DE2902334A1 - Kontrollgeraet fuer den ladungszustand eines elektrischen akkumulators - Google Patents

Description

• Kontrollgerät für den Ladungszustand eines
• elektrischen Akkumulators Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontrollgerät für den Ladungszustand eines elektrischen Akkumulators.
• Der Ladezustand von Akkumulatoren, insbesondere von Nikkel-Cadmiumzellen, wie sie heute in elektrischen Kleingeräten vielfach zum Einsatz kommen, läßt sich auf Grund der Zellenspannung nicht in dem gewtinschten Maße über wachen. So beobachtet man, daß der Entladestrom in der Regel kleiner als der Aufladestrom ist, wie dies aus dem die Fig. 1 bildenden Diagramm ersichtlich ist. Dieses zeigt den typischen Verlauf der Klemmenspannung einer Nickel-Cadmium-Akkumulatorenzelle bei einer Ladung mit dem Strom 1L = Nennkapazität pro 10 Stunden und einer Entladung mit dem Strom IE = Nennkapazität pro 10 Stunden.
• Bei Kleingeräten, wie zum Beispiel Trockenrasierern, war bislang eine Uberwachung des Lade- und Entladevorgangs des das Gerät mit Strom versorgenden Akkumulators nicht wirtschaftlich realisierbar. Man hat deshalb beim Aufladen Überladungen und damit die vorzeitige Zerstörung der Akkumulatorzelle in Kauf genommen. Beim Entladen setzte eine ungenügende Funktion des Geräts, oder wenn dies untragbar war (wie zum Beispiel bei Taschenrechnern), eine entsprechende Anzeige den Betrieb des Geräts mit der versorgenden Akkumulatorzelle ein Ende. Bei Ladegeräten mit höherem Aufwand ist eine Zeitüberwachung des Aufladevorgangs üblich.
• Es ist nun die Aufgabe der Erfindung ein Kontrollgerät für den Ladungszustand des Akkumulators anzugeben, welches sich digitaler Funktionen bedient, welches monolithisch integrierbar ist und welches es gestattet, den Ladezustand des ihm zugemessenen Akkumulators genau zu überwachen, Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe ein Kontrollgerät für den Ladungszustand eines elektrischen Akkumulators derart vorgesehen, daß ein von dem über die beiden Anschlüsse des Akkumulators fließenden Strom aktivierter und im aktivierten Zustand periodisch Taktimpulse abgebender Taktgenerator und ein auf zwei Zählrichtungen umschaltbarer und durch die Taktimpulse als Zählimpulse beaufschlagter Impulszähler vorgesehen sind, daß ferner ein auf die Richtung des über die Anschlüsse des Akkumulators fließenden Stroms ansprechender Sensor vorgesehen und zur Einstellung der Zählrichtung des Impulszählers nach Maßgabe der Richtung dieses Stroms ausgestaltet ist.
• Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Stromrichtung beim Aufladestrom entgegengesetzt zu der des Entladestroms ist. Beispielsweise kann beim Aufladen der Zählerstand erhöht und beim Entladen erniedrigt werden.
• Anzeigen des Ladezustands beziehungsweise ein Abschluß der Ladung beziehungsweise der Ladungsentnahme kann Jeweils mit einem bestimmten Zähierstand verbunden sein.
• Bei der Ausgestaltung der vom Taktgeber gelieferten Zählimpulsfolgen empfiehlt es sich, wenn wenigstens ein Teil der folgenden Merkmale erfüllt wird: a) beim Aufladen ist die Impulsanzahl pro Zeiteinheit proportional zu der auf Grund der Aufladung entnehmbaren Ladungsmenge; b) beim Entladen ist die Impulszahl proportional der entnommenen Ladungsmenge; c) im Ruhezustand wird entweder der Zählerstand nicht verändert oder die Impulszahl der Selbstentladung und der Stromentnahme der Kontrollschaltung entsprechend angesetzt; d) das Setzen des Zählers - zum Beispiel beim Wechsel des Akkumulators oder bei einer vollständigen Entladung oder einer vollen Aufladung - kann auf Grund von gegebenenfalls einfachen Spannungskriterien vorgenommen werden; e) zu berücksichtigen ist gegebenenfalls die Tatsache, daß die Impulszahl beim Laden und Entladen wegen der Temperaturabhängigkeit des Lade- und Entladestroms gegebenenfalls durch einen die Temperatur des Akkumulators beziehungsweise dessen Umgebung überwachenden weiteren Sensor mitgesteuert werden kann.
