DE19944737A1

DE19944737A1 - Verfahren zum Laden eines Akkumulators

Info

Publication number: DE19944737A1
Application number: DE19944737A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Menz; Thomas Plugge
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-29
Also published as: CN1391717A; WO2001022553A1; EP1214772A1; AU1379801A

Abstract

Zum genauen Bilanzieren des Ladens und Entladens eines Akkumulators wird ein beliebiger, sich im Akkumulatorstromkreis befindender, Verbraucher als Meßshunt verwendet. Dazu wird die am Meßshunt abfallende Spannung von einem Kapazitätszähler erfaßt und über eine Zeit derart integriert, daß ein integriertes Signal erzeugt wird, wobei auf Basis dieses integrierten Signals ein gesteuerter Ladeschalter ein- bzw. ausgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Akkumu lators eines Elektrogerätes, insbesondere eines Mobiltele fons, mittels einer Ladeschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für viele elektronische und elektrische Geräte, die zumindest zeitweise ohne direkte Verbindung mit dem Stromnetz betrieben werden sollen, insbesondere Mobil- oder Schnurlostelefone, sind überwiegend wiederaufladbare Akkumulatoren vorgesehen. Solche Akkumulatoren werden entweder im Festteil des jeweili gen Gerätes oder in eigenen Ladestationen, genannt auch Lade schalen, zum neuen Gebrauch im Mobilbetrieb aufgeladen. Dabei wird über eine Ladeenergiequelle, meist eine an das Stromnetz angeschlossene Ladeeinrichtung, ein auf den verwendeten Akku mulator abgestimmter Ladestrom erzeugt und an diesen weiter geleitet. Hierbei ist einerseits besonderes Augenmerk darauf zu legen, daß es nicht zur Überladung der Akkumulatoren kommt, was insbesondere bei öfterem Überladen zu Leistungs einbußen führen kann, und andererseits sollen die Akkumulato ren nach Möglichkeit immer ihre maximale Kapazität zur Verfü gung stellen.

Um der letztgenannten Anforderung zu genügen, muß ein Nachla den entsprechend dem Eigenverbrauch des Gerätes, z. B. des Mo biltelefons, unter Berücksichtigung einer Ladeeffektivität des Akkumulators erfolgen. Die Ladeeffektivität einer Akkumu latorenzelle entspricht einem Wirkungsgrad kleiner eins, folglich muß ein Akkumulator immer mehr Energie zugeführt werden, wie entnommen wurde. Man bezeichnet den Faktor, mit dem die verbrauchte Kapazität zu multiplizieren ist, um die nachzuladende Strommenge zu ermitteln, als Ladefaktor. Der Ladefaktor wird üblicherweise fest eingestellt, so daß klei nere Zellen mit geringerer Kapazität nicht überladen und ge schädigt werden können.

Die Messung des Ladestroms erfolgt üblicherweise mit einem Meßwiderstand, der sich im Ladestromkreis befindet. Dieser Nebenschlußwiderstand wird auch als Meßshunt bezeichnet [shunt (engl.) = Nebenschluß]. Der Strom im Verbraucherstromkreis, der Entlade- bzw. Verbrauchsstrom, ist für bestimmte Arbeits zustände des Verbrauchers bekannt und wird daher üblicherwei se nicht gemessen, sondern entsprechend des Arbeitszustandes des Verbrauchers festgelegt. Diese beiden Größen werden, bei spielsweise nach einer Analog-/Digitalwandlung einer Steuer einheit zugeführt und dort von einer Software bilanziert.

Da der Entlade- bzw. Verbrauchsstrom festgelegt wird, treten häufig Ungenauigkeiten in der Bilanz auf. Ursache dieser Un genauigkeiten sind nicht berücksichtigte Randbedingungen de nen der Verbrauchsstrom unterliegt, die aber durch das Fest legen des Verbrauchsstromes, anhand von Arbeits- bzw. Be triebszuständen des Verbrauchers, nicht in die Bilanz einge hen. Zu diesen Randbedingungen gehören beispielsweise die Streuung der elektronischen Bauelemente, unterschiedliche Spannungszustände der Akkumulatoren sowie ein dynamischer Stromverbrauch.

