DE19502842A1

DE19502842A1 - Determining remaining battery capacity of battery in set of batteries

Info

Publication number: DE19502842A1
Application number: DE19502842A
Authority: DE
Inventors: William J Purdue
Original assignee: Intermec Corp
Current assignee: Intermec Technologies Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1995-08-03
Also published as: JPH07226233A

Abstract

The electronic control (15) is used for the monitoring of selected operating parameters. The remaining capacity of the battery (39) of the battery set (38) is determined from the called up data and the monitored operating parameters by the electronic control. The electronic control is a microprocessor. The step for determining the remaining capacity of the battery includes the computing of the charging condition by the microprocessor. A sensor (30) for the external energy source is connected to the electronic control (15). Temp. data is also stored in the storage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustands von Batterien und zur Aufladung von Batterien in Batteriegruppen. Die Er findung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Bestim mung des Ladungszustands von Batterien, und zur Festlegung und Durchführung geeigneter Batterieaufladezyklen auf der Grundlage des ermittelten Ladungszustands, gespeicherter Batterieparameter, elektrischer und thermischer Reaktionen, und der Vorgeschichte bezüglich der Temperatur und der Auf ladung.The present invention relates to a method and a Device for determining the state of charge of batteries and for charging batteries in battery groups. The he In particular, the invention relates to a device for determining determination of the state of charge of batteries, and fixing and performing appropriate battery charging cycles on the Basis of the determined state of charge, stored Battery parameters, electrical and thermal reactions, and history of temperature and exposure charge.

Zahlreiche tragbare Geräte verwenden wiederaufladbare Bat terien als Energiequellen, wenn eine externe Energiequelle nicht verfügbar ist. Falls eine externe Energiequelle für einen gewissen Zeitraum zur Verfügung steht, so ist es vor teilhaft, den Batteriesatz nachzuladen, um zusätzliche Ladung für solche Zeiträume zu speichern, wenn eine externe Quelle nicht zur Verfügung steht.Many portable devices use rechargeable bat terie as energy sources when an external energy source not available. If an external energy source for is available for a certain period of time, so it is partial to recharge the battery pack for additional charging save for such periods if an external source is not available.

Da die Verwendung des tragbaren Gerätes eingeschränkt ist, während die Batterie nach- oder aufgeladen wird, wurde der Überwachung der verbleibenden Batteriekapazität der Batterie und der Entwicklung von Aufladungsverfahren große Beachtung geschenkt, um eine wirksame und schnelle Wiederaufladung der Batterien zur Verfügung zu stellen, und um dem Benutzer mit zuteilen, wann eine Wiederaufladung erforderlich ist. Viele dieser Vorgehensweisen setzen "intelligente" Batterielade zyklen ein, welche Ladeparameter einstellen, zur Anpassung an die Batterieeigenschaften. Derartige Vorgehensweisen erfor dern gewöhnlich Daten, die sich auf die zu ladende Batterie beziehen, um den Ladungswirkungsgrad zu optimieren. Es können beispielsweise Daten bezüglich der Batterieaufladevergangen heit, der maximalen Batteriekapazität, der Art der Batterie, und der Temperaturvergangenheit dazu eingesetzt werden, den Ladungszustand der Batterie zu bewerten, und um einen ent sprechenden Aufladungszyklus zu entwickeln. Weiterhin kann aktive Information eingesetzt werden, die sich auf den Auf ladestrom, die Ladetemperatur, und die Batteriespannung be zieht, um noch genauer den Ladungszustand zu bewerten, und die Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad von Batterielade zyklen zu verbessern.Since the use of the portable device is restricted, while the battery is being recharged or charged, the Monitoring the remaining battery capacity of the battery and the development of charging processes donated to an effective and quick recharge of the To provide batteries, and to provide the user with assign when recharging is required. Lots of these approaches put "intelligent" battery charging cycles on, which load parameters set, for adaptation to the battery properties. Such procedures are required usually data related to the battery being charged relate to optimize the charge efficiency. It can for example, battery charge data has passed the maximum battery capacity, the type of battery, and temperature history can be used to To assess the state of charge of the battery, and to make an ent to develop a speaking charge cycle. Furthermore can active information is used that relates to the on charging current, the charging temperature, and the battery voltage pulls to evaluate the state of charge more precisely, and the speed and efficiency of battery charging improve cycles.

Wenn jeder der voranstehend geschilderten Parameter bekannt oder festgelegt ist, kann ein fester Ladezyklus eingesetzt werden. Ändern sich allerdings diese Parameter, so ist es vorteilhaft, den Ladezyklus entsprechend anzupassen.If each of the parameters described above is known or fixed, a fixed charging cycle can be used become. However, if these parameters change, it is advantageous to adjust the charging cycle accordingly.

Da die Lebensdauer und die Ladungskapazität von Batterien nicht unbegrenzt ist, ist es häufig erforderlich oder vor teilhaft, eine bestimmte Batterie durch eine unterschiedliche Batterie zu ersetzen. In einem solchen Fall können einige oder sämtliche der bekannten oder gemessenen Parameter der Batterie sich ändern. Feste Ladezyklen, die an eine ursprüng liche Batterie angepaßt sind, können für eine Ersatzbatterie nicht geeignet sein.Because the life and charge capacity of batteries is not unlimited, it is often required or before partial, a particular battery by a different one To replace battery. In such a case, some or all of the known or measured parameters of the Battery change. Fixed charging cycles that are based on an original Liche battery are adapted for a spare battery Not be suitable.

Um sich an eine neue Batterie mit unterschiedlichen Eigen schaften anzupassen ist es häufig erforderlich, eine Bewer tung der Batterie durchzuführen, um die Batterieparameter zu messen oder abzuschätzen. Wenn diese Bewertung aktiv durch ein Gerät durchgeführt werden soll, so führt dies zu einer gewissen Verzögerung, und zu einer möglichen Ungenauigkeit, infolge der Zeit und Energie, die zur Bestimmung der neuen Parameter eingesetzt werden. Dies begrenzt die Geschwindig keit und den Wirkungsgrad eines adaptiven Ladezyklus.To look at a new battery with different properties It is often necessary to adjust an assessment device to perform the battery parameters measure or estimate. If this review is active through a device is to be carried out, this leads to a certain delay, and a possible inaccuracy, due to the time and energy needed to determine the new Parameters are used. This limits the speed speed and the efficiency of an adaptive charging cycle.