• Beispiele für detaillierte Lösungsvorschläge werden im folgenden an Hand der Fig. 1 bis 5 beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 der typische Verlauf der Klemmenspannung einer Nickel-Cadmium-Akkumulatorzelle bei einer Ladung mit dem Strom IL (= Nennkapazität/10h) und einer Entladung mit IE (= Nerinkapazität/lOh) dargestellt, während die übrigen Figuren Beispiele für in monolithisch integrierbarer Form realisierbarer Kontrollgeräte entsprechend der Erfindung zeigen.
• Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß Lade- und Entladestrom voneinander verschieden sind und daß deren zeitliches Verhalten nicht mit einer einfachen Funktion beschrieben werden kann.
• In Fig. 2 ist ein Prinzip-Blockschaltbild einer der Überwachung und Anzeige des Ladezustands dienenden Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeichnet. Die Ladeimpulse werden im Ladeimpulsformer - einem stromgesteuerten Oszillator - LF erzeugt und in der als Vorwärts-Rückwärtszähler ausgebildeten Zählereinheit Z aufwärts gezählt.
• Der Entladeimpulsformer EF besteht ebenfalls aus einem stromgesteuerten Oszillator, dessen Impulse in der Zählereinheit Z abwärts gezählt werden. Die Steuereinheit ST hat die Aufgabe, die Zählereinheit Z zu setzen, was nach Maßgabe der oben angegebenen Akkumulator spannung (vergleiche Punkt d) und e)) geschehen kann. Die Steuereinheit ST sorgt außerdem für die Bedienung der Steuerausgänge zur Ladeeinheit sowie zum Ladegerät oder zum Verbraucher und sorgt gegebenenfalls entsprechend Punkt e dafür, daß der Zähler Z zur Berücksichtigung der Eigenentladungen im Ruhezustand den Zählerstand mittels nach Maßgabe dieser Selbstentladung erzeugten Korrekturzählimpulsen erniedrigt.
• Bei der in Fig. 2 im Blockschaltbild dargestellten Vorrichtung gemäß der Erfindung hat man somit einen Vorwärts-Rückwärtszähler Z, der sowohl als Dezimalzähler als auch als Dualzähler ausgebildet sein kann. Ferner hat man die Steuereinheit, deren Funktion und Aufgabe bereits oben dargelegt worden ist. Die Anlage ist mit dem Akkumulator AKKU fest verbunden und bildet sowohl Entladeeingang als auch den Ladeeingang desselben. Zu diesem Zweck hat das Kontrollgerät einen Ladeeingang LE und einen Entladeausgang EA. An den Eingang LE wird das zum Beispiel über Netz gespeiste Ladegerät LG angelegt, während ein Verbraucher Vb an den Entladeausgang EA des Kontrollgeräts anzuschließen ist.
• Der Ladeeingang LE ist über den Ladeimpulserzeuger LF sowohl an den Zähler Z als auch an die beiden Anschlüsse des Akkumulators AKKU gelegt. Der Entladeausgang EA ist über den Entladeimpulserzeuger EF an die Klemmen des Akkumulators AKKU gelegt. Die Signalausgänge sowohl des Ladeimpulserzeugers LF als auch des Entladeimpulserzeugers EF liefern die Zählimpulse für den Vorwärts-Rückwärtszähler Z und steuern zugleich die Zählrichtung -vorzugsweise in dem oben angegebenen Sinn, so daß eine Ladungsvermehrung des Akkumulators AKKU mit der positiven Zählrichtung verbunden ist.