Nun ist jedoch die genaue Messung der Lade- und Entladestrom kurve in der erforderlichen Genauigkeit und unter Berücksich tigung der wechselnden Randbedingungen - unterschiedliche Spannungszustände der Akkumulatoren, dynamischer Stromver brauch- sowie der durch Toleranzen bedingten Streuung der elektrischen Bauteile oftmals schwierig und nur mit hohem ko stenintensivem Aufwand durchführbar.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, mit ein fachen kostengünstigen Mitteln ein sehr genaues Bilanzieren des Ladens eines Akkumulators zu erzielen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 definierten Verfahren durch die im Kennzei chen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß Anspruch 1 wird dazu ein sich in dem Stromkreis des Ak kumulators befindender Verbraucher als Meßshunt verwendet, wobei der Verbraucher für diese Funktion einen Spannungsab fall aufweisen muß, der proportional zu einem Lade- bzw. Ent ladestrom verläuft. Eine zur am Meßshunt abfallenden Spannung proportionale Spannung wird von einer Einrichtung zum Kapazi tätszählen über eine Zeit integriert, so daß ein Integral über den Spannungsabfall darstellendes Signal erzeugt wird. In Abhängigkeit von diesem integrierten Signal wird wiederum ein Steuersignal erzeugt, das einen gesteuerten Ladeschalter derart steuert, daß sowohl ein Laden und Entladen ohne Kennt nis des Lade- und Entladestroms des Akkumulators von der Ka pazitätszählereinrichtung erfaßt wird.

Dieses Verfahren erlaubt die Verwendung von beliebigen, be reits im Akkumulatorenstromkreis enthaltenen Verbrauchern mit der beschriebenen Eigenschaft. Wird dennoch ein zusätzlicher Verbraucher, beispielsweise ein Widerstand, für die Funktion eines Meßshunts vorgesehen, so können kostengünstige elektro nische Bauelemente verwendet werden, da sich bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren etwaige Toleranzen des verwendeten Meßshunts aufheben.

Zudem hat die Wahl eines Meßshunts innerhalb des Akkumulator stromkreises den Vorteil, daß sowohl der Lade- als auch Ent ladestrom (Verbraucherstrom) erfaßt werden, so daß sich et waige in den erfaßten Werten niederschlagende Änderungen der Randbedingungen beim Bilanzieren der Ladekapazität ausglei chen.

Eine Sicherung, im Akkumulatorstromkreis hat den Vorteil, daß sie einen Spannungsabfall aufweist und den Akkumulatorstrom kreis vor Beschädigung, beispielsweise durch Kurzschlußströme schützt.

Widerstände, vor allem welche mit großen Toleranzen in ihren Widerstandswerten, sind in der Anschaffung sehr günstig und lassen zudem noch eine Dimensionierung des Akkumulatorstrom kreises zu.

Wird der Widerstand eines sich im Akkumulatorstromkreis be findenden Leitungsabschnittes der Schaltung als Meßshunt ver wendet, so entfallen die Anschaffungskosten den Meßshunt gänzlich.

Um eine Ladeeffektivität - der Akkumulator wird weniger ent laden als geladen - der Ladeschaltung zu erhöhen, werden La de- und Entladestrom mit unterschiedlichen Faktoren multipli ziert, bevor sie bilanziert werden.

Durch eine Verstärkung der am Meßshunt abfallenden Spannung, erfolgt ein genaueres Bilanzieren.

Die Verwendung eines Vergleichers (Komparators) erlaubt das Einstellen einer Schwelle, ab der der Ladeschalter umgeschal tet werden soll. Dadurch wird eine zusätzliche Flexibilität bei der Steuerung des Ladeschalters erzielt, um beispielswei se Ungenauigkeiten bei der Erfassung der Umschaltbedingung auszugleichen oder eine einstellbare Hysterese zu realisie ren, die ein ständiges Umschalten des Ladeschalters verhin dert.

Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 8 ist die Einsparung einer Einrichtung zur Erzeugung des Steuersignals und damit eine weitere Vereinfachung und Kostenreduzierung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 2 erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 Ein Modell einer das erfindungsgemäße Verfahren durchführenden Schaltungsanordnung.

Fig. 2 Verlauf und Beziehung einiger wichtiger schaltungs technischer Größen bei der Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt das Modell eines Elektrogerätes EG, das über eine Ankopplungsvorrichtung an eine Ladeschaltung U_L, R ge koppelt werden kann.

Im angekoppeltem Zustand wird bei einem geschlossenen gesteu erten Ladeschalter GLS, der Ladestromkreis geschlossen und ein sich im Elektrogerät EG befindender Akkumulator AK gela den. Dieser gesteuerte Ladeschalter GLS ist beispielsweise als Transistor ausgestaltet, der zur Funktion als Schalttran sistor eine entsprechende Beschaltung aufweist.

Ein den gesteuerten Ladeschalter GLS schaltendes Steuersignal ST wird von einem sich im Ladestromkreis befindenden Kompara tor V2, der beispielsweise durch einen entsprechend beschal teten Operationsverstärker realisiert wird, erzeugt.

