DE3533437A1 - Schutzelektronik fuer akkumulatoren - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzelektronik für Akku
mulatoren mit aufladbaren, seriell verschalteten Span
nungszellen, die über eine Stromsteuereinheit mit einem
Stellglied zur Ladung oder Entladung angesteuert wer
den.
Akkumulatoren dürfen beim Betreiben eines Verbrauchers
einen zulässigen maximalen Entladungsstrom nicht über
schreiten bzw. nicht unter eine Minimal-Kapazität ent
laden werden, ohne dauerhaften Schaden zu nehmen. Dies
kann mittelbar dadurch verursacht sein, daß beim Lade
vorgang der zu ladenden Spannungszellen, die seriell
verschaltet sind, die Kapazität der einzelnen Spannungs
zellen nicht exakt bestimmbar ist.
Bei den heute üblichen Ladegeräten wird meist ein Kon
stantstrom und eine Zeit für das Laden von in Reihe
geschalteter Zellen vorgegeben, wobei ein Überladen
durch entsprechend eingestellte Ladedauer vermieden
werden muß. Bei zu kurz eingestellter Ladedauer errei
chen jedoch nicht alle Spannungszellen ihre vorgegebene
Kapazität. Bei zu großer Stromentnahme kann sich des
halb im Falle von NiCd-Akkumulatoren die Polarität ein
zelner Zellen umpolen, was praktisch zu deren Zerstö
rung führt und damit den ganzen Verband unbrauchbar
macht.
Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Schutzelektronik für Akkumulatoren anzu
geben, die ein optimales Betreiben solcher in Serie
geschalteter Akkumulatorzellen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Spannung jeder Spannungszelle an einer zugeordneten
Komparatorstufe eines Netzwerkes mit einer für die Span
nungszellen charakteristischen Referenzspannung vergli
chen wird und über eine nachgeschaltete Logikschaltung
und die Stromsteuereinheit das Stellglied angesteuert
wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er
geben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Schutzelektronik für Akkumulatoren
hat den wesentlichen Vorteil, daß Akkumulatoren unab
hängig von der Anzahl der Zellen und Umgebungstempera
tur, als einem wichtigen Parameter, problemlos geladen
und entladen werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:
Es zeigt die Figur:
Ein Blockschaltbild für eine Schutzelektronik für einen
Akkumulator mit mehreren Zellen.
Die in der Figur gezeigte Schutzelektronik des Netz
werks N wirkt über die Stromsteuereinheit 1 auf das
Stellglied 2, über das die seriell verschalteten Span
nungszellen Z n des Akkumulators zum Laden mit einer
äußeren Stromquelle oder zum Entladen mit einem exter
nen Verbraucher verbunden sind.
Die Stromsteuereinheit 1 wird über die Logikschaltung L
angesteuert, die in einem bevorzugten Ausführungsbei
spiel als OR-Gatter mit n-Eingängen ausgeführt sein
kann. Jeder dieser Eingänge wird von einem Ausgang der
n Komparatorstufen K n angesteuert, wobei dem einen Ein
gang dieser Komparatorstufen jeweils der eine Anschluß
pol einer der zugeordneten n Spannungszellen zugeführt
ist. Der andere Eingang der jeweiligen Komparatorstufe
ist über einen entsprechenden Widerstand R n mit dem
anderen Anschlußpol der Spannungszelle Z n verbunden.
Über die Referenzeinheit R werden entsprechend der An
zahl der Spannungszellen n Referenzströme I Refn dem
anderen Eingang der betreffenden Komparatorstufe K n und
dem damit verbundenen Anschluß des Widerstands R n zu
geführt. Die Referenzströme I Refn setzen sich aus Kom
ponenten eines konstanten Stromes für das Laden, I L ,
oder das Entladen, I E , und eines temperaturabhängigen
Bestandteils I th zusammen.
Das negativste Potential der seriell verschalteten Span
nungszellen ist mit der Logikschaltung verbunden. Zur
Erfassung des Stromrichtungssinns beim Entladen bzw.
Laden, wird der Anschluß der seriell verschalteten Span
nungszellen mit dem höchsten Potential mit der Detek
toreinheit D verbunden, und ein anderer Eingang der
Detektoreinheit D wird über einen Schutzwiderstand R S
mit der externen Ladespannung oder dem externen Verbrau
cher verbunden.
Zwischen dem Anschluß für den externen Verbraucher bzw.
der externen Ladespannung und dem Anschluß der Span
nungszellen mit dem höchsten Potential ist das Stell
glied 2 geschaltet, das als Transistor, Relais, oder
Leistungs-Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann.
Am Ausgang der Detektoreinheit D stehen die Steuerspan
nungen U D 1 und U D 2 an, die die Referenzeinheit R an
steuern.
Für den Fall des Ladens des Akkumulators sei das Stell
glied 2 geschlossen, dann fließt zum einen Ladestrom in
die seriell verschalteten Spannungszellen Z n und zum
anderen über den Schutzwiderstand R S der Detektorstrom
I DL für das Laden. Über die Detektoreinheit D bewirkt
dieser Strom, daß die Steuerspannung U D 1 in der Refe
renzeinheit R Referenzströme für das Laden, I L , und die
Temperaturabhängigkeit, I th , bereitstellt, die als ent
sprechende Referenzströme I Refn hauptsächlich in die
Widerstände R n fließen.