• Ein auf die Temperatur des Akkumulators AKKU ansprechender Sensor S dient zur zusätzlichen Steuerung der Steuereinheit ST, die ihrerseits einerseits auf den Zähler Z, andererseits auf externe Steuervorgänge, zum Beispiel auf eine den Zählerstand wiedergebende Anzeige, Einfluß nehmen kann. Beispielsweise kann die bei erhöhter Stempel ratur zunehmende Entladegeschwindigkeit beziehungsweise Selbstentladung durch zusätzlich in der Steuereinheit ST erzeugte Einwirkung auf die Anzeigevorrichtung beritcksichtigt werden.
• Eine besonders vorteilhafte einfache Ausgestaltung eines Kontrollgeräts gemäß der Erfindung läßt sich erreichen, wenn der Ladestrom um den Ladungswirkungsgrad (#-i) größer gewählt wird als der Entladestrom und wenn entweder geladen oder entladen wird und man durch entsprechende Maßnahmen dafür sorgt, daß die Lade- und Entlade ströme zeitlich konstant bleiben.
• In diesem Falle kann die Existenz einer Spannung aus der des Ladegeräts LG beziehungsweise am Eingang des Verbrauchers Vb als Kriterium dafür verwendet werden, daß ein Taktgeber TG eingeschaltet wird, dessen Impulse beim Laden zum Aufwärtszählen und beim Entladen zum Abwärtszählen durch den Vorwärts-Rückwärtszähler Z herangezogen werden. Die Ausgestaltung der Anlage kann zum Beispiel gemäß Fig. 3 erfolgen.
• Man hat hier zwei gekoppelte Schalter S1 und S2, die in der aus Fig. 3 und deren Tabelle ersichtlichen Weise die Betriebszustände der Kontrollanlage bestimmen. Der über die beiden Klemmen des Akkumulators AKKU fließende Strom liefert außerdem die Versorgungsspannung VS, die für den Betrieb des Zählers Z und des vom Zähler Z gesteuerten Anzeigers ANZ erforderlich ist.
• Ein Kontrollgerät gemäß der Erfindung kann auch in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise ausgestaltet sein. Der vom Ladegerät LG gelieferte Strom beziehungsweise der vom Akkumulator AKKU an den Verbraucher gelieferte Strom läuft über eine Gleichrichterschaltung GL, die es gestattet, die Stromrichtung und somit den Betriebszustand des Akkumulators AKKU zu ermitteln. Durch ein mit der Jeweiligen Stromrichtung gekoppeltes Erkennungssignal wird dann der Vorwärts-Rückwärtszähler Z hinsichtlich seiner Zählrichtung eingestellt.
• Der über die Klemmen des Akkumulators fließende Strom wird außerdem dazu verwendet, um die Zählimpulse für den Zähler Z zu liefern. Dies kann beispielsweise über einen einen Strom- beziehungsweise Spannungsverstärker V mit nachgeschaltetem Analog-Digitalwandler A/D geschehen.
• Ein Anzeiger ANZ und eine Ablauf steuerung ST vervollständigen das Schaltungsbild.
• Eine weitere einfache Aus#estaltung wird an Hand von Fig. 5 beschrieben.
• Der Vorwärts-Rückwärtszähler Z besteht aus einer Anzahl einander gleicher Zweispeicherflipflopzellen FF1, FF2, FF3, ... FFn, die Jeweils eine Dualstelle repräsentieren. Zwischen den Ausgängen Q und Q der Jeweils vorgeschalteten Flip-Flopzelle FFi 1 und der Jeweils nachfolgenden Zelle FFi (i = 2, 3, ... n) ist Je eine aus einem Inverter IN und drei NAND-Gattern N1, N2 N3 bestehende Logik vorgesehen. Dabei ist der Q-Ausgang und der Q-Ausgang der Jeweiligen Vorzelle FF(i 1) an Je eines der beiden - Je zwei Eingänge aufweisenden NAND-Gatter N1 und N2 gelegt, deren zweiter Eingang durch das Umschaltsignal gesteuert ist. Dieses Umschaltsignal wird dem Gatter N1 über den Inverter IN und dem Gatter N2 unmittelbar zugeführt. Die Ausgänge der beiden NAND-Gatter N1 und N2 liegen an Je einem der beiden Eingänge eines dritten NAND-Gatters N3, dessen Ausgang an den Takteingang der Jeweils folgenden Flip-Flopzelle FFi angeschaltet ist.
