DE4225703A1 - Energiemanagementsystem fuer batteriebetriebene computer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektronischer Stromversorgungen und insbesondere auf eine mikroprozessorge­ steuerte Stromversorgung für batteriebetriebene Personalcompu­ ter.

Tragbare Computer gehören zu den am schnellsten wachsenden Segmenten des Computermarkts. Mit Zunahme der Leistungsfähig­ keit dieser Maschinen und Reduzierung ihrer Größe sind die Vor­ teile der Computertechnologie beinahe universell nutzbar. Ob­ wohl derartige tragbare Computer in einem festen Basisbetriebs­ modus verwendet werden können, in welchem sie mit einer konven­ tionellen Wechselstromquelle verbunden sind, ist es zumindest ebenso wahrscheinlich, daß derartige tragbare Computer an Stel­ len ohne Wechselstromquelle, beispielsweise innerhalb eines Flugzeugs verwendet werden. Bei Verwendung in derartigen Umfel­ dern bedürfen tragbare Computer interner Batterien zur Energie­ versorgung.

Kompliziert aufgebaute Batterien und zugehörige Stromver­ sorgungen sind für tragbare Computer eine absolute Notwendig­ keit. Ein tragbarer Computer muß mit einer voll aufgeladenen Batterieanordnung über eine vernünftige Zeitspanne kontinuier­ lich betrieben werden können. Außerdem müssen plötzliche Ener­ gieabfälle und ihre daraus resultierenden Datenverluste auf ei­ nem unvermeidbaren Minimum gehalten werden. Selbstverständlich müssen Batterie und Stromversorgungseinrichtung gemeinsam dem Benutzer eine Anzeige darüber geben, ob die Spannungsversorgung in absehbarer Zeit abfällt, damit Daten rechtzeitig gespeichert und eine sinnvolle Abschaltung vorgenommen werden können.

Leider machen viele neue Arten von Batterieanordnungen in tragbaren Computern die Aufgabe der Bestimmung von Energiever­ lustereignissen sehr schwierig. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, fällt die Ausgangsspannung einiger Batterieanordnungen relativ linear mit der Verwendungsdauer ab, wobei der Spannungspegel der Batterieanordnung gegen Ende der Batterieentladung auf eine Entladespannung abfällt. An irgendeinem Punkt kann die Batte­ rieanordnung nicht mehr genug Energie zum Betrieb des Computers aufbringen. Wenn dieser Punkt ohne Warnung erreicht wird, gehen Daten verloren.

Die Bestimmung des Warnungspunkts, bei dem die Stromversor­ gung dem Benutzer vor endgültigem Abfall der Versorgungsspan­ nung die Notwendigkeit der Datensicherung signalisieren muß, ist keine einfache Aufgabe. Batterieentladung kann durch Fakto­ ren wie Temperatur, Batterietyp, Batterielast, Batteriealter und die Aufladungsmethode und Anzahl von zuvor vorgenommenen Wiederaufladungszyklen beeinflußt werden. Alle diese Faktoren führen zu einer nicht-linearen Ausgangsspannung über die Benut­ zungsdauer. Eine derart nichtlineare Kurve ist weit typischer für die Batteriefunktion als die eher lineare Funktion abge­ dichteter Bleiakkumulatoren gemäß Darstellung in Fig. 1. Ein spezielles Beispiel ist in Fig. 2 gezeigt, welche die Span­ nungsauskurve einer Nickel-Kadmium(NiCad)-Batterieanordnung über deren Verwendungsdauer darstellt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, liegt die Ausgangsspannung bei dieser Batterieart auf ei­ nem im wesentlichen gleichbleibend hohen Pegel, und zwar für einen sehr großen Prozentsatz der Entladezeit. Sobald jedoch ein gewisser Punkt erreicht ist, sinkt die Ausgangsspannung von NiCad's sehr rasch gegen Null. Bei einer solchen Batterie ist es sehr schwierig, festzustellen, wann die richtigen Stromaus­ fallwarnungen an den Benutzer gegeben werden sollen.

Bisher sind die meisten Hersteller das Problem der Warnung eines Leistungsabfalls einfach dadurch angegangen, daß eine sehr konservative Schätzung der Gesamtkapazität bei einer voll aufgeladenen Batterieanordnung gemacht und danach eine Lei­ stungsgrenzwertwarnung zu einem Zeitpunkt signalisiert wurde, bei dem die Restladung in der Batterieanordnung noch zuverläs­ sig für eine erfolgreiche Abschaltung ausreicht. Diese konser­ vative Abschätzung zwingt den Benutzer entweder zur Beendigung der Computerbenutzung oder zum Auswechseln der Batterien be­ reits früher als an sich nötig und kann auch zukünftige Lade- Entlade-Muster der Batterie beeinträchtigen, da der Wiederauf­ ladungsprozeß bereits an einer nur teilweise entladenen Batte­ rie einsetzt.