Während eine Alternative hierzu darin besteht, einen festen Ladezyklus für sämtliche Batterien einzurichten, ist eine derartige Vorgehensweise beschränkt, da sie eine Optimierung des Ladezyklus für unterschiedliche Batteriearten, Tempera turen und Ladungspegel verhindert.While an alternative to this is a fixed one Setting up a charging cycle for all batteries is one such approach is limited because it is an optimization the charging cycle for different types of batteries, tempera doors and charge levels prevented.

Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich auf eine Vorrich tung und ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands der Auf ladung und zur Bestimmung von Parametern sowie zur Steuerung, in Reaktion hierauf, der Aufladung von Batteriesätzen in batteriebetriebenen Geräten mit wiederaufladbaren Batterien gerichtet. Speicherelemente sind in den Batteriesätzen vor gesehen, um Ladedaten und Temperaturdaten und Batterieeigen schaften zu speichern, was zu einem eingebauten "Brennstoff meßgerät" in dem Batteriesatz führt. Weiterhin sind Tempera tursensoren in den Batteriesätzen vorgesehen. Beispiele für in derartigen Sätzen eingesetzte Batterien umfassen Nickel/Cadmium- oder Nickel/Metallhydrid-Batterien. Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält ebenfalls eine Reservebatterie. Die Vorrichtung verwendet eine Steuerung wie beispielsweise einen Mikroprozessor, zur Bewertung der Parameter eines Batteriesatzes auf der Grund lage aktiver Messungen und gespeicherter Daten. Die Steue rung regelt darüber hinaus den Aufladestrom und liefert die sen an die Sätze wiederaufladbarer Batterien in Reaktion auf die Ladevergangenheit und Parameter des Batteriesatzes, durch Bereitstellung einer Eingangsgröße für eine einstell bare Ladequelle. Die Vorrichtung stellt weiterhin eine An zeige oder ein Meßgerät zur Verfügung, um dem Benutzer die Bestimmung der verbleibenden Batteriekapazität zu ermöglichen. Das Ausgangssignal dieses Brennstoffmeßgeräts kann sichtbar oder hörbar wahrnehmbar sein.The present invention is primarily directed to a device device and a method for determining the state of exposure charging and for determining parameters as well as for control, in response to this, the charging of battery packs in battery powered devices with rechargeable batteries directed. Storage elements are included in the battery packs seen to own charging and temperature data and battery to save what leads to a built-in "fuel measuring device "in the battery pack. Furthermore, tempera door sensors provided in the battery packs. examples for Batteries used in such sets include nickel / cadmium or nickel / metal hydride batteries. The preferred Embodiment of the device according to the invention contains also a reserve battery. The device used a controller such as a microprocessor for Assessment of the parameters of a battery pack on the ground location of active measurements and stored data. The tax tion also regulates the charging current and delivers the react to the sets of rechargeable batteries on the charging history and parameters of the battery pack, by providing an input variable for a bare charging source. The device continues to turn on show or a measuring device available to the user To enable determination of the remaining battery capacity. The output signal of this fuel meter can be seen or be audible.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die Computersteue rung zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses. Die Computer steuerung greift auf Speicher zu, die innerhalb des Batterie satzes vorgesehen sind, um die Batterieeigenschaften zu be stimmen. Er verwendet darüber hinaus Daten von einem Analog/Digital-Wandler zusammen mit Batteriespannungs- und Tempe raturüberwachungsgeräten, um den Ladungszustand und den Be triebszustand der Batterien zu bestimmen.The method according to the invention uses computer control to achieve the desired result. The computers control accesses memory within the battery are provided to be the battery properties voices. It also uses data from an analog / digital converter along with battery voltage and tempe rature monitoring devices to the charge state and the Be determine the operating state of the batteries.

Alternativ hierzu kann ein einfacheres Bauteil wie beispiels weise ein EEROM verwendet werden, welches eine Nachschlage tabelle enthält, statt der Computersteuerung.Alternatively, a simpler component such as an EEROM can be used, which is a lookup contains table instead of computer control.

Das Gerät enthält weiterhin eine Audio-Ausgangsstufe sowie Erweiterungsmöglichkeiten zum Anschluß von Hilfsgeräten. Ein hörbares Ausgangssignal wird unter Verwendung eines Laut sprecherelements erzielt.The device also includes an audio output stage as well Expansion options for connecting auxiliary devices. A Audible output signal is made using a sound speaker element achieved.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungs form des Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of the device according to the present invention.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungs form eines Geräts 10 in einer Umgebung, die von einer Steue rung 15 auf Mikroprozessorbasis gesteuert wird. Wenn eine ex terne Energiequelle verfügbar ist, so arbeitet das Gerät 10 unter Verwendung von Energie, die von einer primären Energie einheit 12 an Eingangsklemmen 11A, 11B geliefert wird. Die primäre Energieeinheit 12 wird von außen versorgt, beispiels weise durch Wechselspannungs-Netzstrom, dargestellt durch die Netzleitung 13. Die primäre Energieeinheit 12 ist eine bekann te Energieversorgungseinheit, beispielsweise eine im Handel erhältliche Energieversorgung, die einen Schaltregler ver wendet, der eine geregelte Spannung für das System erzeugt. Alternative Energieversorgungen sind im Stand der Technik bekannt und können eingesetzt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Fig. 1 shows a block diagram of the preferred embodiment of a device 10 in an environment which is controlled by a controller 15 on a microprocessor basis. If an ex ternal energy source is available, the device 10 operates using energy that is supplied by a primary energy unit 12 to input terminals 11 A, 11 B. The primary energy unit 12 is supplied from the outside, for example by AC mains current, represented by the mains line 13 . The primary power unit 12 is a well-known power supply unit, such as a commercially available power supply that uses a switching regulator that generates a regulated voltage for the system. Alternative power supplies are known in the art and can be used without departing from the scope of the invention.

