bei 200 angezeigt ist, gemäß Aspekten der vorliegenden Lehren. Ein solches System 200 umfasst ein Ladegerät 208, das ausgebildet ist, um einen Ladungsstrom und eine Ladungsspannung zu liefern, eine Batterie 202 mit zumindest einer Batteriezelle 204, einen Sensor 206, der zum Messen einer Eigenschaft der Batteriezelle ausgebildet ist, wie z. B. ihrer Spannung oder Temperatur, und einen programmierbaren Prozessor 210.
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Die Batterie 202 kann eine Mehrzahl von Batteriezellen 204 umfassen, die üblicherweise gemeinschaftlich ähnliche Charakteristika verwenden. Zum Beispiel können die Zellen Lithiumionenzellen mit einer maximal eingestuften Spannung von 4,2 Volt sein, wobei verschiedene erwünschte maximale Ladungsströme unterschiedlichen Zellenspannungsbereichen entsprechen. Allgemeiner gesagt können die Zellen jegliche Charakteristika aufweisen, die geeignet zum Laden in einer Reihe von Schritten mit unterschiedlichen Ladungsströmen und/oder Spannungen sind. Wie vorangehend beschrieben wurde, umfasst die Batterie 202 ferner einen programmierbaren Prozessor 210, der in der Lage ist, Daten zu empfangen und zu speichern, und mit Anweisungen programmiert zu sein und diese auszuführen. Dementsprechend kann der Prozessor einen zugeordneten Speicher und Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen und -Verbindungen umfassen.
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Der Prozessor 210 der Batterie 202 kann auf verschiedene Weisen programmiert werden, die den vorliegenden Lehren entsprechen. Üblicherweise ist der Prozessor mit einem Ladungreduzierungsalgorithmus, Schrittladungsanforderungen, die einer oder mehreren der Zellen 204 entsprechen, und Anweisungen programmiert, um einen Ladungsstrom und/oder eine Ladungsspannung basierend auf einer gemessenen Eigenschaft der Zelle, des Ladungreduzierungsalgorithmus und der Schrittladungsanforderungen zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Prozessor gemäß dem Ladungreduzierungsalgorithmus ausgebildet sein, einen angeforderten Ladungsstrom von seinem Maximum innerhalb eines bestimmten Zellenspannungsbereichs zu reduzieren, um eine Spannung von jeder Zelle 204 unter einem Trigger- bzw. Auslöserpunkt der Spannung beizubehalten, der der maximalen Spannung dieses bestimmten Bereichs entspricht. Diese Ladungsstromreduzierung kann fortgesetzt werden, bis der Ladungsstrom unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, der der minimalen Spannung des nachfolgenden Spannungsbereichs entspricht. Der Strom kann dann konstant gehalten werden, um zu ermöglichen, dass die Zellenspannung schneller hin zu dem nächsten Auslöserpunkt zunimmt.
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Der Sensor 206 ist üblicherweise konfiguriert, um zumindest entweder Ladungsstrom, Zellenspannung, Zellentemperatur oder Zellenimpedanz zu messen, die einer oder mehreren der Batteriezellen 204 entsprechen. Wie vorangehend beschrieben wurde, kann der Sensor 206 eine oder mehrere verbundene, integrierte Schaltungen umfassen, wie z. B. eine Spannungssensorschaltung und eine Kraftstoffmessschaltung, die ausgebildet sind, um unterschiedliche Parameter gleichzeitig oder in Reihe zu messen. Der Sensor 206 ist ausgebildet, um seine Messungen zu dem Prozessor 210 zu kommunizieren, und kann in einigen Fallen in den Prozessor 210 eingelagert oder integriert sein.
