DE19911098A1 - Spannungsabschätzschaltung und damit ausgerüstete Batteriezellenpackung - Google Patents

Spannungsabschätzschaltung und damit ausgerüstete Batteriezellenpackung

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Abstract

Beschrieben wird eine Spannungsbeurteilungsschaltung mit einer oder mehreren Dioden (D1 bis Dn), die in Vorwärtsrichtung einer Beurteilungsspannung eingefügt sind, einem Stromextraktionsabschnitt (CM1) zum Extrahieren eines Vorwärtsstroms der Dioden (D1 bis Dn), und einem Vergleichsabschnitt (CM2) zum Vergleichen eines Ausgangsstroms (Io) des Extraktionsabschnitts (CM1) mit dem Wert eines bestimmten Stroms (Ir) zur Eingabe des Vergleichsergebnisses. Bei der Spannungsbeurteilungsschaltung der vorliegenden Erfindung kann das Entladen nach dem Laden verhindert werden und eine Spannungsbeurteilung unter Einsatz eines kleinen Verbrauchsstroms mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Ein Batteriezellenpaket (41) mit den oben genannten Spannungsbeurteilungsschaltungen führt eine ähnliche Beurteilung durch.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG (a) Feld der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsabschätzschal­ tung und eine damit ausgerüstete Batteriezellenpackung, und insbesondere eine Spannungsabschätzschaltung, die in einer Batterie geeignet eingesetzt werden kann, und ein damit ausgerüstetes Batteriepaket.
(b) Beschreibung der bekannten Technik
Mit dem Populärwerden des Mobiltelefons und tragbarer An­ schlüsse steigt die Nachfrage zur Realisierung einer Kom­ paktzelle vom Batterietyp. Eine Lithiumionen-Batteriezelle ist als Kompaktzelle bekannt. Beispielsweise ist ein Batte­ riezellenpaket erhältlich, das eine Anzahl von Lithiumio­ nen-Batteriezellen aufweist, die zur Ausgabe einer ge­ wünschten Spannung in Reihe geschaltet sind.
Die Batteriezelle in der Lithiumbatteriezelle kann durch übermäßiges Laden zerstört werden und ein solches übermäßi­ ges Laden muß verhindert werden. Nachdem die Spannungen der einzelnen Lithiumzellen in dem Lithiumbatteriezellenpaket eine bestimmte Ladespannung erreicht haben, wird das Ge­ samtladen beendet, um übermäßiges Laden zu verhindern. Zu diesem Zweck existieren in jeder der Batteriezellen Span­ nungsbeurteilungsschaltungen zum Beurteilen der Anschluß­ spannungen der Batteriezellen.
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine konventio­ nelle Spannungsbeurteilungsschaltung für eine Batterie. Die Spannungsbeurteilungsschaltung hat einen Differenzverstär­ ker OP1, an den die zu beurteilende Spannung Vin (im fol­ genden als "Beurteilungsspannung" bezeichnet) anliegt, und einen Vergleicher CMP1 zum Vergleich der Ausgabe des Diffe­ renzverstärkers OP1 mit einer Bezugsspannung Vref. Die Be­ urteilungsspannung Vin wird dem invertierenden Eingang (-) und dem nichtinvertierenden Eingang (+) über Widerstände R1 und R3 eingegeben, und die Ausgabe des Differenzverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R2 mittels negativer Rück­ kopplung zum invertierenden Eingang (-) zurückgeführt. Der nichtinvertierende Eingang (+) ist über einen Widerstand R4 geerdet.
Nachdem der Spannungswert der Beurteilungsspannung Vin in dem Differenzverstärker OP1 in einem speziellen Verhältnis gewandelt ist, wird sie mit der Bezugsspannung Vref im Ver­ gleicher CMP1 verglichen. Wenn der gewandelte Spannungswert die Bezugsspannung Vref erreicht, wird die Ausgabe (out) des Komparators CMP1 invertiert. Wenn die Ausgabe einer der Spannungsbeurteilungsschaltungen während des Ladens in dem Lithiumbatteriezellenpaket zu "L" wird, wird das Laden beendet.