Die Beschaltung des Komparators V2 ist dazu derart dimensio niert, daß eine gewünschte Referenzspannung, vorzugsweise mit dem Wert 0 Volt, eingestellt wird, die mit einem integrierten Signal KP verglichen wird, wobei bei Erreichen des Wertes der Referenzspannung durch das integrierte Signal KP, das Steuer signal ST mit einem Wert derart erzeugt wird, daß der gesteu erte Ladeschalter GLS den Ladestromkreis unterbricht.

Es ist auch möglich eine durch geeignete Beschaltung eine Hy sterese zu erzielen, die ein ständiges Umschalten des gesteu erten Ladeschalters GLS verhindert.

Alternativ dazu, kann auch das integrierte Signal KP direkt als Steuersignal ST verwendet werden.

Das integrierte Signal KP wird von einem sich in dem Lade stromkreis befindenden Kapazitätszähler KAP erzeugt. Dazu wird innerhalb einer von einem Zeitgeber ZG vorgegebenen Zeit eine am Kapazitätszähler KAP anliegenden Spannung U_S' inte griert.

Die Spannung U_S' ist das Ergebnis einer Multiplikation von einer an einem Meßshunt MS abfallenden Spannung U_S mit einem ersten oder einem zweiten Faktor, wobei abfallende Spannung U_S bei negativem Vorzeichen mit dem ersten Faktor multipli ziert und bei positivem Vorzeichen mit dem zweiten Faktor multipliziert wird. Die Multiplikation wird durch einen Ver stärker V1 durchgeführt, dabei kann dieser Verstärker V2 bei spielsweise durch mindestens einen Operationsverstärker mit entsprechender Beschaltung, die so dimensioniert ist, daß sie den ersten und zweiten Verstärkungsfaktor gewährleisten, rea lisiert sein. Durch das differenzierte Multiplizieren mit den beiden Faktoren kann eine unterschiedliche Gewichtung des La destroms I_L und Entladestroms I_E durchgeführt werden, um da durch einen Ausgleich der Ladeeffektivität - der Akkumulator AK wird mehr Geladen als Entladen - zu erzielen.

Zudem können die beiden Faktoren so gewählt werden, daß sie eine Verstärkung der am Meßshunt MS abfallenden Spannung U_S erzielen, wenn beispielsweise die abfallende Spannung U_S nur sehr geringe, für den Kapazitätszähler KAP nicht verwertbare Werte annehmen kann.

Alternativ kann auch auf eine Verstärkung und/oder differen zierte Multiplikation verzichtet werden, so daß die propor tionale Spannung U_S' der abfallenden Spannung U_S vom Betrag und/oder Vorzeichen entspricht.

Als Meßshunt MS wird eine Sicherung SI, die Teil des Akkumu latorstromkreises ist, gewählt. Der Widerstandswert der Si cherung SI ist dabei dafür verantwortlich, daß bei Laden und Entladen des Akkumulators AK die Spannung U_S an dem als Si cherung SI ausgestaltetem Meßshunt MS abfällt. Diese abfal lende Spannung U_S ist aufgrund ihrer Lage im Akkumulator stromkreis proportional zum Ladestrom I_L bzw. Entladestrom I_E, so daß eine Auswertung der Spannung U_S für das Bilanzieren von Ladestrom I_L und Entladestrom I_E ohne Kenntnis dieser Grö ßen möglich wird.

Alternativ zur Sicherung SI kann auch ein Widerstand im Akku mulatorstromkreis als Meßshunt MS verwendet werden. Möglich ist es auch einen Leitungsabschnitt im Akkumulatorkreis als Meßshunt MS einzusetzen, um beispielsweise Kosten zu reduzie ren, da ein Leitungsabschnitt einen - wenn auch geringen - Widerstandswert aufweisen und daher ebenfalls eine Spannung U_S abfällt.

Es besteht auch die Möglichkeit eine Schaltung, die das er findungsgemäße Verfahren ausführt, als integrierte Schaltung auszugestalten, wobei die zu erfassenden Werte digitalisiert werden, so daß sie beispielsweise von einer Steuereinheit zum Bilanzieren verwendet werden.

Dazu kann insbesondere die Integration in bestimmten vom Zeitgeber vorgegebenen diskreten Zeitintervallen durchgeführt werden.

Dabei kann als Steuereinheit beispielsweise ein bereits im Elektrogerät vorhandener Mikroprozessor verwendet werden, wo bei eine Anpassung der Software auf das Verfahren erfolgen muß.

