DE60130508T2

DE60130508T2 - Energiespeichervorrichtung und Verfahren zur Spannungsmessung an Speicherbatterie

Info

Publication number: DE60130508T2
Application number: DE60130508T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Hitachi-shi Emori; Takuya Hitachi-shi Kinoshita; Hideki Hitachi-shi Miyazaki; Yasuyuki Hitachi-shi Kojima; Noboru Hitachinaka-shi Akiyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2021-02-07
Also published as: JP2004134372A; DE60130508D1; EP1122854A2; JP2001224138A; JP2008197090A; EP1122854B1; US6297618B2; US20010011881A1; CA2333805A1; JP4735647B2; JP4148053B2; EP1860449A2; EP1122854A3; KR20010078347A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Energiespeichervorrichtung des Standes der Technik ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 8-78060(1996) offenbart. Bei dieser Energiespeichervorrichtung sind zwei Speicherbatterieeinheiten in Reihe geschaltet, und eine Spannungsbestimmungsvorrichtung und mehrere in Reihe geschaltete Widerstände sind mit den gegenüberliegenden Enden jeder der Speicherbatterieeinheiten verbunden. Die Spannungsbestimmungsvorrichtung sieht eine Spannung vor, die anzeigt, ob die Spannung der Speicherbatterieeinheit so hoch wie eine vorbestimmte Spannung ist oder nicht. Die in Reihe geschalteten Widerstände teilen die Spannung der Speicherbatterieeinheit, um eine Bezugsspannung bereitzustellen.
Ein Komparator vergleicht die Ausgangsspannung der Spannungsbestimmungsvorrichtung mit der Bezugsspannung, die durch eine Spannungsteilung vom Widerstandstyp festgelegt wird. Wenn eine der Speicherbatterieeinheiten vollständig geladen ist und die Ausgangsspannung der Spannungsbestimmungsvorrichtung höher als die Bezugsspannung ist, geht der Ausgang des Komparators auf NIEDRIG. Dann wird ein mit der Speicherbatterieeinheit in Reihe geschalteter FET abgeschaltet, um das Laden der Speicherbatterieeinheit zu stoppen.
Bei dieser Energiespeichervorrichtung des Standes der Technik sind die Potentialebenen des Ausgangs der Spannungsbestimmungsvorrichtungen im Hinblick auf die Potentialebene des niedrigsten negativen Anschlusses der in Reihe geschalteten Speicherbatterieeinheiten unterschiedlich. Daher müssen die in Reihe geschalteten Widerstände zur Bestimmung der Bezugsspannung für die Speicherbatterieein heiten speziell ausgebildet sein. Deshalb sind Schaltungen derselben Funktion, die mit den Potentialebenen der Speicherbatterieeinheiten übereinstimmen, für die Speicherbatterieeinheiten notwendig.
Da die Widerstandswerte der Widerstände in einem Bereich um einen Nennwiderstandswert herum verstreut sind, unterscheiden sich die Bezugsspannungen, die einen vollständig geladenen Zustand anzeigen, voneinander und ist die Genauigkeit der Bezugsspannungen unbefriedigend. Daher müssen Widerstände mit Widerstandswerten nahe einem gewünschten Widerstandswert selektiv verwendet werden. Solche Widerstände sind allerdings teuer.
Die Stehspannung des Komparators muss gleich der Summe der Spannungen der in Reihe geschalteten Speicherbatterieeinheiten sein. Daher ist, wenn viele Speicherbatterieeinheiten in Reihe geschaltet sind, eine erhöhte Zahl von Schaltungen, die jeweils den Potentialebenen dieser Speicherbatterieeinheiten entsprechen, notwendig, was die Kosten, die Größe und den Energieverbrauch der Energiespeichervorrichtung erhöht, und benötigt die Energiespeichervorrichtung Teile, einschließlich eines Komparators, mit einer hohen Stehspannung. US 0 739 669 betrifft eine Vorrichtung zum Verwalten von mehreren elektrischen Batterieelementen, die in Reihe geschaltet sind, mit mehreren Batterieverwaltungsmodulen, wobei jedes Verwaltungsmodul parallel mit den Anschlüssen eines jeweiligen Batterieelements verbunden ist und durch seine Ausgangsspannung versorgt wird, wobei die Verwaltungsmodule eine Digitalschaltung aufweisen und über mindestens eine digitale Verbindung in Reihe geschaltet sind, um so binäre Informationen zwischen der Digitalschaltung und einer Steuereinheit der Batterie auszutauschen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kondensator an der digitalen Verbindung in Reihe geschaltet ist, so dass die binären Informationen zwischen jedem Verwaltungsmodul und der Steuerein heit unabhängig von den elektrischen Potentialen an den Anschlüssen der Batterieelemente ausgetauscht werden können.