Es gibt viele weitere Nachteile in bekannten Stromversor­ gungseinrichtungen von tragbaren Computern. Die meisten Schal­ tungen arbeiten nur in Verbindung mit einer speziellen Art von Batterieanordnungen. Modifizierungen der Stromversorgung zur Berücksichtigung anderer Arten von Batterieanordnungen sind entweder unmöglich oder sehr schwierig. Außerdem ermöglichen derartige Schaltungen nur eine sehr hohe Abschätzung der Ge­ samtladung in einer vorgegebenen Batterieanordnung und können nicht eine optimale Wiederaufladung der Batterieanordnung ge­ währleisten. Da außerdem die Stromversorgungen Faktoren wie Temperatur oder Stromverluste nicht kompensieren, können ihre Abschätzungen der restlichen Batteriestandzeit und geeigneter Wiederaufladungen sehr schlecht sein. In einigen Fällen sind die Abschätzungen so schlecht, daß selbst konservative Abschät­ zungen zum Signalisieren der "Stromabschaltung" unrichtig wer­ den, was zum Verlust der Möglichkeit einer genügend rechtzeiti­ gen Warnung der Mindestrestladung und zum Verlust von Daten führt.

Eine Stromversorgung, welche genauere Messungen und opti­ male Wiederaufladungsströme ermöglicht und Schwankungen in Um­ weltfaktoren in geeigneter Weise kompensiert, wäre für die In­ dustrie tragbarer Computer ein großer Vorteil.

Die Erfindung ist auf ein mikroprozessorgesteuertes Ener­ gie- bzw. Stromversorgungsmanagementsystem für einen batterie­ betriebenen tragbaren Computer gerichtet. Das System weist ge­ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen 8-Bit-Mikropro­ zessor mit einem auf der Platine befindlichen Festwertspeicher (ROM), einem mit dem Mikroprozessor gekoppelten Direktzugriffs­ speicher (RAM), einer Energiemanagementeinheit (power manage­ ment unit - PMU), die mit dem Mikroprozessor gekoppelt ist, einen Wechselstromnetzanschluß und eine Verbindung zur Batterie hat. Die PMU versorgt den Computer, einschließlich der zentra­ len Recheneinheit (CPU), des Festplattenlaufwerks, des Display usw. über einen Coulomb-Zähler mit Strom.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung findet eine Nickel-Wasserstoff ("NiH")-Batterie Verwendung. Die Funktionsweise der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf diese besondere Batterie beschrieben, obwohl andere Batte­ rietypen unter Verwendung einer geeignet modifizierten Software eingesetzt werden können.

Nach Installation der Batterie im tragbaren Computer wird erfindungsgemäß der Batterietyp mit Hilfe eines Identifizie­ rungsschemas, ggf. eines Widerstandes in der Batterieanordnung, festgestellt. Wenn Netzstrom zur Verfügung steht, überprüft die erfindungsgemäße Anordnung die Ladung der Batterie. Wenn sie nicht vollständig geladen ist und die Umgebungstemperatur und die Batterietemperatur innerhalb vorgegebener Grenzen liegen, beginnt das Laden.

Bei Beginn des Ladevorgangs entsprechend den gespeicherten Ladeinstruktionen für den gegebenen Batterietyp prüft der Mi­ kroprozessor den Spannungspegel der Batterieanordnung. In peri­ odischen Intervallen mißt das System den Spannungspegel der Batterie. Gibt es eine Diskrepanz zwischen der vom System der Batterie zugeführten Ladungsmenge und dem jetzt verfügbaren Spannungspegel und erreicht diese Diskrepanz ein vorgegebenes Minimum, so wird der Ladevorgang vollständig unterbrochen und eine "Batterie-Defekt"-Anzeige über die CPU an das Computerdis­ play gegeben. Diese Tests verhindern ein Überladen defekter Batterie mit den daraus möglicherweise folgenden ernsthaften Konsequenzen, die insbesondere durch die zunehmende Energie­ dichte verschiedener neuer Batterietypen gegeben sind.

Eine Anzahl von Temperaturfühlern, einschließlich eines in der Nähe der Batterie und eines in der Computer-CPU, überwachen konstant die Temperatur innerhalb des Computers und der Batte­ rieanordnung. Durch geeignete Verarbeitung der Temperaturdaten können weitere Informationen über den Batteriezustand während des Ladens und des Betriebs (Entladung) gewonnen werden. Wenn beispielsweise die Ableitung der Temperaturdaten nicht konstant ist, so kann dies entweder Probleme mit der Batterie oder der Aufladeschaltung oder die vollständige Aufladung der Batterie bedeuten.

Nach dem vollständigen Aufladen der Batterie unterstellt das System, daß die Batterie eine vorgegebene Energiemenge lie­ fern kann. Während des Computerbetriebs überwacht der erfin­ dungsgemäß vorgesehene Coulomb-Zähler die Ladungsmenge, die von der Batterie an den Computer abgegeben wird. Wenn die Differenz zwischen der vorgegebenen Gesamtladung und der verbrauchten La­ dung die zur Sicherheitsabschaltung erforderliche Minimalener­ gie erreicht, gibt das System der CPU ein Signal, damit die Ab­ schaltung durchgeführt werden kann. Ein zusätzliches Merkmal eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung befähigt das erfindungsgemäße System, Ladedaten aus dem CPU-RAM zu Lesen, wenn eine neue Batterie unbekannter Art mit dem Computer ver­ bunden wird. Wenn das erfindungsgemäße System eine Batterie ID feststellt, deren Wert in dem RAM nicht gespeichert ist, fragt das System die CPU ab, in deren RAM sich die Ladedaten für die­ sen neuen Batterietyp befinden sollten. Ist dies der Fall, so wird diese Information in den System-RAM für zukünftige Verwen­ dung eingeladen.