Da bei der oben beschrieben bekannten Spannungsbeurtei­ lungsschaltung der nichtinvertierende Anschluß des Diffe­ renzverstärkers über den Widerstand R4 geerdet ist und Spannungsdifferenzen zwischen dem nichtinvertierenden An­ schluß und jedem der negativen Anschlüsse der jeweiligen Zellen vorhanden sind, fließt fortgesetzt Strom. Aus diesem Grund hat die Spannungsbeurteilungsschaltung einen großen Stromverbrauch. Um den Verbrauchsstrom in dem bekannten Verfahren zu einem Mikroampere oder geringer zu machen, sind mehrere Widerständen von 10 MOhm (R1 bis R4) erforder­ lich, und die Aufnahme dieser Widerstände in einer inte­ grierten Schaltung ist nicht möglich.
Um die Genauigkeit der Spannungsbeurteilung zu vergrößern, ist eine hohe Genauigkeit der Widerstandswerte der jeweili­ gen Widerstände R1 bis R4 erforderlich. Obwohl Widerstands­ werte mit hoher Genauigkeit erhalten werden, wenn die je­ weiligen Widerstände separat zusätzlich zu den integrierten Schaltungen, die die Spannungsbeurteilungsschaltung bilden, vorgesehen sind, wird die Schaltungsauslegung größer und die Kosten steigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsbe­ urteilungsschaltung zu schaffen, die eine Spannungsbeurtei­ lung mit hoher Genauigkeit ohne Vergrößerung der Schal­ tungsauslegung durchgeführen kann, und ein Batteriezellen­ paket mit der Spannungsbeurteilungsschaltung, die den Ver­ brauch der Batteriezellen unterdrückt.
Die Erfindung schafft eine Spannungsbeurteilungsschaltung mit einer oder mehreren Dioden, die in Vorwärtsrichtung einer zu beurteilenden Spannung geschaltet sind, einem Stromextraktionsabschnitt zum Extrahieren eines Vorwärts­ stroms der Dioden, einem Vergleichsabschnitt zum Verglei­ chen eines Ausgangsstroms von dem Stromextraktionsabschnitt gegen einen bestimmten Strom und einem Ausgabeabschnitt zum Ausgeben eines Steuersignals basierend auf dem Ver­ gleichsergebnis.
Die Beurteilung, ob die Beurteilungsspannung eine bestimmte Spannung erreicht oder nicht, kann durchgeführt werden, nachdem die Beurteilungsspannung in den Vorwärtsrichtungs­ strom der Diode gewandelt ist, der dann mit einem bestimm­ ten Bezugsstrom verglichen wird. Da die Wandlungseffizienz zwischen dem Vorwärtsrichtungsstrom und der Vorwärtsrich­ tungsspannung der Dioden in diesem Fall hoch ist, ist eine Spannungsbeurteilung mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Da der Vorwärtsrichtungsstrom bei der bestimmten Spannung oder weniger als extrem klein aufgestellt werden kann, kann der für die Beurteilung erforderliche Verbrauchsstrom ebenfalls klein gestaltet werden.
Die Erfindung liefert ferner ein Batteriezellenpaket mit einer Anzahl von Batterien, die in Reihe geschaltet sind, und einer Anzahl der oben beschriebenen Spannungsbeurtei­ lungsschaltungen, die entsprechend den jeweiligen Batterien angeordnet sind.
Da der für die Messung einer Ladespannung erforderliche Vebrauchsstrom bei dem Batteriezellenpaket der Erfindung klein ist, kann eine Erschöpfung der Batteriezellen unter­ drückt werden. Der Schaltungsmaßstab der Beurteilungsschal­ tung, das heißt der Gesamtmaßstab des Batteriezellenpakets kann kleiner ausgestaltet werden, da die Dioden, der Ex­ traktionsabschnitt und der Vergleichsabschnitt mit hoher Genauigkeit in einer integrierten Schaltung installiert werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine bekannte Spannungsbeurteilungsschaltung für eine Batterie.
Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungs­ beurteilungsschaltung gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 ist ein Graph zum Suchen eines Bezugsstroms.
Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungs­ beurteilungsschaltung der Erfindung in einem zweiten Aus­ führungsbeispiel.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt ein Batterie­ zellenpaket in Übereinstimmung mit einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Nunmehr wird die vorliegende Erfindung im einzelnen mit Be­ zug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungs­ beurteilungsschaltung gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels hat "n-1" Dioden D1 bis Dn-1, die in Reihe in der Vorwärtsrichtung einer Beurteilungs­ spannung eingefügt geschaltet sind, eine erste Stromspie­ gelschaltung CM1 zum Extrahieren eines Vorwärtsrichtungs­ stroms der Dioden und eine zweite Stromspiegelschaltung CM2 zum Erhalten und Extrahieren eines Bezugsstroms.
Jede der Dioden D1 bis Dn-1 ist durch einen diodengeschal­ teten PNP-Transistor gebildet, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Die erste Stromspiegelschaltung CM1 umfaßt einen diodengeschalteten ersten PNP-Transistor Tr1 einer Bezugsseite, dessen Stromweg in Reihe mit den Di­ oden D1 bis Dn-1 geschaltet ist, und einen zweiten PNP- Transistor Tr2 der Ausgangsseite, dessen Basis mit der ge­ meinsam verbundenen Basis und dem Koinlektor des ersten PNP- Transistors verbunden ist. Jede der "n-1" Dioden D1 bis Dn-1 und der diodengeschaltete erste PNP-Transistor-Tr1 der ersten Stromspiegelschaltung CM1 haben dieselbe Struktur und dieselbe Struktur. Die Stromcharakteristik der Dioden D1 bis Dn ist entsprechend der Größe der Beurteilungsspan­ nung ausgelegt.
Die zweite Stromspiegelschaltung CM2 hat einen diodenge­ schalteten ersten NPN-Transistor Tr3 der Bezugsseite mit einem Widerstand R5, der in Reihe geschaltet ist, um einen Bezugsstrom zu erhalten, und einen zweiten NPN-Transistor Tr4 der Ausgangsseite, dessen Basis mit der gemeinsam ver­ bundenen Basis und dem Kollektor des NPN-Transistors Tr3 verbunden ist. Der Widerstand R5 ist, um einen Hochwider­ standswert mit hoher Genauigkeit zu erhalten, als ein ex­ tern mit der integrierten Schaltung, die die Spannungsbeur­ teilungsschaltung bildet, verbundener Widerstand ausge­ führt. Das Stromverhältnis zwischen der Bezugsseite und der Ausgangsseite der jeweiligen Stromspiegelschaltungen CM1 und CM2 dieses Ausführungsbeispiels ist 1 : 1.
Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbei­ spiels arbeitet wie folgt: Die Beurteilungsspannung Vin wird an die "n" Dioden D1 bis Dn, die in Reihe geschaltet sind, in Vorwärtsrichtung angelegt und die beurteilte Aus­ gabe wird von einem Verbindungsknoten zwischen den Kollek­ toren des zweiten PNP-Transistors Tr2 und des zweiten NPN- Transistors Tr4 abgenommen. Die Beurteilungsspannung Vin wird in einen Vorwärtsrichtungsstrom Io durch die "n" Di­ oden, die in Reihe geschaltet sind, gewandelt und dieser Strom Io wird in der ersten Stromspiegelschaltung CM1 als Kollektorstrom des zweiten PNP-Transistors Tr2 extrahiert. Andererseits wird der durch den Widerstand R5 definierte Bezugsstrom Ir ebenfalls in der zweiten Stromspiegeinschal­ tung CM2 als Kollektorstrom des zweiten NPN-Transistors Tr4 extrahiert.
Wenn die Beurteilungsspannung Vin kleiner ist als die be­ stimmte Spannung Vref, ist der Vorwärtsrichtungsstrom Io kleiner als der Bezugsstrom Ir und das Potential eines Aus­ gangsanschlusses (OUT) wird zu einem geerdeten Niedersei­ tenpotential. Das bedeutet, "L" wird vom Ausgangsanschluß (OUT) ausgegeben. Wenn die Beurteilungsspannung Vin höher wird als die bestimmte Spannung Vref, wird der Vorwärts­ richtungsstrom Io größer als der Bezugsstrom Ir, so daß das Potential des Ausgangsanschlusses (OUT) zu dem höherseiti­ gen Potential Vcc wird. Das bedeutet, "H" wird von dem Aus­ gangsanschluß (OUT) ausgegeben.