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3 ist ein Flussdiagramm, das zusätzliche Details eines beispielhaften Prozesses darstellt, im Allgemeinen angezeigt bei 300, zum Laden einer Batterie gemäß Aspekten der vorliegenden Lehren. Bei Schritt 302 wird eine Batterie mit einem Ladegerät verbunden, üblicherweise durch Einfügen der Batterie in eine elektronische Vorrichtung bzw. ein Bauelement, wie z. B. einen Laptopcomputer oder ein Mobiltelefon. Bei Schritt 304 werden ein oder mehrere Eigenschaften, wie z. B. Spannung, Temperatur und/oder Impedanz von zumindest einer der Batteriezellen gemessen. Bei Schritt 306 wird eine Bestimmung darüber ausgeführt, ob das Laden der Batterie erlaubt wird. Wenn die Batterie z. B. voll geladen ist oder wenn die Temperatur einen maximal zulässigen Wert überschreitet, wird das Laden vielleicht nicht erlaubt, bis die Batterie entladen ist oder die Temperatur abfällt, sodass der Prozess zu Schritt 304 für eine andere Messung zurückkehrt. Wenn das Laden erlaubt wird, fährt der Prozess mit Schritt 308 fort.
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Bei Schritt 308 wird eine Bestimmung ausgeführt, ob die Batterie in einem normalen oder einem Erhaltungsladungsbereich ist. Üblicherweise wird davon ausgegangen, dass die Batterie in einem Erhaltungsladungsbereich ist, wenn die Zellenspannung unter einem vorbestimmten Minimalwert ist oder wenn die Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist. Wenn die Batterie in dem Erhaltungsladungsbereich ist, werden der Ladungsstrom und die -spannung auf ihre entsprechenden Erhaltungsladewerte bei Schritt 310 eingestellt und der Prozess kehrt für eine weitere Messung zu Schritt 304 zurück, Dieser Zyklus wird fortgesetzt, bis die Batterie ihren normalen Ladebereich erreicht. Sobald die Batterie in dem normalen Ladebereich ist, fährt der Ladeprozess mit Schritt 312 fort.
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Bei Schritt 312 wird eine Bestimmung ausgeführt, ob die Zellenspannung einen ersten maximalen Schwellenwert überschreitet, d. h. einen ersten Spannungsschritt-Auslöserwert. Wenn die Zellenspannung diese erste Schwelle überschreitet, wird eine Bestimmung dahin gehend ausgeführt, ob die Zellenspannung ferner jeden nachfolgenden Schwellenwert überschreitet, wie allgemein bei Schritt 312' angezeigt ist. Wenn die Zellenspannung alle Spannungsschwellenwerte überschreitet, zeigt dies an, dass die Batterie überladen ist, und entsprechend wird bei Schritt 313 ein Fehler berichtet.
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Wenn die Zellenspannung den ersten Schwellenspannungsschrittwert bei Schritt 312 nicht überschreitet, wird bei Schritt 314 eine Bestimmung dahin gehend ausgeführt, ob die Zellenspannung nahe genug an dem ersten Schwellenwert ist, um in einem Reduzierungsladungsstrombereich zu sein, oder weit genug entfernt von dem ersten Schwellenwert ist, um in dem konstanten Ladungsstrombereich zu sein. Wenn sich herausstellt, dass die Zellenspannung den ersten Schwellenwert bei Schritt 312 überschreitet, wird eine ähnliche Bestimmung im Hinblick auf jeglichen Spannungsschwellenwert ausgeführt, dem die gemessene Zellenspannung am nächsten ist, wie im Allgemeinen bei Schritt 314' angezeigt ist.
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Wenn sich herausstellt, dass die Zellenspannung bei einem der Schritte 314, 314' weit genug von einem bestimmten Schwellenwert entfernt ist, um in einem konstanten Strombereich zu sein, dann werden bei einem verwandten Schritt 316, 316' der Ladungsstrom und die Spannung auf die Maximalwerte eingestellt, entsprechend dem bestimmten Spannungsbereich, in dem sich die Zelle befindet. Wenn sich andererseits bei einem der Schritte 314, 414' herausstellt, dass die Zellenspannung nahe genug an einem bestimmten Schwellenwert ist, um in dem Reduzierungsladungsstrombereich zu sein, dann werden bei einem verwandten Schritt 318, 318' der Ladungsstrom und die -spannung gemäß einem Ladungreduzierungsalgorithmus reduziert. Nach jedem der Schritte 316, 316', 318, 318' (d. h. nachdem ein geeigneter Ladungsstrom und eine -spannung bestimmt wurden) wird ein Ladeparameterdatenregister, das für das Batterieladegerät zugreifbar ist, bei Schritt 320 aktualisiert und der Prozess kehrt zu Schritt 304 zurück, für eine weitere Messung von einer oder mehreren Zelleneigenschaften.