Die bevorzugte Ausführungsform weist darüber hinaus einen Sensor 30 für die externe Energiequelle auf, der zwischen die Eingangsklemmen 11A, 11B geschaltet ist und eine Aus gangsklemme 31 aufweist, die elektrisch mit einer Eingangs klemme 34 der Steuerung 15 verbunden ist. Der Energiequel lensensor 30 ist eine im Stand der Technik bekannte Schaltung, beispielsweise eine Reihenwiderstandsschaltung, die einen Spannungsteiler aufweist. Der Energiequellensensor 30 zeigt der Steuerung 15 das Vorhandensein einer externen Quelle an.The preferred embodiment also has a sensor 30 for the external energy source, which is connected between the input terminals 11 A, 11 B and has an output terminal 31 , which is electrically connected to an input terminal 34 of the controller 15 . The energy source lens sensor 30 is a circuit known in the prior art, for example a series resistance circuit which has a voltage divider. The energy source sensor 30 indicates to the controller 15 the presence of an external source.

Die Vorrichtung von Fig. 1 ist darüber hinaus mit einem wie deraufladbaren Batteriesatz 38 versehen. Der Batteriesatz 38 verwendet im Handel erhältliche, wiederaufladbare Batte rien 39, beispielsweise Nickel/Cadmium- oder Nickel/Metall hydrid-Batterien. The device of Figure 1 is also provided with a rechargeable battery pack 38 . The battery pack 38 uses commercially available rechargeable batteries 39 , for example nickel / cadmium or nickel / metal hydride batteries.

Ein konventioneller Komparator 16 innerhalb des Batterie satzes 38 wird dazu verwendet, Anzeigesignale für den Batte riepegel an einer Ausgangsklemme 18A für eine "tote" Batterie, an einer Ausgangsklemme 18B für eine niedrig geladene Batte rie, und an einer Batteriewarnklemme 18C zu erzeugen, wenn die zwischen den Ausgangsklemmen 20, 21 des Batteriesatzes 38 gemessene Spannung unter vorbestimmte Pegel abfällt. Der Komparator 16 kann alternativ hierzu in der primären Energie einheit 12 vorgesehen sein, oder getrennt in dem Gerät vor gesehen sein.A conventional comparator 16 within the battery pack 38 is used to generate indication signals for the battery level at an output terminal 18 A for a "dead" battery, at an output terminal 18 B for a low-charged battery, and at a battery warning terminal 18 C. when the voltage measured between the output terminals 20 , 21 of the battery pack 38 drops below a predetermined level. The comparator 16 can alternatively be provided in the primary energy unit 12 , or can be seen separately in the device.

Signale von der Ausgangsklemme 18A für eine "tote" Batterie, der Ausgangsklemme 18B für eine niedrig geladene Batterie, und der Batteriewarnklemme 18C des Komparators 16 werden in die Steuerung 15 eingegeben.Signals from the output terminal 18 A for a "dead" battery, the output terminal 18 B for a low-charged battery, and the battery warning terminal 18 C of the comparator 16 are input to the controller 15 .

Ein Strommeßwiderstand mit einer Strommeß-Ausgangsklemme 32A ist in Reihe zwischen die Ausgangsklemme 21 des Satzes und das Bezugspotential geschaltet. Die Strommeß-Ausgangsklemme 32A gibt eine Anzeige des Ladestroms, wie nachstehend erläu tert wird. Der Strommeßsensor bei der bevorzugten Ausfüh rungsform ist ein Meßwiderstand 32, jedoch werden Fachleuten auf diesem Gebiet sofort Alternativen einfallen.A current measuring resistor with a current measuring output terminal 32 A is connected in series between the output terminal 21 of the set and the reference potential. The current measurement output terminal 32 A gives an indication of the charging current, as will be explained below. The current measuring sensor in the preferred embodiment is a measuring resistor 32 , however, those skilled in the art will immediately think of alternatives.

Der wiederaufladbare Batteriesatz 38 weist weiterhin einen Temperatursensor 41 und eine Temperaturausgangsklemme 40 auf. Wie in Fig. 1 gezeigt wird der Temperatursensor 41 in dem wiederaufladbaren Batteriesatz 38 durch einen Thermistor 41 in thermischem Kontakt mit der Batterie 39 gebildet. Der Thermistor 41 weist eine Impedanz auf, die proportional zur Temperatur des Batteriesatzes ist. Der Thermistor 41 erhält eine Vorspannung durch einen Vorspannungswiderstand 37. Die Spannung über dem Thermistor 41 ändert sich dann entspre chend mit der Änderung des Widerstands des Thermistors 41. The rechargeable battery pack 38 also has a temperature sensor 41 and a temperature output terminal 40 . As shown in FIG. 1, the temperature sensor 41 in the rechargeable battery pack 38 is formed by a thermistor 41 in thermal contact with the battery 39 . The thermistor 41 has an impedance that is proportional to the temperature of the battery pack. The thermistor 41 is biased by a bias resistor 37 . The voltage across the thermistor 41 then changes accordingly with the change in the resistance of the thermistor 41st