Die Stromcharakteristika der jeweiligen Dioden D1 bis Dn werden durch eine bestimmte Beurteilungsspannung VT be­ stimmt, durch die Anzahl der Dioden, die in Reihe geschal­ tet sind, und die Beziehung zum Vergleichsstrom Ir. Der Vorwärtsrichtungsspannungsabfall VF der jeweiligen Dioden ist gegeben durch VF=VT/n, und VF kann durch die Gleichung VF=(kT/q) ln(Ir/Is) berechnet werden. In dieser Gleichung ist Ir der Bezugsstrom, Is ist ein Rückwärtssättigungstrom, k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die absolute Tempera­ tur und q ist die elektrische Ladung, 1,6 × 10-19 Coulomb.
Im Fall von T=300K (27°C) ist kT/q=0,0259 V. Der Bezugs­ strom wird durch die Auswahl des Widerstandes R5 bestimmt und, wenn beispielsweise der Widerstand R5 4MOhm beträgt und die Versorgungsspannung Vcc 4V+VBE beträgt, wird der Bezugsstrom zu einem Mikroampere. Wenn die Beurteilungs­ spannung VT 4,2 V ist und "n" 7 beträgt, ist VF=0,6 V. In diesem Fall kann der Rückwärtssättigungsstrom zu 8,7 × 10-17 A ausgelegt werden. Der Rückwärtssättigungsstrom Is eines Transistors wird durch Ändern der Emittergröße wäh­ rend der Herstellung einer integrierten Schaltung willkür­ lich eingestellt.
Fig. 3 ist ein Graph und zeigt die Beziehung zwischen dem Bezugsstrom Ir, der für das Erzielen einer erwünschten Be­ urteilungsspannung VT erforderlich ist, und der Anzahl der Dioden "n", die in Reihe geschaltet sind. Wenn die Skalie­ rung des Bezugsstroms logarithmisch dargestellt ist, wird die dort dargestellte lineare Beziehung erhalten. Eine Größenordnung der Änderung von Ir ändert die Beurteilungs­ spannung um etwa 60 mV. Der Widerstand R5 ist durch den da mit bestimmten Ir gegeben.
Ein großer Strom fließt nicht in den Dioden bis die Vor­ wärtsrichtungsspannung der Dioden eine bestimmte Spannung in der Spannungsbeurteilungsschaltung des obigen Ausfüh­ rungsbeispiels erreicht. Da kein geerdeter Abschnitt in der Spannungsbeurteilungsschaltung existiert, fließt kein Zir­ kulationsstrom zwischen dem Anschluß und Masse, was eine Verminderung des Verbrauchsstroms im Vergleich mit einer konventionellen Schaltung erlaubt, selbst wenn die Seite des niedrigeren Potentials für die Beurteilung einer An­ schlußspannung bei einer bestimmten Spannung in dem Batte­ riezellenpaket eingesetzt wird. Da des weiteren der Rück­ wärtssättigungsstrom des Transistors mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann, kann eine exakte Vorwärtsrich­ tungsspannung der Diode erhalten werden, so daß die Span­ nungsbeurteilung mit der hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann. Da der einzige extern anzuschließende Wider­ stand, der einen Widerstandswert mit hoher Genauigkeit ha­ ben muß, lediglich der Widerstand R5 ist, kann die Schal­ tungsauslegung kleiner sein.
Ausführungsbeispiel 2
Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungs­ beurteilungsschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels. Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbei­ spiels unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbei­ spiel dadurch, daß NPN-Transistoren als die Dioden D1 bis Dn und als die erste Stromspiegelschaltung CM1 eingesetzt werden, daß eine dritte Stromspiegelschaltung CM3 zwischen der ersten Stromspiegeinschaltung CM1 und der zweiten Strom­ spiegelschaltung CM2 ausgebildet ist und daß ein Ausgangs­ anschluß (OUT) an einem Verbindungsknoten zwischen dem aus­ gangsseitigen Transistor Tr8 der dritten Stromspiegelschal­ tung CM3 und des ausgangsseitigen Transistors Tr4 der zwei­ ten Stromspiegelschaltung CM3 ausgebildet ist.
