DE3533437A1 - Schutzelektronik fuer akkumulatoren - Google Patents

Schutzelektronik fuer akkumulatoren

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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.
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