• Das an die beiden NAND-Gatter N1 und N2 gelegte Umschaltsignal wird von einem Ausgang einer statischen Flip-Flopzelle FS geliefert. Diese ist beispielsweise als RS-Flip-Flop ausgebildet. Sie wird von einer aus zwei UND-Gattern U1 und U2 und zwei Invertern I1 und 12 bestehenden Logik gesteuert.
• Ein von dem zu überwachenden Akkumulator AKKU gelieferter oder diesen ladenden Strom wird über einen Spannungsabfall erzeugendes Element, zum Beispiel einen Widerstand R geführt. Das eine Ende dieses Widerstands ist unmittelbar an den einen Eingang des einen UND-Gatters U1 und über den Inverter 12 an den einen Eingang des anderen UND-Gatters U2 gelegt.
• Das andere Ende des Widerstands R liegt unmittelbar am einen Eingang des UND-Gatters U2 und über einen Inverter 11 am anderen Eingang des UND-Gatters U2. Der Spannungsabfall längs des Widerstands R und die Anschaltung der UND-Gatter an das der Anlage gemeinsame und mit einer der beiden Klemmen des Akkumulators identische Bezugspotential ist so gewählt, daß dieser Spannungsabfall als logische ~EINS" von den UND-Gattern, den NAND-Gattern und den Invertern gewertet wird.
• Die von den beiden UND-Gattern U1 und U2 abgegebenen Signale können zudem auch zur Einschaltung des Taktgebers TG verwendet werden. Dieselbe Aufgabe kann aber auch dem über die Anschlußklemmen des Akkumulators schließenden Strom übertragen werden (Fig. 5). Die von diesem gelieferten Taktimpulse werden als Zählimpulse der ersten Flip-Flopzelle FF1 des Zählers Z zugeführt.
• Es empfiehlt sich die Anlage in MOS-Technik, insbesondere in komplementärer MOS-Technik zu realisieren, so daß ein möglichst geringer Stromverbrauch gewährleistet ist.
• Der Aufbau des Zählers ist durch Flip-Flopzellen gegeben, die beim Wiedereinstellen des Kontrollgeräts zwangsläufig den Zählerstand NULL wiedergeben. Der End- zustand der Aufladung wird zweckmäßig mit dem höchsten Zählstand des Zählers kombiniert. Zwischenstände der Ladung werden über einen Dekodierer des Zählerstands zur Anzeige gebracht.
• 10 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (10)

1. Patentansprüche Kontrollgerät für den Ladungszustand eines elektrischen Akkumulators, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein von dem über die beiden AD Anschlüsse (Klemmen) des Akkumulators (AKKU) fließenden Strom aktivierter und im aktivierten Zustand periodisch Taktimpulse abgebender Taktgenerator (TG) und ein auf zwei Zählrichtungen umschaltbarer und durch die Taktimpulse als Zählimpulse beaufschlagter Impuiszähler (z) vorgesehen sind, und daß ferner ein auf die Richtung des über die Anschlüsse des Akkumulators (AKKU) fließenden Stroms ansprechender Sensor vorgesehen und zur Einstellung der Zählrichtung des Impulszählers (Z) nach Maßgabe der Richtung dieses Stroms ausgestaltet ist
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die positive Zählrichtung mit dem Aufladen und die negative Zählrichtung des Impuls zählers mit dem Entladen des Akkumulators verbunden ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein auf die Temperatur des Akkumulators (AKKU) ansprechender Sensor (S) vorgesehen und zur Korrektur des Zählerst ds des Impulszählers (Z) und/oder der Anzeige (ÅNZ) des Zählerstands im Sinne einer Entladung des Akkumulators (AKKU) befähigt ist.