Aus US 4 238 721 ist ein Batterieladesystem bekannt, das imstande ist, die Ladung jeder einzelnen Zelle bei einer ausgewählten Vollladespannung auszugleichen, einschließlich Mitteln zum Regeln des Ladegerätstroms, um zuerst den Strom mit einer konstanten Rate zu erhöhen, bis eine Hauptladeebene erzielt wird oder bis eine Zelle eine sichere Bezugsspannung erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: mehrere in Reihe geschaltete Speicherbatterieeinheiten; mehrere Batteriestromkreise, die Signale von Potentialebenen liefern, die jeweils den Spannungen der Speicherbatterieeinheiten entsprechen; und mehrere Potentialebenen-Änderungsschaltungen zum Ändern der Potentialebenen der Ausgangssignale der Batterieschaltkreise. Die Ausgangssignale der Potentialebenen-Änderungsschaltungen werden an eine Signalverarbeitungsschaltung gegeben. Die Signalverarbeitungsschaltung führt vorbestimmte Verfahren auf der Grundlage von Eingangssignalen aus oder erzeugt ein Steuersignal zum Steuern der Speicherbatterieeinheiten. Das Ausgangssteuersignal der Signalverarbeitungsschaltung ändert Potentialebenen der Potentialebenen-Änderungsschaltungen und wird an die mehreren Batteriestromkreise gegeben. Die Batteriestromkreise steuern die Speicherbatterieeinheiten auf der Grundlage des Eingangssteuersignals, so dass die Spannungen der Speicherbatterieeinheiten zum Beispiel durch Umgehungsschaltungen ausgeglichen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Signalverarbeitungsschaltung imstande, mehrere Spannungsmesssignale durch Potentialebenenumwandlung zu verarbeiten, so dass die Zahl der Einzelteile der Energiespeichervorrichtung reduziert werden kann.
Die Potentialebenen-Änderungsschaltung der Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung, die mit einem isolierenden Koppler ausgestattet ist, der zwischen die Batteriestromkreise und die Signalverarbeitungsschaltung geschaltet ist, oder eine Ebenenverschiebungsschaltung. Die Signalverarbeitungsschaltung der Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Prozessor, wie beispielsweise ein Mikrocomputer, oder ein Regler.
In der Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Messfehler in der Spannung einer Energiespeichereinheit, der durch die Speicherschaltung gemessen und durch die Änderung des Elements verursacht wird, durch die Datenverarbeitungsschaltung korrekturberechnet.
In der Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sehen die Batteriestromkreise Impulssignale vor, die jeweils den Speicherbatterieeinheiten entsprechen. Die Potentialebene jedes Impulssignals wird durch die Potentialebenen-Änderungsschaltung geändert. Die Impulssignale sind digitale Signale oder differenzielle Impulssignale. Die Verwendung der Impulssignale reduziert die Spannungsmessfehler aufgrund einer Potentialebenenänderung. Das Impulssignal ist ein Impulssignal mit einer Pulsbreite, die der Spannung der Speicherbatterieeinheit entspricht, oder einer Impulsfolge, die für eine Zeitdauer, die der Spannung der Speicherbatterieeinheit entspricht, kontinuierlich ist. Die Umwandlung der Spannung der Speicherbatterieeinheit, bei der es sich um einen analogen Wert handelt, in ein Impulssignal verbessert die Genauigkeit der Spannungsmessung. Die Umwandlung der Spannung in das Impulssignal kann durch verschiedene Verfahren erzielt werden, wie beispielsweise ein Verfahren mittels Hardware, wie beispielsweise eine Schaltung, und ein Software verwendendes Verfahren, wie beispielsweise einen Mikrocomputer.