Die Erfindung ist dadurch weitergebildet, daß eine spe­ zielle Identifizierungsnummer in jede Batterieanordnung einbe­ zogen wird. Dies kann mit Hilfe eines kleinen batterieeigenen statischen RAM (SRAM), eines elektrisch löschbaren, program­ mierbaren Nur-Lese-Speichers (EEPROM) oder anderer Mittel ge­ schehen. Wenn eine Batterieanordnung mit einer gespeicherten Seriennummer in den mit dem erfindungsgemäßen System versehenen tragbaren Computer eingesetzt wird, liest das System die Iden­ tifizierungsnummer und bestimmt, ob die Batterie mit dem Compu­ ter bereits früher benutzt worden ist. Ist dies der Fall, so wird ein die Gesamtanzahl von Lade- und Neuladezyklen für die spezielle Batterieanordnung verfolgender Zähler aktualisiert. Im Falle einer neuen Batterieanordnung wird ein neuer Zähler gestartet. Durch Verfolgen der Gesamtanzahl von Ladezyklen kann das erfindungsgemäße System das Lademuster adaptieren, um die Alterungscharakteristiken der Batterie anzupassen. Dadurch wird die nutzbare Lebensdauer der Batterie bzw. Batterieanordnung sowie die von letzterer lieferbare Gesamtenergie erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Kurve der Ausgangsspannung eines abgeschlos­ senen Bleiakkumulators über der Benutzungszeit;

Fig. 2 eine Kurve der Ausgangsspannung über der Benut­ zungszeit einer NiCad-Batterie;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Coulomb-Zäh­ lers, wie er bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verwendet werden kann;

Fig. 5 grafische Darstellungen der Spannung an dem Cou­ Lomb-Zähler-Kondensator in Abhängigkeit von La­ ständerungen im tragbaren Computer;

Fig. 6 eine schematische Schaltung einer PMU;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm der Betriebsweise des be­ schriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung bei Einsetzen einer neuen Batterie; und

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm der Betriebsweise des Ausfüh­ rungsbeispiels während Perioden des Computerbe­ triebs.

Ein Blockdiagramm der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Das System weist einen Mikroprozessor 15, einen mit diesem gekop­ pelten RAM 21, eine ebenfalls mit dem Mikroprozessor 15 gekop­ pelte PMU 20, ein Netzteil 25, eine Batterieanordnung 30, einen Temperaturfühler 45 und einen Coulomb-Zähler 35 auf. Letzterer ist seinerseits mit der Computer-CPU 40 gekoppelt. Der Mikro­ prozessor 15 ist ebenfalls mit der CPU 40 gekoppelt.

Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Mikroprozessor 15 aus einem handelsüblichen Mikrocontroller, wie er beispielsweise von Motorola unter der Liefernummer MC68HC05PG angeboten wird. Seine für die Erfindung relevanten Ausstattungsmerkmale umfassen einen platineneigenen RAM 21 und Festwertspeicher (ROM), Mehrkanal-8-Bit-A/D-Wandler und einige I/O-Ports. Da der Mikroprozessor 15 an sich bekannt ist, sind insoweit keine weiteren Erläuterungen notwendig.

Ein schematisches Schaltbild des Coulomb-Zählers 35 ist in Fig. 4 gezeigt. Strom aus der Batterieanordnung 30 fließt durch einen Strom-Sensorwiderstand 351 nach Erde 352. Wenn Strom durch den Sensorwiderstand fließt, so fließt er auch durch an­ dere Komponenten des in dieser Figur durch Computer 100 darge­ stellten Computersystems. Der über dem Widerstand 351 abgegrif­ fene Spannungsabfall wird vom Operationsverstärker 353 ver­ stärkt. Die verstärkte Ausgangsspannung ist aufgrund des Ohm­ schen Gesetzes (V=IR) direkt proportional zu dem den Wider­ stand 351 durchfließenden Strom. Wenn auch der Widerstandswert des Widerstands 353 an sich unkritisch ist, gilt doch, je klei­ ner er ist, umso niedriger ist der Stromverbrauch, wodurch die Batterielast verringert werden kann. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel ist der Widerstandswert des Widerstands 351 0,1 Ω.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 353 wird zum Laden des Kondensators 354 verwendet, der ein Kondensator mit besonders niedrigen Leckverlusten ist. Bei dieser Ausführung wirkt der Kondensator 354 als Integrator und summiert den durch den Wi­ derstand 351 in einer vorgegebenen Abtastperiode fließenden Ge­ samtstrom. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Abtastperiode etwa 1 Sekunde. Mikroprozessor 15 ist mit dem Kondensator 354 gekoppelt und tastet die Spannung am Kondensa­ tor einmal in jeder Abtastperiode ab und hält eine laufende Ge­ samtmenge der Ladung in der Batterieanordnung 30 während jeder Abtastperiode aufrecht. Feldeffekttransistor (FET) 356 dient zum Kurzschließen des Kondensators 354 gegen Erde zum Zwecke des Rückstellens nach jeder Abtastperiode.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ändert sich die laufende Belastung einer Batterie in einem tragbaren Computer stark mit der Zeit, wenn verschiedene Komponenten, wie die Festplatte, der Mikro­ prozessor und das Display zur Energieeinsparung ein- und ausge­ schaltet werden. Dies steht im Gegensatz zu der Strombelastung in Tischcomputern (desk top computers), die in der Regel kon­ stant bleibt, weil alle ihre Komponenten laufend in Funktion sind. Unterstellt, daß der Stromverbrauch stark und häufig wechselt, könnte es den Anschein haben, daß sehr häufige Abta­ stungen der Lastströme für eine genaue Coulomb-Zählung notwen­ dig sind. Eine häufige Abtastung hat jedoch den Nachteil eines verstärkten Mikroprozessorbetriebs, was wiederum den Stromver­ brauch erhöhen würde. Statt dessen integriert das erfindungsge­ mäße System den vom Computer verbrauchten Gesamtstrom innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode mit Hilfe des Kondensators 354 und tastet danach den Kondensator 354 ab und speichert dessen Wert in dem dem Mikroprozessor 15 zugeordneten RAM 21. Fig. 5a zeigt die Strombelastungsänderung über der Zeit, während ver­ schiedene Komponenten des Computersystems ein- und ausgeschal­ tet werden. Fig. 5b zeigt, wie der Coulomb-Zähler 35 die über eine vorgegebene Periode gebrauchte Strommenge integriert und danach den Integralwert für jede Abtastperiode dem Mikroprozes­ sor 15 zur Verfügung stellt.

Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild von Teilen der PMU 20. Bei Anschluß an ein 120-V-Wechselstromnetz liefert ein Um­ setzer und Netzteil 202 eine 24-V-Gleichspannung als Versor­ gungsspannung. Diese 24-V-Gleichspannung wird an einen als Os­ zillator ausgebildeten Schalter 204 angelegt.

Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schalter 204 als LT1171 integrierte Schaltung ausgebildet, wel­ che als elektronischer Schalter arbeitet und einen eingebauten 100-kHz-Taktgeber enthält. Das Ausgangssignal des Schalters 204 ist eine Rechteckwelle, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Stärke und der Art einer an den Schalter angelegten Rückkopplung geändert werden kann. Das Ausgangssignal des Schalters 204 wird an einen Umsetzer 207 angelegt. Eine Ände­ rung des Tastverhältnisses des Schalters 204 führt zu einem si­ nusförmigen Ausgangssignal veränderlicher Amplitude aus dem Um­ setzer 207. Dieses sinusförmige Ausgangssignal wird in einem Gleichrichter 209 gleichgerichtet und eine Ausgangsgleichspan­ nung und ein Gleichstrom erzeugt, der durch den Sensorwider­ stand 351 in die Batterieanordnung 30 fließt.

Ein Eingangssignal des Verstärkers 213 ist mit dem Ausgang des Gleichrichters 209 gekoppelt. Der Verstärker 213 dient zur Erzeugung des für die Steuerung des Tastverhältnisses des Schalters 204 notwendigen Rückkopplungsstroms und verwendet die an der Batterieanordnung 30 anstehende Spannung als Mittel hierfür. Rechteckgenerator 217 liefert ein Rechtecksignal mit 0- V-Minimal- und +5-V-Maximalamplitude und einer Frequenz von 1 kHz. Das Ausgangssignal des Generators 217 wird an ein RC-Netz­ werk 219 angelegt. Das RC-Netzwerk mittelt die Rechteck-Ein­ gangswelle vom Rechteckgenerator und erzeugt ein Gleichstrom- Ausgangssignal von etwa 2 V, welches seinerseits an einen Ein­ gang des Verstärkers 213 angelegt wird. In dieser Konfiguration wirkt der Verstärker 213 als Spannungsvergleicher. Wenn die Spannung an der Batterieanordnung 30 ansteigt, bleibt der Aus­ gang des Verstärkers 213 mit der Zeit hoch. Dieses Ausgangssi­ gnal wird an den Schalter 204 angelegt, wodurch das Tastver­ hältnis des Ausgangssignals des Schalters 204 abnimmt, was wie­ derum zu einer verringerten Ladespannung führt. Daher stellt das beschriebene System sicher, daß Batterien mit graduell ab­ nehmender Geschwindigkeit geladen werden, wenn die Gesamtladung der Batterieanordnung zunimmt.

Die Batterieanordnung 30 kann eine von verschiedenen ge­ wöhnlich verwendeten Batterietypen, einschließlich Alkali- oder Nickel-Kadmium-Akkumulatoren sein. In naher Zukunft werden auch Batterien auf Lithium(Li)-Basis, NiH- sowie tragbare abge­ schlossene Bleiakkumulatoren verfügbar sein. All diese Batte­ rietypen können mit der Erfindung verwendet werden. Die einzige spezielle Änderung bei Einsatz dieser Batterietypen ist die Einbeziehung eines Identifizierungsschemas in jede Batteriean­ ordnung. Bei Kopplung mit einem tragbaren Computer, der mit dem erfindungsgemäßen System ausgestattet ist, liest der Mikropro­ zessor 15 den Wert des Identifizierungsschemas unter Verwendung bekannter Schaltungsanalysentechniken. Der Wert des Schemas zeigt den Batterietyp an und ermöglicht es dem Mikroprozessor, das Laden von Daten aus RAM 21 sowie anderer relevanter Infor­ mationen aufzurufen, die in der Batterieanordnung gespeichert sind. Wie oben gesagt, wird im Rahmen der vorliegenden Be­ schreibung nur auf NiH-Batterien im einzelnen eingegangen.