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4 zeigt einen Graph, der allgemein bei 400 angezeigt ist, von Ladungsspannung und Ladungsstrom über der Zeit für ein erstes bekanntes Batterieladeverfahren, Genauer gesagt zeigen Linien 402 und 404 Ladungsspannung bzw. Ladungsstrom über der Zeit, für eine Batterie, die gemäß einem bekannten Verfahren geladen wird, das keine Ladungsreduzierung verwendet. Gemäß dem Ladeverfahren, das in 4 dargestellt ist, wird eine Batteriezeilenspannung gemessen, um einen Anfangswert aufzuweisen, wie bei 406 angezeigt ist. Diese anfängliche Zellenspannung ist wesentlich geringer als die maximale Spannung, die durch jede Batteriezelle unterstützt wird, was anzeigt, dass die Batterie in einem entleerten Zustand ist und geladen werden kann.
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Bei dem Verfahren, das in 4 dargestellt ist, beginnt der Ladeprozess durch Liefern eines konstanten Ladungsstroms zu der Batterie, wie bei 408 angezeigt ist. Dieser Strom ist üblicherweise der Maximalladestrom, der für den Bereich geeignet ist, in dem die Anfangszellenspannung liegt. Dieser konstante Ladungsstrom führt zu einer im Wesentlichen linearen Zunahme der Zellenspannung, wie bei 410 angezeigt ist. Wenn die Zellenspannung einen ersten Schwellenwert erreicht, wird der Ladungsstrom schnell auf einen wesentlich niedrigeren Wert verringert. Aufgrund der Zellenimpedanz führt dies zu einer schnellen Verringerung der Zellenspannung, was die Spannung zurück unter den ersten Schwellenwert bringt und verursacht, dass der Strom wieder auf seinen höheren Wert erhöht wird. Diese Stromerhöhung verursacht eine entsprechende Spannungserhöhung, was eine Stromverringerung verursacht, usw. Das Ergebnis sind Oszillationen sowohl bei Ladungsstrom als auch Zellenspannung, wie bei 412 bzw. 414 angezeigt ist. Diese Oszillationen verursachen eine Belastung der Batterie und erhöhen die Ladezeit relativ zu dem Verfahren der vorliegenden Lehren.
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Weiterhin Bezug nehmend auf das Ladeverfahren, das in 4 dargestellt ist, überschreitet schließlich der niedrigere Wert der oszillierenden Zellenspannung den ersten Schwellenwert der Spannung und der Ladungsstrom wird auf seinem niedrigeren Wert beibehalten, wie bei 416 angezeigt ist. Dies erlaubt ferner, dass die Zellenspannung ein Oszillieren bzw. Schwingen stoppt und stetig zunimmt, wie bei 418 angezeigt ist. Wenn jedoch die Spannung einen zweiten Schwellenpegel erreicht, beginnen sowohl der Ladungsstrom als auch die Zellenspannung wieder zu oszillieren, wie bei 420 bzw. 422 angezeigt ist. Wenn der untere Wert der oszillierenden Zellenspannung die zweite Schwelle überschreitet, bleibt der Ladungsstrom konstant auf seinem niedrigeren Wert und die Zellenspannung nimmt wiederum stetig zu, wie bei 424 bzw. 426 angezeigt ist. Wenn die Zellenspannung einen Maximalwert erreicht, wie bei 428 angezeigt ist, wird der Ladungsstrom hin zu einem Nullstrom verringert, wie bei 430 angezeigt ist.