Dies stellt eine Spannung zur Eingabe in die Steuerung 15 zur Verfügung, wie nachstehend genauer erläutert wird. Die Steuerung 15 kann dann Temperaturänderungen in dem Batterie satz bestimmen, durch Vergleich der Spannung über dem Ther mistor 41 mit der Ausgangsspannung von einem Umgebungstempe raturmonitor 57. Der Umgebungstemperaturmonitor weist einen ähnlichen Aufbau auf wie der Temperatursensor 41. Der Batte riesatz 38 kann einen Bereich von Energiespeicherungskapazi täten, Batteriearten, und Temperaturmeßfähigkeiten aufweisen.This provides a voltage for input to controller 15 , as will be explained in more detail below. The controller 15 can then determine temperature changes in the battery pack, by comparing the voltage across the thermistor 41 with the output voltage from an ambient temperature monitor 57 . The ambient temperature monitor has a structure similar to that of the temperature sensor 41 . The battery pack 38 may include a range of energy storage capacities, types of batteries, and temperature measurement capabilities.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein Speicher 42 in dem wiederaufladbaren Batteriesatz 38 vorgesehen, um eine Batteriesatz-Speicherfähigkeit zur Verfügung zu stellen. Ein sekundärer Speicher 44 ist ebenfalls in dem Batteriesatz vor gesehen. Bei der momentan bevorzugten Ausführungsform der er findungsgemäßen Vorrichtung wird ein ROM/RAM-Chip 43 mit drei Klemmen, 256 Bit, und einer seriellen Schnittstelle sowohl als Speicher 42 und sekundärer Speicher 44 verwendet. Der Chip 43 enthält 32 Bit fabrikprogrammierter ROMs als Spei cher 42, und 224 Bits eines statischen CMOS-RAMs als sekun dären Speicher 44. Andere Arten von Batteriesatzspeichern werden Fachleuten auf diesem Gebiet sofort deutlich werden.In the preferred embodiment, memory 42 is provided in rechargeable battery pack 38 to provide battery pack storage capability. A secondary memory 44 is also seen in the battery pack. In the currently preferred embodiment of the device according to the invention, a ROM / RAM chip 43 with three terminals, 256 bits, and a serial interface is used as both memory 42 and secondary memory 44 . The chip 43 contains 32 bits of factory-programmed ROMs as memory 42 , and 224 bits of a static CMOS RAM as secondary memory 44 . Other types of battery pack storage will immediately become apparent to those skilled in the art.

Der Speicher 42 enthält in der fabrikprogrammierten Informa tion in bezug auf die Batterie, einschließlich der Batterie art, der Kapazität und der Ladungssteuerparameter. Der sekun däre Speicher 44 wird im Betrieb programmiert, um die Ladungs vorgeschichte und den momentanen Zustand anzuzeigen. Der sekundäre Speicher 44 stellt daher einen aktuellen Monitor der verbleibenden Ladung in der Batterie zur Verfügung. Der Batteriesatz 38 weist eine Speicherausgangsklemme 46 auf, eine Ausgangsklemme 48 des sekundären Speichers zur Übertra gung von Daten an Dateneingänge der Steuerung 15, und eine Speichereingangsklemme 45 für den Empfang von Daten von der Steuerung 15. The memory 42 contains in the factory-programmed information relating to the battery, including the battery type, the capacity and the charge control parameters. The secondary memory 44 is programmed in operation to indicate the charge history and the current state. The secondary memory 44 therefore provides a current monitor of the remaining charge in the battery. The battery pack 38 has a memory output terminal 46 , an output terminal 48 of the secondary memory for transferring data to data inputs of the controller 15 , and a memory input terminal 45 for receiving data from the controller 15 .

Analogdaten von der Ausgangsklemme 20, der Strommeßausgangs klemme 32A, dem Umgebungstemperaturmonitor 57 und der Tempe raturmeßklemme 40 werden in Digitaldaten umgewandelt und an die Steuerung 15 geschickt, über einen A/D-Wandler 17. Dies stellt eine Messung der Ausgangsspannung, des Ladestroms, und der Batterietemperatur sowie der Umgebungstemperatur für die Steuerung 15 zur Verfügung.Analog data from the output terminal 20 , the current measuring output terminal 32 A, the ambient temperature monitor 57 and the temperature measuring terminal 40 are converted into digital data and sent to the controller 15 via an A / D converter 17 . This provides a measurement of the output voltage, the charging current, and the battery temperature as well as the ambient temperature for the controller 15 .

Ein Vorteil des Gerätes liegt darin, daß die Steuerung 15 Daten von dem A/D-Wandler 17 dazu verwenden kann, die Stei gung einer Batterieentladungskurve zu berechnen. Aus dieser Kurve kann die Steuerung 15 eine Abschätzung der übrigblei benden Batteriekapazität durchführen. Die Steuerung 15 ver wendet eine konventionelle Algorithmus-Berechnung zur Durch führung dieser Abschätzung; es können jedoch andere Vorgehens weisen eingesetzt werden, beispielsweise eine Nachschlage tabelle. Wird eine Vorgehensweise mit einer Nachschlagetabel le verwendet, so kann eine EEROM-Steuerung statt der Steue rung 15 auf Mikroprozessorbasis verwendet werden, um die ver bleibende Batteriekapazität der Batterie abzuschätzen, und den geeigneten Ladezyklus auszuwählen.An advantage of the device is that the controller 15 can use data from the A / D converter 17 to calculate the slope of a battery discharge curve. From this curve, the controller 15 can make an estimate of the remaining battery capacity. The controller 15 uses a conventional algorithm calculation to carry out this estimate; however, other approaches can be used, such as a lookup table. If a lookup table approach is used, an EEROM controller may be used instead of the microprocessor-based controller 15 to estimate the remaining battery capacity of the battery and select the appropriate charge cycle.

Die bevorzugte Ausführungsform setzt die ermittelte verblei bende Batteriekapazität zur Bereitstellung einer "Brennstoff anzeige" für einen Benutzer ein. Die geschätzte, verbleiben de Batteriekapazität der Batterie wird daher einem Benutzer visuell auf einer visuellen Anzeige 59 unter Steuerung durch die Steuerung 15 dargeboten. Die visuelle Anzeige 59 kann als ein Abschnitt einer Anzeige auf einer konventionellen Kathodenstrahlröhre ausgebildet sein. Fachleuten auf diesem Gebiet werden sofort andere Anzeigen deutlich werden, bei spielsweise graphische Anzeigen auf LCDs, oder ein lineares Feld aus LEDs. The preferred embodiment uses the remaining battery capacity determined to provide a "fuel gauge" to a user. The estimated remaining battery capacity of the battery is therefore presented to a user visually on a visual display 59 under the control of the controller 15 . The visual display 59 may be formed as a portion of a display on a conventional cathode ray tube. Specialists in this field will immediately see other displays, such as graphic displays on LCDs, or a linear array of LEDs.