Die Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird an verschiedene Energiespeicherbatterieeinheiten angelegt, die zu einer elektrischen Energiespeicherfunktion imstande sind, wie beispielsweise sekundäre Batterieeinheiten, einschließlich Lithiumbatterieeinheiten und Nickel-Wasserstoff-Batterieeinheiten, und elektrische Doppelschichtkondensatoren, und an eine Vorrichtung, die durch Reihenschaltung von Speicherbatterieeinheiten gebildet wird. Die Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird an verschiedene Speicherbatteriesysteme angelegt, wie beispielsweise ein Speicherbatteriesystem, das durch Reihenschaltung von mehreren Speicherbatteriegruppen gebildet wird, die jeweils durch Schalten von mehreren Speicherbatterieeinheiten in Reihe oder parallel gebildet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
2 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
3 ist ein Blockschaltbild eines dritten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
4 ist. ein Blockschaltbild eines vierten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
5 ist ein Blockschaltbild eines fünften Elements einer Energiespeichervorrichtung;
6 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des fünften Elements;
7 ist ein Blockschaltbild eines sechsten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
8 ist ein Blockschaltbild eines siebten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
9 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des siebten Elements;
10 ist ein Blockschaltbild eines achten Elements einer Energiespeichervorrichtung;
11 ist ein Blockschaltbild eines neunten Elements einer Energiespeichervorrichtung
12 ist eine Draufsicht auf ein zehntes Element einer Energiespeichervorrichtung;
13 ist eine Schnittansicht des in 12 gezeigten zehnten Elements;
14 ist eine Draufsicht auf ein elftes Element einer Energiespeichervorrichtung;
15 ist ein Blockschaltbild einer Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
16 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs zum Verarbeiten von Messdaten;
17 ist ein Schaltbild zur Erläuterung einer Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
18 ist eine typische Ansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, beschrieben.
Die ersten bis elften Elemente einer Energiespeichervorrichtung sind nicht als Ausführungsformen der Erfindung, sondern als Hintergrund für das Verständnis der Erfindung vorgesehen.
In der 1 sind Speicherbatterieeinheiten 101, Batteriestromkreise 102, Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103, eine Hauptschaltung 104, ein Mikrocomputer 105, eine Energieversorgung 106, ein Freigabesignal 107 und eine Strommessschaltung 108 gezeigt. Die vier Speicherbatterieeinheiten 101 sind in Reihe geschaltet bzw. die Batteriestromkreise 102 sind parallel zu den Speicherbatterieeinheiten 101 geschaltet. Die Batteriestromkreise 102 sind über die Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 mit der Hauptschaltung 104 verbunden.
Jeder Batteriestromkreis 102 hat eine Spannungsmessschaltung und eine Umgehungsschaltung, und der Batteriestromkreis 102 misst Spannung zwischen den Anschlüssen der entsprechenden Speicherbatterieeinheit 101. Die Umgehungsschaltung steuert die Spannung der entsprechenden Speicherbatterieeinheit, um Spannungsunterschiede zwischen den Speicherbatterieeinheiten 101 auf den geringstmöglichen Umfang zu reduzieren.
Die Hauptschaltung 104 umfasst den Mikrocomputer 105 und die Energieversorgung 106. Die Ausgabe der Strommessschaltung 108 wird an den Mikrocomputer 105 gegeben.
Der Mikrocomputer 105 berechnet die Leerlauf- bzw. Ruhespannungen der Speicherbatterieeinheiten 101, bestimmt den geladenen Zustand der Speicherbatterieeinheiten 101 und den Spannungsunterschied zwischen den Speicherbatterieeinheiten, zeigt die verbleibende Ladungsmenge an, steuert die Umgehungsschaltungen an und steuert die Energiespeichervorrichtung auf der Grundlage von Spannungen zwischen den Anschlüssen der Speicherbatterieeinheiten 101 und dem Strom, der durch die Speichermessschaltung 108 gemessen wird.
Da die Speicherbatterieeinheiten 101 in Reihe geschaltet sind, hat jeder Batteriestromkreis 102 eine Potentialebene, die sich von der der Hauptschaltung 104 unterscheidet. Die Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 ändern die unterschiedlichen Potentiale der Batteriestromkreise 102 und liefern elektrische Signale.