Vorstehend wurden die physikalischen Komponenten der vor­ liegenden Erfindung beschrieben. Was folgt ist eine Beschrei­ bung der Betriebsweise des erfindungsgemäßen Systems mit einer typischen Batterieanordnung.

Die bei Anschaltung einer NiH-Batterie-Anordnung an das er­ findungsgemäße System durchgeführten Aktionen sind in Fig. 7 dargestellt. Start 505 geht von einer korrekten Installation der NiH-Batterie-Anordnung und dem Vorhandensein einer Wechsel­ stromquelle als Betriebsstromquelle aus. Die Unterbrechung der Wechselstromversorgung beendet automatisch alle Ladeoperatio­ nen. Temperatursensor 45 bestimmt bei dem erfindungsgemäßen Sy­ stem die Umgebungstemperatur. Wenn diese Temperatur nicht zwischen 0 und 45°C liegt, was im Schritt 510 festgestellt wird, beginnt keine Aufladung. Der Temperaturtest wird fortlaufend wiederholt, bis die Umgebungstemperatur innerhalb des vorgege­ benen Bereichs liegt. Ist die Temperatur innerhalb des vorgege­ benen Bereichs, so wird die Laderate auf 50 mA eingestellt, und die Aufladung beginnt im Schritt 515. Schritt 520 zeigt an, daß die Aufladung bei der 50-mA-Rate für 2 bis 3 Minuten fortge­ setzt wird. Nach diesem kurzen Ladeintervall wird der Ladevor­ gang angehalten, und die Spannung der Batterieanordnng wird im Schritt 525 getestet. Wenn die Spannung nicht wenigstens 1 V pro Batteriezelle oder 10 V pro Batterieanordnung bzw. -gruppe beträgt, werden die Schritte 515 und 520 wiederholt. Ein Zäh­ ler, der die Zahl der Wiederholungen dieses Testes verfolgt, wird auch eingestellt (nicht dargestellt). Wenn Schritte 515 und 520 viermal wiederholt worden sind, und die Spannung immer noch nicht 1 V übersteigt, wird der Aufladevorgang unterbrochen und eine "tote Batterie"-Anzeige an die CPU 40 gesendet, welche die entsprechende Nachricht an den Computerbenutzer gibt. Die­ ser Testvorgang ist mit dem Schritt 525 dargestellt.

Wenn die Spannung der Batteriegruppe gleich oder größer 10 V ist, so wird die Laderate auf 500 mA im Schritt 530 rückge­ setzt. Während der Zeit, in der die Aufladung mit der 500 mA- Rate fortgesetzt wird, werden einige Tests auf kontinuierlicher Basis durchgeführt. Der erste Test im Schritt 535 stellt fest, ob die Temperatur der Batterieanordnung um mehr 15°C angestie­ gen ist. Ist dies der Fall, so wird die Laderate im Schritt 550 auf einen Kleinladungspegel zurückgesetzt. Dieser Kleinladungs­ pegel ist bei einer NiH-Batterieanordnung 50 mA.

Im Schritt 540 wird bestimmt, ob die Spannungskurve der Batterieanordnung flach ist. NiH-Batterien haben eine spezielle Ladecharakteristik, welche zu einem Spannungsabfall führt, wenn der Ladeprozeß zu lange fortgesetzt wird. Wenn sich daher im Schritt 540 ergibt, daß die Spannungskurve flach ist, so ist Schritt 550 erreicht, und die Laderate wird auf den geeigneten Pegel reduziert.

Ein anderer Test, der durch den Schritt 545 dargestellt ist, stellt fest, ob der Ladevorgang über mehr als 2,4 Stunden dauert. Ist dies der Fall gewesen, so wird erneut Schritt 550 erreicht, und die Laderate wird reduziert.

Eine letzte Sicherheitsprüfung wird im Schritt 550 durchge­ führt. Wenn die Batterietemperatur während des Ladevorgangs 60°C oder mehr erreicht hat, so wird der gesamte Ladevorgang unterbrochen und kein weiterer Versuch unternommen, die Batte­ rieanordnung zu laden oder zu benutzen. Eine derart hohe Tempe­ ratur würde anzeigen, daß die Batterieanordnung und/oder die Ladeschaltung vollständig defekt ist. In jedem Falle wäre die Weiterverwendung der Batterieanordnung für den Computer und möglicherweise sogar für den Benutzer gefährlich. Diese Opera­ tionsunterbrechung ist durch den Schritt 560 dargestellt.

Die Tests 535, 540, 545 und 555 werden wiederholt, bis der Aufladevorgang abgeschlossen ist. Zu beachten ist, daß während des gesamten Aufladevorgangs, einschließlich der anfänglichen Langsamen Aufladung sowie während der hohen Aufladerate und der Schwachaufladung die CPU die gesamte der Batterie zugeführte Ladungsmenge erfaßt und auf zeichnet. Zu beachten ist, daß einer oder mehrere Tests und Laderaten ohne weiteres in Anpassung an verschiedene Batterietypen geändert werden können, und zwar einfach durch Änderung der im RAM 21 gespeicherten speziellen Ladeparameter.