Der Ladestrom wird durch eine Ladesteuerschaltung 35 gesteuert oder geregelt, die aus einem D/A-Wandler 52 besteht, einem Referenzverstärker 54, und einer Durchlaßtransistorschaltung, die aus einem Durchlaßtransistor 56 und einem Vorspannwider stand 58 besteht. Der Eingang des D/A-Wandlers 52 ist an einen Ausgangsbus 49 der Steuerung 15 angeschlossen. Der Ausgang des D/A-Wandlers 52 wird in den Referenzverstärker 54 eingegeben, dessen anderer Eingang an die Strommeßwiderstandsklemme 32A angeschlossen ist, und dessen Ausgang an die Durchlaßtransis torschaltung angeschlossen ist. Der Durchlaßtransistor 56 ist so angeschlossen, daß sein Emitter mit der Eingangsklemme 11A verbunden ist, und sein Kollektor so angeschlossen ist, daß er Strom für den wiederaufladbaren Batteriesatz 38 zur Verfügung stellt.The charge current is controlled by a charge control circuit 35 , which consists of a D / A converter 52 , a reference amplifier 54 , and a pass transistor circuit, which consisted of a pass transistor 56 and a bias resistor 58 . The input of the D / A converter 52 is connected to an output bus 49 of the controller 15 . The output of the D / A converter 52 is input to the reference amplifier 54 , the other input of which is connected to the current measuring resistor terminal 32 A, and the output of which is connected to the gate transistor circuit. The pass transistor 56 is connected so that its emitter is connected to the input terminal 11 A, and its collector is connected so that it provides current for the rechargeable battery pack 38 .

Eine Batterieentladeeinrichtung ist in dem Gerät in Form ei nes Transistors 50 vorgesehen, dessen Gate 51A durch einen Entladeausgang 55 der Steuerung 15 getrieben wird. Der Tran sistor 15 ist so angeschlossen, daß sein Drain 51B und seine Source 51C elektrisch an die Ausgangsklemme 20 über einen Quellenwiderstand 53 angeschlossen sind, der mit Bezugspoten tial verbunden ist. Wenn eine Gatespannung dem Entladungs transistor 50 zugeführt wird, so stellt der Transistor 50 einen Strompfad für das Bezugspotential zur Verfügung. Da der einzige Widerstand für den Strom durch den Source-Wider stand 53 gebildet wird, kann das Gerät eine schnelle Ent ladung zur Verfügung stellen, wenn ein niedriger Widerstands wert für den Source-Widerstand 53 gewählt wird.A battery discharge device is provided in the device in the form of a transistor 50 , the gate 51 A of which is driven by a discharge output 55 of the controller 15 . The transistor 15 is connected so that its drain 51 B and its source 51 C are electrically connected to the output terminal 20 via a source resistor 53 , which is connected to reference potential. When a gate voltage is supplied to the discharge transistor 50 , the transistor 50 provides a current path for the reference potential. Since the only resistor for the current through the source resistor 53 was formed, the device can provide a rapid discharge if a low resistance value is selected for the source resistor 53 .

Die Batterieentladungsfähigkeit ist dann vorteilhaft, wenn ein Ladezyklus unter Verwendung einer Batterieentladung ge wünscht wird. Derartige Zyklen sind im Stand der Technik bekannt und sind nützlich für Batterien, die einen "Erinne rungseffekt" zeigen, beispielsweise Nickel/Cadmium-Batterien. The battery discharge capability is advantageous if a charge cycle using a battery discharge is desired. Such cycles are in the prior art known and useful for batteries that have a "memory effect "show, for example, nickel / cadmium batteries.

Beispielsweise Vorgehensweisen, bei welchen sich die Batterien "verschlucken", erfordern eine Batterieentladungsfähigkeit.For example, procedures in which the batteries "swallow" require battery discharge capability.

Die berechneten Schätzwerte für die Batteriekapazität sowie gemessene Parameter werden zum Aktualisieren von Daten in dem sekundären Speicher 44 verwendet. Während jeder Schätzwert für die verbleibende Batteriekapazität bestimmt wird, und Parameter gemessen werden, werden sie mit gespeicherten Wer ten verglichen. Falls sich der Schätzwert oder die Parameter gegenüber dem zuletzt aufgezeichneten Wert geändert haben, wird der neue Wert in den sekundären Speicher 44 in dem Bat teriesatz 38 über eine Datenrückführleitung 45 eingeschrie ben, wodurch die geschätzte, verbleibende Batteriekapazität aktualisiert wird, so daß die "Brennstoffanzeige" den momen tanen Wert angibt.The calculated battery capacity estimates and measured parameters are used to update data in secondary memory 44 . As each estimate of the remaining battery capacity is determined and parameters are measured, they are compared to stored values. If the estimate or parameters have changed from the last recorded value, the new value is written to the secondary memory 44 in the battery pack 38 via a data feedback line 45 , thereby updating the estimated remaining battery capacity so that the "fuel gauge.""indicates the current value.