Die Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 sind isolierende Koppler vom kapazitiven Kopplungstyp. Die Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 können von einem anderen isolierenden Kopp lungstyp, wie beispielsweise einem Transformatorkopplungstyp oder einem Optokopplertyp, sein oder können Ebenenverschiebungsschaltungen sein, die MOS-Transistoren und Spannungsteilerwiderstände umfassen. Obwohl eine Eingabe an die isolierenden Koppler ein Differentialsignalpaar zur Verbesserung der Rauschwiderstandseigenschaften ist, kann diese ein Einzelsignal sein. Die isolierenden Koppler sind Kondensatoren, d. h. kapazitive isolierende Barrieren, die zwischen den Batteriestromkreisen 102 und der Hauptschaltung 104 angeordnet sind.
Ein Freigabesignal 107 wird an jeden isolierenden Koppler angelegt. Die Ausgaben der isolierenden Koppler werden über einen gemeinsamen Punkt an den Mikrocomputer 105 gegeben. Das Freigabesignal 107 steuert den Betrieb der isolierenden Koppler. Die Ausgaben der isolierenden Koppler werden über den gemeinsamen Punkt übertragen, um die Zahl der Eingaben an den Mikrocomputer 105 zu verringern. Wenn die Zahl der isolierenden Koppler gering ist, können die Ausgaben der isolierenden Koppler individuell an den Mikrocomputer 105 gegeben werden.
Daher sind die Batteriestromkreise 102, die jeweils unterschiedliche Potentialebenen haben, und die Hauptschaltung 104 funktional verbunden, um eine Energiespeichervorrichtung einzurichten, die imstande ist, die einzelnen Speicherbatterieeinheiten und die in Reihe geschalteten Speicherbatterieeinheiten zu überwachen und zu verwalten. Da die Schaltungen auf den unterschiedlichen Potentialebenen arbeiten, können die Stehspannungen der Schaltungen jeweils auf Größen gesenkt werden, die groß genug sind, um den Potentialebenen standzuhalten. Da die Hauptschaltung 104 alle Schaltungen beinhaltet, die übliche Funktionen, einschließlich der Bestimmung des geladenen Zustands der Speicherbatterievorrichtungen 101 und der Spannungsunterschiede zwischen den Speicherbatterieeinheiten 101, ausführen, werden die Zahl der Schaltungen, die Zahl der Teile und der Stromverbrauch reduziert, und die Energiespeichervorrichtung kann bei niedrigen Kosten mit geringen Abmessungen ausgebildet werden.
Da Steuersignale und Messwerte, die zwischen den Batteriestromkreisen 102 und der Hauptschaltung 104 ausgetauscht werden, durch die isolierenden Koppler in Impulssignalen von digitalen Werten hindurchgeleitet werden, können die Verschlechterung der Steuergenauigkeit und die Verringerung des Rauschabstands, der die Signalübertragung und die Potentialänderung begleitet, verhindert werden. Obwohl 1 die in Reihe geschalteten vier Speicherbatterieeinheiten 101 zeigt, ist die vorliegende Erfindung natürlich auf eine Energiespeichervorrichtung mit einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten Energiebatterieeinheiten anwendbar.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, besitzt die Energiespeichervorrichtung eine geringe Anzahl von Schaltungen, ist kostengünstig und klein, kann bei einem niedrigen Energieverbrauch und mit einer hohen Steuergenauigkeit betrieben werden, hat eine hohe Rauschwiderstandsfähigkeit und ist äußerst zuverlässig.
In 2 sind eine Auswahlschaltung 121, ein Komparator 122, eine Speichervorrichtung 123, eine korrigierende bzw. Korrekturschaltung 124 und Spannungsmessschaltungen 125 gezeigt.