Das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 8 stellt die Betriebsweise des erf indungsgemäßen Systems ab dem Moment der Stromeinschal­ tung am tragbaren Computer dar. Dieser Moment des Einschaltens oder Bootens ist dargestellt durch Schritt 600. Im Schritt 603 wird eine Coulomb-Zähler-Testvariable auf falsch gesetzt, und zwar unter der Annahme, daß der Computer die Batterieanordnung als Betriebsspannungsquelle benutzt. Außerdem wird ein Testmar­ kierungszeichen, im folgenden Testflag genannt, welches die Vollaufladung der Batterie anzeigt, aus gewissen Gründen auf falsch gestellt (Schritt 605). Im Schritt 607 wird die Ausfüh­ rung eines anderen Computercodes, der für die vorliegende Er­ findung nicht relevant ist, gegeben. Da dieser Code eine be­ grenzte Größe hat, kehrt die Steuerung eventuell zur Ausführung des in Fig. 6 dargestellten Programms zurück. Die zahlreichen Bedingungen, welche zu einer Rückkehr auf dieses Programm füh­ ren, sind für diese Beschreibung nicht relevant. Bei Rückkehr von der Ausführung eines anderen Code wird eine Prüfung durch­ geführt, um festzustellen, ob der Batterieauflader eingeschal­ tet ist (Schritt 610). Ist dies der Fall und steht das die Bat­ terie-Vollaufladung anzeigende Flag auf richtig (Schritt 660), so wird der andere Code ausgeführt, wie in Schritt 607 darge­ stellt ist.

Wenn das Ladegerät angeschlossen, jedoch das Batterie-Lade­ flag falsch ist, so wird die Coulomb-Zähltestvariable auf falsch gesetzt, was dem Mikroprozessor 15 anzeigt, daß die zu­ vor gespeicherte Zählung nicht länger verwendet werden kann (Schritt 663). Als nächstes beginnen die Ladeoperationen, wie zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben worden ist (Schritt 670). Sobald die Batterie voll aufgeladen ist, wird das Batterie-Ladeflag auf richtig rückgesetzt (Schritt 680), und der andere Code wird ausgeführt (Schritt 607). Wenn der Test im Schritt 675 anzeigt, daß die Batterie nicht voll auf­ geladen ist, so wird die Operation im Schritt 607 fortgesetzt, wo der andere Code ausgeführt wird, bis die Batterie-Ladesoft­ ware erneut berücksichtigt wird.

Wenn der Test im Schritt 610 anzeigt, daß das Ladegerät nicht angeschlossen ist, so prüft das System erneut, ob die Batterieanordnung völlig geladen ist oder nicht (Schritt 618). Ist sie voll aufgeladen, so wird die Coulomb-Zähler-Validitäts­ variable auf richtig gesetzt (Schritt 619). Die Batterie-Test­ variable zeigt an, ob die Batterieanordnung voll ist oder nicht; sie wird bei Vollaufladung auf falsch gestellt (Schritt 620), der Coulomb-Zähler wird auf Null gesetzt (Schritt 625), und der Testkondensator des Coulomb-Zählers wird rückgesetzt (Schritt 626). Wenn die Batterieanordnung nicht vollständig ge­ laden war, so wird der Testkondensator ohne Zwischenschritte rückgesetzt (Schritt 626).

Nach dem Rücksetzen des Kondensators im Schritt 626 prüft das System als nächstes, ob die Coulomb-Zähler-Testvariable richtig bzw. wahr ist und ob seit der letzten Durchführung die­ ses Tests eine Sekunde verstrichen ist (Schritt 645). Treffen beide Bedingungen zu, so wird die Kondensatorspannung gelesen und die auf dem Kondensator befindliche Ladung zum Inkrementie­ ren des Coulomb-Zählers benutzt (Schritte 647 und 649). Das Sy­ stem kehrt danach zur Ausführung des anderen Codes entsprechend Schritt 607 zurück. Alternativ erfolgt eine Rückkehr zu anderen Systemprogrammen im Schritt 607, wenn die im Schritt 645 ange­ gebenen Testkonditionen nicht beide zutreffen.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand­ lungen möglich. So kann beispielsweise die Batterieanordnung zumindest in zukünftigen Ausführungsformen einen kleinen stati­ schen Speicher enthalten, der die Batterieart, deren optimale Laderate über einen Temperaturbereich und deren frühere Auf­ und Entladezyklen angibt. Bei Einsatz der Batterieanordnung in einen Computer, der mit dem erfindungsgemäßen System ausgestat­ tet ist, würden diese Daten aus dem der Batterieanordnung zuge­ ordneten Speicher gelesen und dann vom Mikroprozessor zur An­ passung des Aufladungsmusters für die individuelle Batteriean­ ordnung verwendet. Eine andere Ergänzungsmöglichkeit zu dem be­ schriebenen System besteht in der Einbeziehung eines Tests, der die Batterie vollständig auflädt und danach vollständig ent­ lädt, wodurch die gesamte Ladungsmenge bestimmt werden kann, welche die Batterieanordnung in dem speziellen Computer zu Lie­ fern vermag. Diese gesamte Speicherkapazität wäre dann mit der laufend aktualisierten Gesamtmenge gemäß Coulomb-Zähler zu ver­ gleichen, um festzustellen, wann eine niedrige Leistungsanzeige generiert werden sollte. Dies würde es dem System ermöglichen, individuelle Schwankungen in der Batteriekapazität zu berück­ sichtigen.