Zusätzlich zu einer aktiven Aktualisierung und zu einer visuellen Anzeige der geschätzten Batteriekapazität verwen det die bevorzugte Ausführungsform eine Hardware-Messung zur Anzeige niedriger Batteriepegel, ähnlich einer Kraftstoff reserve-Warnanzeige bei einer Kraftfahrzeug-Brennstoffanzeige. Dies wird durch den Komparator 16 erzielt. Unter Verwendung des Komparators 16 werden drei Spannungs-Schwellenwerte ein gestellt, und der Komparator vergleicht die Batteriespannung mit ausgewählten Schwellenwerten. Der erste Schwellenwert tritt bei einem spezifischen, unkritischen, niedrigen Batte riepegel auf, typischerweise bei etwa 10% Restkapazität. Liegt die Batteriespannung unter der unkritischen Schwelle für niedrige Spannung, so erzeugt der Komparator 16 ein Sig nal an der Batteriewarnklemme 18C zur Eingabe in die Steue rung. Die zweite Schwelle ist ein kritischer Niederspannungs pegel, der typischerweise bei etwa 1% Restkapazität auf tritt. Beim kritischen Niederspannungspegel erzeugt der Kom parator 16 ein Signal an der Ausgangsklemme 18B für eine schwach geladene Batterie zur Eingabe in die Steuerung. Die dritte Schwelle ist für eine "tote" Batterie und tritt bei oder nahe 0% auf. Bei einer Spannung unterhalb der Schwelle für eine "tote" Batterie erzeugt der Komparator 16 ein Sig nal an der Klemme 18A für eine "tote" Batterie zur Eingabe in die Steuerung. Wenn das Signal an der Klemme 18A für eine "tote" Batterie erzeugt wird, so wird das System abgeschal tet, abgesehen davon, daß dem sekundären Speicher 44 wie nach stehend beschrieben Energie zugeführt wird.In addition to an active update and a visual indication of the estimated battery capacity, the preferred embodiment uses a hardware measurement to indicate low battery levels, similar to a fuel reserve warning indicator on an automotive fuel gauge. This is achieved by the comparator 16 . Using the comparator 16 , three voltage thresholds are set and the comparator compares the battery voltage with selected thresholds. The first threshold occurs at a specific, uncritical, low battery level, typically at about 10% residual capacity. If the battery voltage is below the uncritical threshold for low voltage, the comparator 16 generates a signal at the battery warning terminal 18 C for input into the control. The second threshold is a critical low voltage level that typically occurs at about 1% residual capacity. At the critical low voltage level, the comparator 16 generates a signal at the output terminal 18 B for a weakly charged battery for input to the controller. The third threshold is for a "dead" battery and occurs at or near 0%. At a voltage below the threshold for a "dead" battery, the comparator 16 generates a signal at the terminal 18 A for a "dead" battery for input into the controller. If the signal at terminal 18 A is generated for a "dead" battery, the system is switched off, except that the secondary storage 44 is energized as described below.

Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt eine Reservebat terie 36 innerhalb des Batteriesatzes 38 Reserveenergie für den sekundären Speicher 44 zur Verfügung, wenn die Energie versorgung von der Ladequelle oder von Batteriesätzen inner halb des Batteriesatzes abgeschnitten wird. Die Reservebat terie verhindert einen Verlust von Daten in dem sekundären Speicher 44, wenn die wiederaufladbaren Batterien leer sind. Die Reservebatterie 36 kann eine im Handel erhältliche, wie deraufladbare Batterie sein, beispielsweise eine Lithiumbat terie. Die Reservebatterie 36 wird von der Ladevorrichtung nachgeladen, oder von den wiederaufladbaren Batterien 39 innerhalb des Batteriesatzes 38 im Normalbetrieb. Alternativ kann als sekundärer Speicher 44 ein EEROM verwendet werden, und in diesem Fall ist die Lithiumbatterie 36 nicht erforder lich.In the preferred embodiment, a reserve battery 36 within the battery pack 38 provides reserve energy for the secondary storage 44 when the power supply from the charging source or battery packs is cut off within the battery pack. The reserve battery prevents loss of data in the secondary memory 44 when the rechargeable batteries are empty. The backup battery 36 may be a commercially available, such as the rechargeable battery, for example a lithium battery. The reserve battery 36 is recharged by the charging device or by the rechargeable batteries 39 within the battery pack 38 in normal operation. Alternatively, an EEROM can be used as the secondary storage 44 , and in this case the lithium battery 36 is not required.

Die bevorzugte Ausführungsform enthält weiterhin einen Audio ausgang 22 zur Erzeugung einer hörbaren Rückkopplung für ei nen Benutzer, als hörbare Warnung bezüglich einer niedrigen Batteriekapazität. Der Audioausgang 22 erzeugt ein gewünsch tes Analogsignal unter Steuerung durch die Steuerung, unter Verwendung eines D/A-Wandlers, und treibt einen Ausgangslaut sprecher 23 wie nachstehend erläutert. Alternativ hierzu kann ein Signalgenerator, der auf einen gewünschten Einschaltzyklus und eine gewünschte Frequenz programmiert ist, zum Treiben des Lautsprechers 23 verwendet werden.The preferred embodiment further includes an audio output 22 for generating audible feedback for a user, as an audible warning of low battery capacity. The audio output 22 generates a desired analog signal under control by the controller using a D / A converter, and drives an output speaker 23 as explained below. Alternatively, a signal generator programmed to a desired turn-on cycle and frequency can be used to drive the speaker 23 .

Die gemessenen Batterieparameter werden weiterhin von der Steuerung an ein Ausgangsgerät wie beispielsweise eine Anzeige nach Art eines Meßgeräts ausgegeben, eine Anzeige auf einem Betrachtungsbildschirm, oder einen Drucker.The measured battery parameters are still from the Control to an output device such as a display output like a measuring device, an ad on a Viewing screen, or a printer.

Die Verwirklichung des Aufladeverfahrens gemäß der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Der normale Ladezyklus beginnt, wenn der Sensor 30 für eine externe Energiequelle eine externe Quelle feststellt und ein Signal an die Steuerung überträgt, oder bei dem Einschalten des Geräts 10 wie voranstehend erläu tert. Zuerst führt die Steuerung 15 einen Test durch, um fest zustellen, ob der Satz wiederaufladbar ist, durch Auslesen der in der Fabrik programmierten Parameter aus dem Speicher 42. Sind die Batterien in dem Batteriesatz 38 wiederaufladbar, so liest dann die Steuerung den Ladungszustand aus dem sekun dären Speicher 44 aus, und stellt fest, ob eine Wiederauf ladung oder Nachladung wünschenswert ist. Alternativ zeigt in einem interaktiven System die Einheit einem Benutzer die ver bleibende Kapazität an und fragt den Benutzer, ob eine Auf ladung gewünscht ist.The implementation of the charging method according to the invention is described below. The normal charging cycle begins when the sensor 30 for an external energy source detects an external source and transmits a signal to the controller, or when the device 10 is switched on as explained above. First, controller 15 performs a test to determine if the set is rechargeable by reading the factory programmed parameters from memory 42 . If the batteries in the battery pack 38 are rechargeable, the controller then reads the state of charge from the secondary memory 44 and determines whether recharging or recharging is desirable. Alternatively, in an interactive system, the unit shows a user the remaining capacity and asks the user whether charging is desired.