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5 zeigt einen Graphen, im Allgemeinen angezeigt bei 500, von Ladungsspannung und Ladungsstrom über der Zeit für ein zweites, bekanntes Batterieladeverfahren. Genauer gesagt zeigen Linien 502 und 504 Ladungsspannung bzw. Ladungsstrom über der Zeit für eine Batterie, die gemäß anderen vorangehend bekannten Verfahren geladen ist. Gemäß diesem Verfahren wird eine Batteriezellenspannung gemessen, um einen anfänglichen Wert aufzuweisen, wie bei 506 angezeigt ist, der derselbe Wert 406 ist wie der, der bei dem Verfahren in 4 gemessen wurde. Dementsprechend ist die anfängliche Zellenspannung wesentlich niedriger als die maximale Spannung, die durch jede Batteriezelle unterstützt wird, was anzeigt, dass die Batterie in einem entleerten Zustand ist und geladen werden kann.
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Der Ladeprozess, der in 5 dargestellt ist, beginnt durch Liefern eines konstanten Ladungsstroms zu der Batterie, wie bei 508 angezeigt ist. Dieser Strom ist üblicherweise der maximale Ladungsstrom, der für den Bereich geeignet ist, in dem die anfängliche Zellenspannung liegt. Dieser konstante Ladungsstrom führt zu einer im Wesentlichen linearen Zunahme der Zellenspannung, wie bei 510 angezeigt ist. Wenn die Zellenspannung einen ersten Schwellenwert erreicht, wird der Ladungsstrom schnell auf einen wesentlich niedrigeren Wert verringert. Aufgrund der Zellenimpedanz führt dies zu einer schnellen Verringerung der Zellenspannung, was die Spannung zurück unter den ersten Schwellenwert bringt. All das ist dasselbe wie bei dem Verfahren, das in 4 gezeigt ist, Gemäß dem Verfahren von 5 jedoch ist der Ladungsstrom in seinen niedrigeren Wert durch Hysterese verriegelt, wie bei 512 angezeigt ist. Dies verhindert Oszillationen der Zellenspannung und führt zu einer ständigen Zunahme der Spannung, wie bei 514 angezeigt ist.
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Weiterhin Bezug nehmend auf 5 wird der niedrigere Ladungsstrom, angezeigt bei 512, beibehalten, bis ein zweiter Spannungsschwellenwert erreicht wird, wobei an diesem Punkt der Ladungsstrom wiederum schnell auf einen niedrigeren Wert abfällt, was verursacht, dass die Zellenspannung abfällt, aufgrund der Zellenimpedanz. Der niedrigere Ladungsstromwert wird beibehalten, wie bei 516 angezeigt ist, wenn die Zellenspannung hin zu ihrem Maximum zunimmt, wie bei 518 angezeigt ist. Wenn die Zellenspannung einen Maximalwert erreicht, wie bei 520 angezeigt ist, wird der Ladungsstrom hin zu dem Nullstrom verringert, wie bei 522 angezeigt ist,
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6 zeigt einen Graph, allgemein angezeigt bei 600, von Ladungsspannung und Ladungsstrom über der Zeit für ein Batterieladeverfahren gemäß den vorliegenden Lehren. Genauer gesagt zeigen Linien 602 und 604 eine Ladungsspannung bzw. Ladungsstrom über der Zeit, für eine Batterie, die gemäß einem Verfahren geladen wird, das eine Ladungsreduzierung umfasst. Gemäß diesem Verfahren wird eine Batteriezellenspannung wiederum gemessen, um einen anfänglichen Wert aufzuweisen, der bei 606 angezeigt ist, der niedriger ist als die Maximalspannung, die durch die Zelle unterstützt wird, was anzeigt, dass die Batterie geladen werden kann. Wie bei den Verfahren von 4–5 wird ein konstanter Ladungsstrom zu der Batterie geliefert, wie bei 608 angezeigt ist, was zu einer Erhöhung der Zellenspannung führt, wie bei 610 angezeigt ist.