Am Widerstand R n wird ein proportionaler Spannungsab
fall U Refn erzeugt, der mit der momentanen Spannung U n
der betreffenden Spannungszelle Z n an der Komparator
stufe K n verglichen wird.
Übersteigt die Ladespannung an einer beliebigen Span
nungszelle Z n den eingestellten Referenzwert U Refn ,
steuert die Komparatorstufe K n über den Logikteil L und
die nachgeschaltete Stromsteuereinheit 1 das Stellglied
2 an, welches dadurch geöffnet ist und den Ladevorgang
unterbricht. Eine typische Referenzspannung U Refn für
das Laden von NiCd-Akkumulatoren bei 25°C kann bei
spielsweise 1,4 V betragen.
Beim Entladevorgang können die Anschlüsse an den Kom
paratorstufen K n vertauscht oder das Komparatorausgangs
signal über die zweite Steuerspannung U D2 geschlos
sen, solange die Zellenspannungen U n größer sind als
die jetzt anliegenden Referenzspannungen U Refn . Diese
werden jetzt über die Referenzeinheit R durch Überla
gern eines Stromes I E für die Entladung mit einem tem
peraturabhängigen Anteil I th erzeugt und können für das
oben genannte Beispiel in der Größenanordnung von 700 mV
liegen.
Die Steuerung der Referenzströme für das Entladen er
folgt dabei über die Detektoreinheit D, da über diese
jetzt ein Strom I DE in die entgegengesetzte Richtung
zum Strom I DL für das Laden fließt. Dementsprechend hat
sich die Steuerspannung U D1 geändert.
Sobald die Zellenspannung U n kleiner als die Referenz
spannung U Refn geworden ist, beispielsweise bei starker
Entladung, steuert der Ausgang der Komparatorstufe K n
über den Logikteil L und die Stromsteuereinheit 1 das
Stellglied 2 an, welches dadurch als geöffnet erscheint
und den Entladevorgang unterbricht.
Die gesamte Schaltung ist monolithisch integrierbar und
benötigt zusätzlich zur Anzahl der Spannungszellen le
diglich drei weitere Anschlüsse. Die Erfassung der Tem
peratur kann auf dem Halbleiterchip mittels eines pn-
Übergangs erfolgen.
Claims (8)
1. Schutzelektronik für Akkumulatoren mit aufladbaren,
seriell verschalteten Spannungszellen (Z n ), die über
eine Stromsteuereinheit (1) mit einem Stellglied (2)
zur Ladung oder Entladung angesteuert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannung (U n ) jeder Spannungs
zelle (Z n ) an einer zugeordneten Komparatorstufe (K n )
eines Netzwerkes (N) mit einer für die Spannungszellen
(Z n ) charakteristischen Referenzspannung (U Refn ) ver
glichen wird und über eine nachgeschaltete Logikschal
tung (L) und die Stromsteuereinheit (1) das Stellglied
(2) angesteuert wird.
2. Schutzelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß beim Lade- oder Entladevorgang die Strom
flußrichtung in den Spannungszellen (Z n ) über eine De
tektoreinheit (D) erfaßt wird, deren erstes Steuersig
nal (U D 1) in einer Referenzeinheit (R) verschiedene
Referenzströme (I Refn ) für das Laden (I Ln ) und Entladen
(I En ) jeder Spannungszelle (Z n ) bewirkt.
3. Schutzelektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Referenzstrom (I Refn ) an einem
zugeordneten Widerstand (R n ) die Referenzspannung
(U Refn ) erzeugt, und daß der Widerstand (R n ) zwischen
dem einen Anschlußpol der Spannungszelle (Z n ) und dem
einen Eingang der zugeordneten Komparatorstufe (K n )
liegt, und daß der andere Anschlußpol der Spannungszel
le (Z n ) dem anderen Eingang der Komparatorstufe (K n )
zugeführt ist.
4. Schutzelektronik nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung
(L) aus einem OR-Gatter mit n-Eingängen für die Ausgän
ge der n-Komparatorstufen (K n ) besteht.
5. Schutzelektronik nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (2)
als Transistor, Relais oder Leistungs-Feldeffekttransi
stor ausgeführt ist.
6. Schutzelektronik nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Referenz
einheit (R) den Referenzströmen (I Refn ) eine tempera
turabhängige Stromkomponente (I tn ) überlagert ist.
7. Schutzelektronik nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Detektor
einheit (D) ein zweites Steuersignal (U D 2) erzeugt wird,
das dem Logikteil (L) zur Invertierung der Ausgangs
signale der n-Komparatorstufen (K n ) beim Entladevorgang
zugeführt ist.
8. Schutzelektronik nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der
Temperatur und zur Bildung des temperaturabhängigen
Bestandteils (I tn ) des Refenzstromes (I Refn ) ein pn-
Halbleiterübergang verwendet wird, der monolithisch mit
dem Netzwerk (N) integriert ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853533437 DE3533437A1 (de) | 1985-09-19 | 1985-09-19 | Schutzelektronik fuer akkumulatoren |
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DE19853533437 DE3533437A1 (de) | 1985-09-19 | 1985-09-19 | Schutzelektronik fuer akkumulatoren |
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DE3533437A1 true DE3533437A1 (de) | 1987-03-26 |
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ID=6281394
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DE19853533437 Withdrawn DE3533437A1 (de) | 1985-09-19 | 1985-09-19 | Schutzelektronik fuer akkumulatoren |
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