Claims (13)

1. Energiemanagementsystem für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät, gekennzeichnet durch
eine Energieversorgungseinrichtung (20), die mit einer Bat­ terieanordnung (30) und einer Wechselstromversorgung (25) kop­ pelbar und zur Aufladung der Batterie vorgesehen ist;
eine mit der Energieversorgungseinrichtung (20) und dem elektronischen Gerät (40) gekoppelte Steuereinrichtung (15), die Speichermittel (21) zum Speichern von Ladeinformationen für eine Vielzahl von Batterietypen aufweist, Batterietypdaten von der Batterie über die Energieversorgungseinrichtung (20) auf­ nimmt und Ladeinformationen in Abhängigkeit von den Batterie­ typdaten an die Energieversorgungseinrichtung sendet; und
eine Ladungsmeßeinrichtung (35), die mit der Batterie (30), der Energieversorgungseinrichtung (20) und dem elektronischen Gerät (40) gekoppelt ist und die während des Entladebetriebs dem elektronischen Gerät zugeführte Gesamtladung mißt, wobei das Meßergebnis der Steuereinrichtung (15) zugeführt wird, die in Abhängigkeit davon eine Schwachladungswarnung an das elek­ tronische Gerät (40) gibt.

2. Energiemanagementsystem für einen Computer, der mit ei­ ner von mehreren verschiedenen Batterieanordnungen mit Strom versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Energieladeeinrichtung (20) mit der Batterieanord­ nung (30) und einer Wechselstromversorgung (25) zum Aufladen der Batterieanordnung koppelbar ist;
daß eine Steuereinrichtung (15) mit der Energieladeeinrich­ tung (20) und dem Computer (40) gekoppelt und mit einem Spei­ cher (21) zur Speicherung von Batterietyp- und Ladegeschwindig­ keits- bzw. Laderateninformationen versehen ist, Batterietypin­ formationen von der Batterieanordnung über die Energieladeein­ richtung erhält und Laderateninformationen an die Energielade­ einrichtung liefert; und
daß eine Ladungsmeßeinrichtung (35) mit der Batterieanord­ nung (30), dem Computer (40), der Energieladeeinrichtung (20) und der Steuereinrichtung (15) gekoppelt ist und die in den Computer (40; 100) geflossene Ladungsmenge mißt, wobei die Ent­ ladeinformation an die Steuereinrichtung (15) zur Erzeugung ei­ ner Energieabfallwarnung geliefert wird, wenn die Entlademenge eine vorgegebene Grenze erreicht.

3. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) die Spannung und Temperatur der Batterieanordnung (30) während jedes Ladevor­ gangs periodisch mißt und und ein Batterie-Defekt-Signal an den Computer (40) liefert, wenn entweder die Temperatur und/oder die Spannung nicht innerhalb vorgegebener Grenzen liegen.

4. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (21) der Steuerein­ richtung (15) die empfohlenen Ladeinformationen für eine Viel­ zahl von Batterien gespeichert sind und daß die Energieladeein­ richtung (20) den Typ der Batterie bei deren Anschluß fest­ stellt und die Steuereinrichtung die zugehörige Ladeinformation für den von der Energieladeeinrichtung festgestellten Batterie­ typ aufruft.

5. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15) und die Energieversorgungseinrichtung (20) so ausgebildet und ange­ ordnet sind, daß sie jede mit dem System neu gekoppelte Batte­ rie (30) vollständig auf- und entladen, wobei die von jeder Batterie speicherbare Gesamtladungsmenge im Speicher (21) auf­ gezeichnet wird, daß die vom Ladungszähler (35) gemessene, dem elektronischen Gerät (40) zugeführte Gesamtladung mit dem auf­ gezeichneten Wert der Gesamtladung verglichen und eine Schwach­ ladungswarnung abgegeben wird, wenn der gemessene Wert kleiner ist als ein den aufgezeichneten Wert um ein vorgegebenes Maß übersteigender Wert.

6. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsmeßeinrichtung auf­ weist:
ein mit einem Erdspannungspotential (352) und der Batte­ rieanordnung (30) gekoppeltes Sensormittel (351),
mit dem Sensormittel gekoppelte Verstärkermittel (353) zur Verstärkung der Spannungsdifferenz an dem Sensormittel,
mit den Verstärkermitteln (353) gekoppelte Integriermittel (354) zum Integrieren der von den Verstärkermitteln verstärkten Spannungsdifferenz,
mit den Integriermitteln (354) gekoppelte Abtastmittel (15), welche die Integriermittel einmal pro vorgegebener Peri­ ode abtasten und den dabei gewonnenen Wert im Speicher (21) speichern und
ein mit den Integriermitteln und Erdpotential gekoppeltes Entlademittel (356), welches die Integriermittel in jeder vor­ gegebenen Periode einmal entleert, nachdem die Integriermittel von den Abtastmitteln abgetastet worden sind.

7. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieladeeinrichtung mit Mitteln zur Versorgung des elektronischen Geräts bzw. Computers (40) mit einem selbsteinstellenden Ladespannungspegel versehen ist, genannte Mittel aufweisend:
einen ersten Umsetzer (202) zum Umsetzen einer Wechselspan­ nung in eine Gleichspannung,
einen mit dem ersten Umsetzer gekoppelten Oszillator (204) zum Umsetzen der Gleichspannung in eine Rechteckwelle fester Amplitude und variablen Tastverhältnisses,
einen mit dem Oszillator gekoppelten zweiten Umsetzer zum Umsetzen der Rechteckwelle in eine Sinuswelle, deren Amplitude in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Rechteckwelle geän­ dert wird,
einen mit dem zweiten Umsetzer und einer Batterie gekoppel­ ten Gleichrichter (209) zum Umsetzen der Sinuswelle in eine Lade-Gleichspannung und
einen Spannungskomparator (213) mit wenigstens zwei Eingän­ gen, von denen ein erster mit einem Ausgang des Gleichrichters (209) und ein zweiter mit einem Rechteckgenerator (217) gekop­ pelt ist, wobei der Ausgang des Komparators mit dem Oszillator (204) gekoppelt ist und der Komparator das Tastverhältnis des Oszillators vermindert, wenn das Ausgangssignal des Komparators hoch ist, wodurch am Ausgang des zweiten Umsetzers eine nied­ rige Spannung entsteht.

8. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrich­ tung (20) so ausgebildet ist, daß sie einen kontinuierlich va­ riierenden Ladespannungspegel liefert, der absinkt, wenn sich die Batteriespannung einem vorgegebenen maximalen Ladepegel nä­ hert.

9. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieanordnung (30) mit einem zweiten Speicher versehen ist, der von der Steuereinrich­ tung (15) bei Kopplung mit der Batterieanordnung (30) lesbar ist und zumindest den Typ der mit ihm gekoppelten Batteriean­ ordnung, die Anzahl der durchlaufenen Lade- und Entladezyklen und die optimalen Laderaten für die Batterieanordnung über einen vorgegebenen Temperaturbereich speichert.

10. Ladungsmeßschaltung für die Aufladung von Batterien insbesondere zur Verwendung in einem Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorwiderstand (351) zwischen der Batterie (30) und einem Erdspannungspotential (352) angeordnet ist, daß ein eine Span­ nungsdifferenz am Sensorwiderstand erfassender und verstärken­ der Verstärker (353) mit dem Sensorwiderstand gekoppelt ist, daß ein Integrierkondensator (354) mit dem Sensorwiderstand und dem Verstärker gekoppelt ist und den während einer vorgegebenen Zeitperiode vom Verstärker fließenden Strom speichert, daß mit dem Integrierkondensator (354) Abtastmittel (15) zum Abtasten des Integrierkondensators in jeder vorgegebenen Periode und zum Speichern des Werts der Spannung am Kondensator in einem Spei­ chermittel gekoppelt ist und daß mit dem Integrierkondensator (354), den Abtastmitteln (15) und dem Erdspannungspotential ein Entlademittel (356) zum Entladen der am Integrierkondensator akkumulierten Spannung in jeder vorgegebenen Periode gekoppelt ist.

11. Batterieladeschaltung mit selbsteinstellenden Ladespan­ nungspegeln, insbesondere zur Verwendung in dem Energiemanage­ mentsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:
einen ersten Transformator (202) zum Umsetzen einer Wech­ selspannung in eine Gleichspannung,
einen mit dem ersten Transformator gekoppelten Oszillator (204) zum Umsetzen der Gleichspannung in eine Rechteckwelle fe­ ster Amplitude und variablen Tastverhältnisses,
einen mit dem Oszillator gekoppelten zweiten Transformator zum Umsetzen der Rechteckwelle in eine Sinuswelle, deren Ampli­ tude in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Rechteckwelle geändert wird,
einen mit dem zweiten Transformator und einer Batterie ge­ koppelten Gleichrichter (209) zum Umsetzen der Sinuswelle in eine Lade-Gleichspannung und
einen Spannungskomparator (213) mit wenigstens zwei Eingän­ gen, von denen ein erster mit einem Ausgang des Gleichrichters (209) und ein zweiter mit einem Rechteckgenerator (217) gekop­ pelt ist, wobei der Ausgang des Komparators mit dem Oszillator (204) gekoppelt ist und der Komparator das Tastverhältnis des Oszillators vermindert, wenn das Ausgangssignal des Komparators hoch ist, wodurch am Ausgang des zweiten Transformators eine niedrige Spannung entsteht.

12. Verfahren zur Bestimmung der verfügbaren Ladung in ei­ ner Batterieanordnung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Batterieanordnung über einen Ladungszähler mit ei­ ner Ladestromquelle gekoppelt wird,
daß zunächst der in die Batterieanordnung während einer er­ sten Ladeperiode fließende Ladestrom von dem Ladezähler gemes­ sen wird,
daß diese erste Messung in einem Speicher gespeichert wird,
daß in einer zweiten Messung die aus der Batterieanordnung bei Entladung der Batterie entnommene Strommenge durch den La­ dezähler gemessen wird,
daß dieser zweite Meßwert mit dem im Speicher gespeicherten Meßwert verglichen wird und
daß eine Anzeige gegeben wird, wenn der gespeicherte Meß­ wert kleiner als ein den zweiten Meßwert um ein vorgegebenes Maß übersteigender Wert ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieanordnung während der ersten Aufladung voll auf­ geladen und über ein Meßgerät entladen wird und daß der während der Entladung abgeleitete Wert im Speicher gespeichert wird.