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Im Gegensatz zu beiden vorangehend beschriebenen Ladeverfahren wird der anfängliche Ladungsstrom bei dem Verfahren, das in 6 dargestellt ist, auf einem konstanten Wert beibehalten, bis sich die Zellenspannung auf einen vorbestimmten Versatzbetrag von einer ersten Spannungsschwelle oder einen Auslöserwert nähert, wobei an diesem Punkt der Ladungsstrom reduziert oder verjüngt wird, wie bei 612 angezeigt ist. Dies verursacht, dass die Ladungsspannung bei einer wesentlich reduzierten Rate zunimmt, wie bei 614 angezeigt ist. In einigen Fallen (in 6 nicht gezeigt) kann das Reduzieren des Ladestroms verursachen, dass die Spannung konstant wird oder für eine gewisse Zeitdauer abnimmt, und nicht nur bei einer reduzierten Rate bzw. Geschwindigkeit zunimmt. Eine Ladungsstromreduzierung dauert an, bis der Strom einen Wert erreicht, der für Spannungen über dem ersten Spannungsauslöserwert zulässig ist. An diesem Punkt wird der Strom auf einem konstanten Wert beibehalten, wie bei 616 angezeigt ist, und die Spannung nimmt schneller zu, wie bei 618 angezeigt ist.
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Weiter gemäß den vorliegenden Lehren und wie in 6 angezeigt ist, wenn die Zellenspannung einen vorbestimmten Versatzbetrag von einer zweiten Spannungsschwelle oder einem Auslöserwert erreicht, wird der Ladungsstrom wieder reduziert, wie bei 620 angezeigt ist. Dies führt wiederum zu einer wesentlichen Reduzierung der Rate der Zunahme der Ladungsspannung, wie bei 622 angezeigt ist. Wenn der Strom einen Wert erreicht, der geeignet für Spannungen über der zweiten Spannungsschwelle ist, wird der Ladungsstrom auf einem konstanten Wert beibehalten, wie bei 624 angezeigt ist, und die Ladungsspannung nimmt schneller zu, wie bei 626 angezeigt ist.
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Der oben beschriebene Zyklus des Ladens einer Batterie bei einem konstanten Ladungsstrom und dann einem reduzierten Ladungsstrom kann eine beliebige Anzahl von Malen wiederholt werden und mit jeglichen gewünschten Spannungsschwellenwerten, Versatzwerten, Ladungsstromwerten und Ladungsstromreduzierungsraten, gemäß den Schrittladungsanforderungen einer bestimmten Batterie. Wenn schließlich sich die Zellenspannung einem Maximalwert nähert, wie bei 628 angezeigt ist, wird der Ladungsstrom hin zu einem Nullstrom verringert, wie bei 630 angezeigt ist. Dies kann schrittweise ausgeführt werden, entweder als Teil des Reduzierungsalgorithmus oder als ein inhärentes Merkmal der Batterie, die sich ihrer vollen Ladung nähert, um unerwünschte entsprechende Verringerungen der Zellenspannung aufgrund der internen Zellenimpedanz zu vermeiden.
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Im Vergleich zu den Ladeverfahren, die in 4–5 gezeigt sind, vermeidet das Verfahren, das in 6 gezeigt ist, ungewollte Oszillationen des Ladungsstroms und der Zellenspannung (wie bei dem Verfahren, das in 4 gezeigt ist), und vermeidet ferner ungewollte Verzögerungen beim Laden, weil das Ladegerät gezwungen wird, einen unnötig niedrigen Ladungsstrom beizubehalten (wie bei dem Verfahren, das in 5 gezeigt ist). Zusätzlich dazu, wie vorangehend beschrieben wurde, betrachten die vorliegenden Lehren das Programmieren der Batterie selbst und nicht des Ladegeräts, mit einem Ladungsreduzierungsalgorithmus, sodass ein Ladegerät keine batteriespezifischen Informationen umfassen muss, um gemäß den vorliegend offenbarten Verfahren zu funktionieren.
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In der vorangehenden Beschreibung sind zahlreiche Details ausgeführt, um ein Verständnis der vorliegenden Erfindung zu geben. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung ohne diese Details ausgeführt werden kann. Während diese Erfindung im Hinblick auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsbeispielen offenbart wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Variationen von denselben erkennen. Es ist die Absicht, dass die angefügten Ansprüche solche Modifikationen und Variationen abdecken, wie sie in das wahre Wesen und den Schutzbereich der Erfindung fallen.