Da im Fall des Einsatzes eine Anzahl von Spannungsbeurtei­ lungsschaltungen die jeweiligen "H"-Pegeln der Ausgänge je­ der Spannungsbeurteilungsschaltung durch Bilden der Dioden D1 bis Dn durch die NPN-Transistoren in der Spannungsbeur­ teilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels auf dasselbe hohe Potential Vcc gebracht werden können, kann der Aufbau einer Schaltung einer nächsten Stufe einfacher sein.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt ein Batterie­ zellenpaket in Übereinstimmung mit einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel mit den Spannungsbeurteilungsschaltungen der obigen Ausführungsbeispiele.
Ein Batteriezellenpaket 41 hat eine Stromversorgung, die durch vier Lithiumbatteriezellen E1 bis E4 gebildet ist, die in Reihe geschaltet sind und eine Anschlußspannung von 4 V aufweisen. Das Batteriezellenpaket 41 umfaßt ferner vier Spannungsbeurteilungsschaltungen DT1 bis DT4, die ent­ sprechend den jeweiligen Batteriezellen E1 bis E4 angeord­ net sind, um zu beurteilen, ob die Anschlußspannungen der Batteriezellen eine bestimmte Spannung erreichen oder nicht, und ein UND-Gatter AND1 für die jeweiligen Span­ nungsbeurteilungsschaltungen DT1 bis DT4.
Da die Ausgänge der jeweiligen Spannungsbeurteilungsschal­ tungen DT1 bis DT4 im Normalzustand auf "H" sind, ist der Ausgang des UND-Gatters AND1 auf "H". Wenn die Anschluß­ spannungen der Lithiumbatteriezellen mit dem Voranschreiten des Ladens ansteigen und eine der Anschlußspannungen größer wird als die bestimmte Spannung, wird die Ausgabe der ent­ sprechenden Spannungsbeurteilungsschaltungen zu "L", und die Ausgabe des UND-Gatters wird ebenfalls zu "L". Dieses Signal "L" beendet das Laden des Batteriezellenpakets mit­ tels der Ladeschaltungen.
Da die obigen Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt und verschiedene Modifikationen oder Änderungen können in einfacher Weise durch Fachleute durchgeführt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (6)

1. Spannungsbeurteilungsschaltung, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Dioden (D1 bis Dn), die in Vorwärtsrich­ tung einer zu beurteilenden Spannung geschaltet sind, einen Extraktionsabschnitt zum Extrahieren eines Vorwärtsstroms der Dioden (D1 bis Dn), einen Vergleichsabschnitt zum Ver­ gleichen eines Ausgangsstroms von dem Stromextraktionsab­ schnitt gegen einen bestimmten Strom (Io) und einen Ausga­ beabschnitt zum Ausgeben eines Steuersignals basierend auf dem Vergleichsergebnis.
2. Schaltung nach Anspruch in, wobei der Stromextraktions­ abschnitt eine erste Stromspiegeinschaltung (CM1) mit einem ersten Transistor (Tr1) auf einer Bezugsseite aufweist, der in Reihe mit den Dioden (D1 bis Dn) geschaltet ist, wobei ein zweiter Transistor (Tr2) eine Ausgangsseite ist.
3. Schaltung nach Anspruch in, wobei der Vergleichsab­ schnitt eine zweite Stromspiegeinschaltung (CM2) mit einem Transistor (Tr3) auf einer Bezugsseite aufweist und mit einem vierten Transistor (Tr4) auf einer Ausgangsseite, der in Reihe mit dem zweiten Transistor (Tr2) geschaltet ist.
4. Schaltung nach Anspruch in, wobei die Diode (D1 bis Dn) durch einen Transistor gebildet ist, der dieselbe Struktur wie der erste Transistor (Tr1) aufweist.
5. Batteriezellenpaket (41) mit einer Anzahl von Batterien (E1 bis E4), die in Reihe geschaltet sind, und einer Anzahl von Spannungsbeurteilungsschaltungen nach Anspruch in, die entsprechend den jeweiligen Batterien (E1 bis E4) angeord­ net sind, zum Beurteilen der Anschlußspannungen der Batte­ rien.
6. Batteriezellenpaket nach Anspruch 5, wobei eine Anzahl der Spannungsbeurteilungsschaltungen auf einem Chip mon­ tiert sind.
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