Auf eine Entscheidung zum Nachladen beginnt die Steuerung 15 mit dem Ladezyklus, durch Auswählen einer Anfangsladungsrate, und gibt ein Signal an die Ladesteuerschaltung 35 aus, durch Aus senden eines geeigneten Digitalsignals von dem Ladungs ausgangsbus 49 an den D/A-Wandler 52. Das Digitalsignal wird dann in ein Analogsignal umgewandelt, und in den Referenzver stärker 54 eingegeben. Der Ausgang des Verstärkers 54 treibt den Durchlaßtransistor 56, schaltet in ein, und gestattet einen Stromfluß zum Batteriesatz 38. Der durch den Durch laßtransistor 56 fließende Strom steigt an, wodurch ein ansteigender Strom dem wiederaufladbaren Batteriesatz 38 zur Verfügung gestellt wird. Der Strom gelangt dann durch den Strommeßwiderstand 32 und erhöht die Spannung an der Strom meßausgangsklemme 32A. Hierdurch steigt die Spannung am posi tiven Eingang des Referenzverstärkers 54 an, bis sie die Aus gangsspannung des D/A-Wandlers am invertierenden Eingang des Referenzverstärkers 54 erreicht. Der Ladestrom stabilisiert sich dann bei diesem Wert. Während die Batterie nachgeladen wird, werden die Ladezustandsdaten in dem sekundären Speicher 44 aktualisiert, und das visuelle Meßgerät zeigt einem Be nutzer die ansteigende, verbleibende Batteriekapazität an.Upon a decision to reload, controller 15 begins the charge cycle by selecting an initial charge rate and outputs a signal to charge control circuit 35 by sending an appropriate digital signal from charge output bus 49 to D / A converter 52 . The digital signal is then converted to an analog signal and input to the reference amplifier 54 . The output of amplifier 54 drives pass transistor 56 , turns on, and allows current to flow to battery pack 38 . The current flowing through the pass transistor 56 increases, whereby an increasing current is made available to the rechargeable battery pack 38 . The current then passes through the current measuring resistor 32 and increases the voltage at the current measuring output terminal 32 A. This increases the voltage at the positive input of the reference amplifier 54 until it reaches the output voltage of the D / A converter at the inverting input of the reference amplifier 54 . The charging current then stabilizes at this value. While the battery is being recharged, the state of charge data in the secondary memory 44 is updated and the visual meter shows a user the increasing remaining battery capacity.

Alternativ hierzu kann die Steuerung 15 den Transistor 50 dazu veranlassen, die Batterie 39 vollständig zu entladen, bevor der Ladezyklus begonnen wird, wenn dies sinnvoll ist, beispielsweise vor der Aufladung einer Nickel/Cadmium-Bat terie, die infolge des "Erinnerungseffekts" eine geringere als normale Kapazität aufweist.Alternatively, the controller 15 can cause the transistor 50 to fully discharge the battery 39 before the charging cycle begins, if appropriate, for example before charging a nickel / cadmium battery, which is less due to the "memory effect" than normal capacity.

Die Steuerung überwacht dann die Spannung des Satzes über die Digitaldaten von dem A/D-Wandler 33. Die Ladungsrate wird auf einen Ladungsratenparameter eingestellt, auf der Grundlage der von dem Speicher 42 ausgelesenen Daten. Die Steuerung über wacht darüber hinaus periodisch die Umgebungstemperatur, die Temperatur des Satzes und die Spannung des Satzes, durch Aus wahl des geeigneten Kanals des A/D-Wandlers. Ladungszyklen werden in Reaktion auf die überwachten Standarddaten ausge wählt.The controller then monitors the voltage of the set via the digital data from the A / D converter 33 . The charge rate is set to a charge rate parameter based on the data read out from the memory 42 . The controller also periodically monitors the ambient temperature, the temperature of the set and the voltage of the set by selecting the appropriate channel of the A / D converter. Charge cycles are selected in response to the monitored standard data.

Ein typischer Ladezyklus verläuft folgendermaßen: Die Ladungs rate wird auf Erhaltungsladung eingestellt, wenn die Messung die Reaktion einer vollständig geladenen Batterie anzeigt. Dies tritt typischerweise dann auf, wenn die Batteriespan nung ansteigt, einen Spitzenwert annimmt und weiter als die spezifische Grenze absinkt (typischerweise 10 Millivolt pro Zelle), für diesen Batteriesatz. Der vollständig geladene Zu stand kann dadurch angegeben werden, daß ein Ladungszustands- Bit in dem sekundären Speicher 44 auf vollständig geladen eingestellt wird.A typical charge cycle is as follows: The charge rate is set to trickle charge when the measurement shows the response of a fully charged battery. This typically occurs when the battery voltage rises, peaks, and drops further than the specific limit (typically 10 millivolts per cell) for that battery pack. The fully charged state can be indicated by setting a state of charge bit in secondary memory 44 to fully charged.

Die Ladungsrate wird auf Erhaltungsladung eingestellt, wenn ein schneller Anstieg der Batteriesatztemperatur erfolgt, der eine vorbestimmte Grenze überschreitet. Ein typischer Wert ist ein Anstieg auf 5°C oder 10°C über eine konstante oder nichtabfallende Umgebungstemperatur. In diesem Fall wird das Ladungszustands-Bit auf vollständig geladen gesetzt.The charge rate is set to trickle charge when there is a rapid rise in battery pack temperature that exceeds a predetermined limit. A typical value is an increase to 5 ° C or 10 ° C above a constant or non-falling ambient temperature. In this case Charge status bit set to fully charged.

Die Ladungsrate wird auf Erhaltungsladung eingestellt, wenn die Ladezeit die angegebene Grenze für den Satz überschrei tet. Hat die Ladezeit die angegebene Zeit überschritten, so wird das Ladungszustands-Bit auf vollständig geladen einge stellt.The charge rate is set to trickle charge when the loading time exceeds the specified limit for the set tet. If the loading time exceeded the specified time, then the charge status bit is set to fully charged poses.

Das Aufladen wird gesperrt, wenn die Batterietemperatur außer halb der Grenzen liegt, die für den Satz eingestellt sind. Ein Ladungszustands-Bit, welches eine Temperatur außerhalb des Bereichs anzeigt, wird in dem sekundären Speicher 44 ein gestellt.Charging will be blocked if the battery temperature is outside the limits set for the kit. A charge state bit indicating a temperature out of range is set in the secondary memory 44 .