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein mit einem Ladegerät (LG) zu verbindender Ladeeingang (LE) auf einen als Oszillator ausgestalteten Ladeimpulsfor- mer (LF) und auf eine Anschlußklemme des Akkumulators (AKKU) geschaltet ist, daß außerdem ein mit einem Verbraucher (Vb) vorgesehener Entladeausgang (EA) mit einem als Oszillator ausgestalteten Entladeimpulsformer (EF) und mit einer Anschlußklemme des Akkumulators (AKKU) verbunden ist, daß die Signalausgänge der beiden Impulsformer sowohl zur Beaufschlagung des Zähleingangs eines Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) als auch - gegebenenfalls über eine Steuereinheit (ST) - zur Einschaltung einer jeweiligen dem betreffenden Impulsformer (LF, EF) zugeordneten Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) vorgesehen sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein auf die Temperatur des Akkumulators (AKKU) ansprechender Sensor (S) mit diesem verbunden und zur Korrektur des sich insbesondere bei der Entladung ergebenden Zählerstands des Zählers (Z) - gegebenenfalls über die Steuereinheit (ST) - vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein den Jeweiligen Zählstand des Zählers (Z) anzeigendes optisches Anzeigegerät, zum Beispiel eine LCD-Anlage, durch die Signalausgänge des Zählers (Z) beaufschlagt ist.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Anschlußklemme des Akkumulators (AKKU) über zwei Schalter und S2 alternativ in den Zustand der Ladebereitschaft, in den Zustand der Ladeabgabe und in den Ruhezustand schaltbar ist, daß ferner die an den mit dem Ladegerät (LG) zu verbindende und vom Ladestrom (IL) \ durchflossene erste Leitung (IL) sowohl zur Aktivierung eines Taktge- bers (TG) als auch zur Einstellung einer ersten Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) vorgesehen ist und die an den mit einem Verbraucher (Vb) zu verbindenden Ausgang des Kontrollgeräts führende und den Entladestrom führende zweite Leitung (I) ebenfalls zur Aktivierung des Taktgebers (TG) als auch zur Einstellung der zweiten Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärtszählers dient.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Schalter (S1, S2) miteinander mechanisch gekoppelt sind (Fig. 2).
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Feststellung der Richtung eines über die Anschlußklemmen des Akkumulators (AKKU) fließenden Stroms eine Gleichrichteranlage (GL) vorgesehen und diese zur Steuerung der Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) bestimmt ist, daß ferner der über die ~Anschlußklemmen des Akkumulators fließende Strom beziehungsweise die zwischen den Anschlußklemmen des Akkumulators liegende Spannung zur Beaufschlagung eines Analog-Digitalwandlers (A/D) und dessen Ausgang zur Beanfschlagung des Zähleingangs des Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) vorgesehen ist.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der über die Anschlußklemmen des Akkumulators (AKKU) iließende Strom zur Beaufschlagung einer Widerstands strecke (R) mit festen Endpunkten dient, daß ferner zwei UND-Gatter (u1, Uclr mit Jeweils zwei Eingängen sowie zwei Inverter (11, ) vorgesehen sind, daß dabei der eine Endpunkt (A) der Widerstandsstrecke (R) unmittelbar mit dem ersten Eingang des ersten Gatters (U1) und über einen Inverter (I2) mit dem anderen Eingang des zweiten UND-Gatters (U2) sowie der andere Endpunkt (B) der Widerstandsstrecke (R) unmittelbar mit dem ersten Eingang des zweiten UND-Gatters (U2) und über den anderen Inverter (I1) mit dem zweiten Eingang des ersten UND-Gatters (U1) verbunden ist, daß ferner die beiden Ausgänge der UND-Gatter (U1, U2) zur Einstellung des Betriebszustands einer statischen Flip-Flopzelle (FS) dienen und daß schließlich der nach Maßgabe der Beaufschlagung durch die beiden UND-Gatter (U1, U2) bestimmte logische Zustand am Ausgang der Flip-Flopzelle (FS) zur Steuerung der Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärtszählers (Z) vorgesehen ist.