Jeder der Batteriestromkreise 102 ist mit der Spannungsmessschaltung 125 zum Messen der Spannung zwischen den Anschlüssen einer Speicherbatterieeinheit 101 ausgestattet. Eine Hauptschaltung 104 beinhaltet die Auswahlschaltung 121 und die Korrekturschaltung 124. Die Korrekturschaltung 124 beinhaltet einen Mikrocomputer 105, den Komparator 122 und die Speichervorrichtung 123. Die Auswahlschaltung 121 wählt die Ausgabe jeder Spannungsmessschaltung 125 aus, die an sie durch eine Potentialebenen-Änderungsschaltung 103 gegeben wird, und gibt diese an den Mikrocomputer 105 und den Komparator 122. Der Mikrocomputer 105 liest eine Korrekturbezugsgröße V_ref, d. h. einen richtigen Wert, aus der Speichervorrichtung 123 und gibt diesen an den Komparator 122. Der Komparator 122 vergleicht die Ausgabe der Auswahlschaltung 121 und die Korrekturbezugsgröße V_ref. Das Ausgangssignal des Komparators 122 wird an die Speichervorrichtung 123 gegeben.
Ein Betriebsspannungsbereich wird für die Speicherbatterieeinheiten 101 vorbestimmt. Ein richtiger Wert, der als Korrekturbezugsgröße in der Speichervorrichtung 123 gespeichert ist, liegt außerhalb des Betriebsspannungsbereichs.
Die Speicherbatterieeinheit 101 ist von der Spannungsmessschaltung 125 abgekoppelt, und die Korrekturbezugsgröße V_ref einer Bezugsenergieversorgung wird an den Eingang der Spannungsmessschaltung 125 angelegt. Bei Erhalt der Ausgabe der Auswahlschaltung 121 in diesem Zustand entscheidet der Mikrocomputer 105, dass die Energiespeichervorrichtung sich in einem Korrekturmodus befindet. Der Komparator 122 vergleicht die Spannung, die durch die Spannungsmessschaltung 125 gemessen wird, d. h. die Ausgabe der Auswahlschaltung 121, mit der Korrekturbezugsgröße V_ref und die Differenz zwischen der durch die Spannungsmessschaltung 125 gemessenen Spannung und der Korrekturbezugsgröße V_ref wird als Fehler in der Spannungsmessschaltung 125 in der Speichervorrichtung 125 gespeichert, um den Korrekturmodus abzuschließen.
Dann wird die Speicherbatterieeinheit 101 mit der Spannungsmessschaltung 125 verbunden, um eine Betriebsspannung an die Spannungsmessschaltung 125 anzulegen, und der Mikrocomputer 105 führt ein Korrekturberechnungsverfahren auf der Grundlage des gespeicherten Fehlers und einen Korrekturausdruck aus. So wird der Fehler in der Spannungsmessschaltung 125 korrigiert, um die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die Korrekturbezugsgröße V_ref wird durch Lesen eines Werts erzeugt, der zuvor in der Speichervorrichtung 123 durch den Mikrocomputer 105 gespeichert wird. Eine Bezugsenergieversorgung kann verwendet werden. Obwohl die Korrekturschaltung 124 den Mikrocomputer 105, den Komparator 122 und die Speichervorrichtung 123 umfasst, können der Komparator 122 und die Speichervorrichtung 123 in den Mikrocomputer 105 integriert werden, was dazu führt, dass der Energieverbrauch, die Zahl der Teile und der für die Anordnung der Bauteile notwendige Bereich weiter reduziert werden.
In der 3 ist ein Korrekturschalter 131 gezeigt, der zwischen dem Ausgang eines Komparators 122 und dem Eingang einer Speichervorrichtung 123 angeordnet ist. Der Korrekturschalter 131 wird während einer gewöhnlichen Spannungsmessung geöffnet.
Der Mikrocomputer entscheidet auf der Grundlage der Korrekturbezugsgröße V_ref, die durch die Bezugsenergieversorgung vorgesehen ist, die an die Spannungsmessschaltung 125 angelegt wird, ob die Energiespeichervorrichtung im Korrekturmodus ist oder nicht. In der dritten Ausführungsform ist, wenn der Korrekturschalter 131 geschlossen ist, der Komparator 122 mit der Speichervorrichtung 123 verbunden, so dass es möglich ist, sicher zu entscheiden, dass die Spannungsspeichervorrichtung sich im Korrekturmodus befindet. Daher kann ein Fehler im Korrekturmodus sicher gespeichert werden und die Zuverlässigkeit wird verbessert. Da hier eine gemessene Spannung nach einer Potentialänderung korrigiert wird, können Feh ler, die nach der Korrektur erzeugt werden können, ausgeschaltet werden.