In Fig. 2 sind Verlauf und Beziehung einiger wichtiger schaltungstechnischer Größen bei der Durchführung des erfin dungsgemäßen bilanzierenden Verfahrens zum Laden eines Akku mulators bei unbekannten Ladeströmen I_L und Entladeströmen I_E dargestellt. Der gezeigte Verlauf der abfallenden Spannung ist dabei willkürlich gewählt und soll nur zur Verdeutlichung der Zusammenhänge dienen. Durch das Bilanzieren, auf Basis der am Meßshunt abfallenden Spannung U_S, soll dabei folgende Bedingung erfüllt werden:

Q_L = Q_E

Q_L bezeichnet die zugeführte Ladung (Laden) und ergibt sich aus

Q_L = I_L . t = (U_S . t)/R_S, U_S ist positiv

Q_E bezeichnet die entnommene Ladung (Entladen)und ergibt sich aus

Q_E = I_E . t = (U_S . t)/R_S, U_S ist negativ

wobei R_S den Widerstandswert des verwendeten Meßshunts MS und t die Zeit bezeichnet.

Für einen gewählten Zeitraum [0; τ] wird eine Integration der abfallenden Spannung U_S vorgenommen, so daß sich ein inte griertes Signal KP wie folgt ergibt:

Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich, daß für einen Wert des integrierten Signals KP ungleich Null der Akkumulator AK nicht voll ist. Daher wird der gesteuerte Ladeschalter GLS für diese Werte des integrierten Signals KP geschlossen (Ein).

Bei den genannten Werten und Bedingungen handelt es sich um Idealwerte, die beispielsweise aus schaltungstechnischen Gründen in der Realisierung abweichen bzw. genähert werden können.

Die genannten Ausführungsbeispiele stellen nur einen Teil der durch die Erfindung möglichen Ausführungsformen dar. So ist ein auf diesem Gebiet tätiger Fachmann in der Lage, durch vorteilhafte Modifikationen eine Vielzahl von weiteren Aus führungsformen zu schaffen, ohne daß dabei der Charakter (We sen) der Erfindung - genaues Bilanzieren des Ladens und Ent ladens eines Akkumulators ohne Kenntnis des Lade- und Entla destroms - verändert wird. Diese Ausführungsformen sollen ebenfalls durch die Erfindung mit erfaßt sein.

Claims

1. Verfahren zum Laden mindestens eines Akkumulators (AK) ei nes Elektrogerätes (EG), insbesondere eines Mobiltelefons, mittels einer Ladeschaltung (U_L, R) dadurch gekenn zeichnet, daß

a) ein sich im Stromkreis des Akkumulators (AK) befindender Verbraucher, an dem eine proportional zu einem Ladestrom I_L oder Entladestrom I_E verlaufende Spannung (U_S) abfällt, als Meßshunt (MS) verwendet wird,
b) eine zu der am Meßshunt (MS) abfallenden Spannung (U_S) proportionale Spannung (U_S') von einer Einrichtung zum Ka pazitätszählen (KAP) derart über eine Zeit integriert wird, daß ein integriertes Signal (KP) erzeugt wird,
c) abhängig vom integrierten Signal (KP) ein Steuersignal (ST) erzeugt wird, das einen gesteuerten Ladeschalter (GLS) schaltet,
d) der gesteuerte Ladeschalter (GLS) durch das Steuersignal (ST) derart geschaltet wird, daß die Kapazitätszählein richtung (KAP) sowohl ein Laden als auch ein Entladen des Akkumulators (AK) erfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich im Stromkreis des Akkumulators (AK) befindende Sicherung (SI) als Meßshunt (MS) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich im Stromkreis des Akkumulators (AK) befindender Widerstand als Meßshunt (MS) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand einer sich im Stromkreis des Akkumulators (AK) befindenden Leitung als Meßshunt (MS) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Meßshunt (MS) abfallende Spannung (U_S), bei negativem Vorzeichen durch eine Verstärkerstufe (V1) mit einem ersten Faktor mul tipliziert und bei positivem Vorzeichen mit einem zweiten Faktor multipliziert wird, so daß sie als proportionale Span nung (U_S') an die Kapazitätszähleinrichtung (KAP) weiterge leitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Betrag ei nes Faktors, mit dem die an dem Meßshunt (MS) abfallende Spannung (U_S) durch eine Verstärkerstufe (V1) multipliziert wird, größer eins gewählt wird, so daß am Meßshunt abfallende Spannung (U_S) als proportionale Spannung (U_S') an die Kapazi tätszähleinrichtung (KAP) weitergeleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (ST) durch eine Vergleicherstufe (V2) als Ergebnis eines Ver gleichs des integrierten Signals (KP) mit einem einstellbaren Schwellwert erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Signal (KP) als Steuersignal (ST) verwendet wird.