Die Aufladung wird gesperrt, wenn eine bestimmte Spannungs grenze für den Satz überschritten wird. Ein Ladungszustands- Bit, welches eine Überspannung anzeigt, wird in dem sekundä ren Speicher 44 eingestellt.Charging is blocked when a certain voltage limit for the set is exceeded. A charge status bit indicating an overvoltage is set in the secondary memory 44 .

Bei Geräten, bei welchen der Steuerung eine Echtzeituhr zu geordnet ist, wird ein Überwachungszeitgeber dazu verwendet, eine Überladung zu verhindern. Die Steuerung 15 überwacht die Geamtladungszeit und sperrt die Aufladung, wenn der Überwachungszeitgeber abgelaufen ist. Ein Ladungszustands-Bit, welches den Ablauf des Zeitgebers anzeigt, wird in dem sekundären Speicher 44 eingestellt. Nach Beendigung des Lade zyklus werden Daten in dem sekundären Speicher 44 aktuali siert, und wird die visuelle Anzeige für den Zustand der ver bleibenden Ladung aktualisiert, um die angestiegene, verblei bende Batteriekapazität widerzuspiegeln.For devices in which a real-time clock is assigned to the controller, a monitoring timer is used to prevent overloading. The controller 15 monitors the total charge time and blocks charging when the watchdog timer has expired. A charge status bit, which indicates the expiration of the timer, is set in the secondary memory 44 . Upon completion of the charge cycle, data in secondary memory 44 is updated and the visual indication of the remaining charge status is updated to reflect the increased remaining battery capacity.

Der Batteriesatz ist so ausgelegt, daß sich der Ein/Aus-Schal ter in der Ausschaltposition befinden muß, bevor der Satz entfernt werden kann. Dies stellt eine ausreichende Zeit für einen ordnungsgemäßen Übergang auf die Energieversorgung durch die Lithiumbatterie 36 für den statischen Speicher zur Ver fügung, um so eine Beeinträchtigung der Daten zu verhindern.The battery pack is designed so that the on / off switch must be in the off position before the set can be removed. This provides sufficient time for a proper transition to the power supply from the lithium battery 36 for the static memory, so as to prevent the data from being degraded.

Aus den voranstehenden Ausführungen wird deutlich, daß zwar spezifische Ausführungsformen der Erfindung zu Erläuterungs zwecken beschrieben wurden, sich jedoch verschiedene Modifi kationen durchführen lassen, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung ist daher nur durch den gesamten Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung be schränkt, der von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein soll.From the foregoing it is clear that specific embodiments of the invention for illustrative purposes have been described, but different modifi let cations be carried out without the nature and scope of the Deviate invention. The invention is therefore only by entire disclosure content of the present invention limits, which are to be encompassed by the appended claims should.

Claims

1. A method for determining the remaining battery capacity of a battery in a battery pack, with the following steps:
Storing information regarding the battery in a memory within the battery pack;
Retrieving the information from the memory by an electronic controller;
Monitoring selected operating parameters by the electronic control; and
Capture, from the retrieved information and the monitored parameters, by the electronic control, the remaining battery capacity.

2. The method according to claim 1, characterized in that the controller is a microprocessor and that the step the determination of the remaining battery capacity Calculation of the state of charge by the microprocessor includes.

3. The method according to claim 1, characterized in that the controller is an integrated memory, and that the Step of determining the remaining battery capacity retrieving an estimate of the remaining de battery capacity from a lookup table in the integrated memory.

4. The method according to claim 1, characterized in that the selected operating parameters at least one para meters from the group that includes the surrounding temperature, the battery temperature, the output voltage and includes the charging current.

5. The method according to claim 1, characterized in that the controller is a microprocessor and that the step the determination of the remaining battery capacity Calculation of the remaining battery capacity by the Microprocessor includes.

6. The method according to claim 1, characterized in that the retrieved information regarding the battery, the battery capacity when fully charged as well Charge control parameters included.

7. The method according to claim 1, characterized by the following further steps:
Determining a charge cycle in response to the average battery capacity and information retrieved; and
Controlled delivery of a battery charging current to the battery in response to the determined charging cycle.

8. The method according to claim 7, characterized in that the step of monitoring the operating parameters Monitoring the voltage and the charging current of the battery for generating electrical data.

9. The method according to claim 8, characterized in that continue the step of displaying the determined, ver remaining battery capacity for consideration by a User includes.

10. The method according to claim 9, characterized in that the display step the representation of the determined, ver remaining battery capacity on an observation image screen includes.

11. The method according to claim 7, characterized by the following further steps:
Monitoring the temperature of the battery to generate battery temperature data;
Entering the battery temperature data into the controller; and
Set the charging current in response to the battery temperature data.

12.Battery set, characterized by:
a housing;
a rechargeable battery inside the case;
a battery pack memory within the housing for storing information related to the rechargeable battery;
multiple battery clips connected to the rechargeable battery; and
a storage unit output terminal that is connected to the battery pack.

13. Battery pack according to claim 12, characterized in that that continues to have a second battery pack storage within the housing is provided, which is programmable.

14. Battery pack according to claim 13, characterized in that that the second battery pack memory with data program is based on the state of charge of the recharge obtainable battery.

15. Battery pack according to claim 14, characterized in that continues to have a second battery inside the case ses is provided that is electrical with the battery pack memory is connected to reserve energy for the batte to provide large storage.

16. Battery pack according to claim 12, characterized in that a battery temperature monitor inside the case is provided, as well as a temperature output terminal, connected to the battery temperature monitor.

17. The battery pack of claim 12 for use in a device for monitoring and recharging the battery pack, the device for monitoring and recharging comprising:
a controller provided with a data input terminal, a voltage input terminal, and a charging current output terminal;
wherein the data input terminal of the controller is electrically connected to the output terminal of the storage unit;
a battery voltage monitor having a voltage monitor output terminal that is electrically connected to the voltage input terminal of the controller; and
a charge current setting circuit having an input that is electrically connected to the charge current output terminal of the controller.