Der Komparator 122 und die Speichervorrichtung 123 können in einen Mikrocomputer 105 integriert werden. In einem solchen Fall wird der Mikrocomputer 105 mit einem Korrekturschalter 131 oder einem Signaleingang anstelle des Korrekturschalters 131 versehen. So können der Energieverbrauch, die Anzahl der Teile und der für die Anordnung der Teile notwendige Bereich reduziert werden.
In der 4 sind eine korrigierende Einheit 141, eine Auswahlschaltung 142 und eine Spannungsmessbezugsschaltung 143 gezeigt.
Die korrigierende Einheit 141 ist mit der Auswahlschaltung 142, der Spannungsmessbezugsschaltung 143 und einem Komparator 122 ausgestattet. Die Eingangsanschlüsse der Auswahlschaltung 142 sind mit den Anschlüssen der Speicherbatterieeinheiten 101 verbunden. Die Ausgabe der Auswahlschaltung 142 wird über die Spannungsmessbezugsschaltung 143 an den Komparator 122 gegeben. Die Spannungsmessbezugsschaltung 143 ist eine Spannungsmessschaltung, die zuvor kalibriert wurde oder eine garantierte Genauigkeit und ein präzises redundantes System aufweist.
In einem Korrekturmodus vergleicht der Komparator 122 die Ausgabe einer ausgewählten Spannungsmessschaltung 125 mit der Bezugsausgabe der Spannungsmessbezugsschaltung 143 und ein so erhaltener Fehler in der Spannungsmessschaltung 125 wird in einer Speichervorrichtung 123 gespeichert.
Anschließend verarbeitet der Mikrocomputer 105 Messwerte, die durch die Spannungsmessschaltungen 125 gemessen werden, um die Korrekturen unter Verwendung der gespeicherten Fehler und eines Korrekturausdrucks zu berechnen. So werden Fehler in den Spannungsmessschaltungen 125 korrigiert, und die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit werden verbessert.
Die Energiespeichervorrichtung kann mit Spannungsmessbezugsschaltungen 143 für alle Speicherbatterieeinheiten 101 ausgestattet sein. Allerdings ist es, da die Spannungsmessbezugsschaltungen 143 vergleichsweise teuer sind und das Vorsehen der Spannungsmessbezugsschaltungen 143 für alle Speicherbatterieeinheiten 101 die Zahl der Teile erhöht, bevorzugt, die Energiespeichervorrichtung mit der einzelnen Spannungsmessbezugsschaltung 143 in Kombination mit der Auswahlschaltung 142 für alle Speicherbatterieeinheiten 101 zu versehen, wie in der 4 gezeigt. Der Komparator 122 kann in der korrigierenden Einheit 141 enthalten sein. Die korrigierende Einheit 141 kann von der Energiespeichervorrichtung abgekoppelt sein, während sich die Energiespeichervorrichtung in einem anderen Modus als dem Korrekturmodus befindet.
Es werden isolierende Koppler vorgesehen, die Differential-Übergangssignale anstatt der Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103, die in den 1 bis 4 gezeigt sind, übertragen. In der 5 sind eine Differential-Verstärkerschaltung 201, eine isolierende Barriere 202, ein Lastwiderstand 203, eine Übergangserfassungsschaltung 204 und eine impulsregenerierende Schaltung 205 gezeigt.
Die erste Stufe der Differentialverstärkerschaltung 201 ist ein CMOS-Differentialverstärker. Die Differentialverstärkerschaltung 201 vergleicht eine Bezugsspannung V_ref und ein Eingangsimpulssignal Pls_in und stellt ein komplementäres Signal Pls_10 zur Verfügung, das die Ergebnisse des Vergleichs anzeigt. Die zweite Stufe (Ansteuerstufe) der Differentialverstärkerschaltung 201 ist ein CMOS-Inverter. Der CMOS-Inverter stellt ein komplementäres Impulssignalpaar (Ausgabe der Differentialverstärkerschaltung) Pls_1 mit einer Amplitude bereit, die ungefähr gleich einer Versorgungsspannung ist.
Die isolierende Barriere 202 ist eine kapazitive isolierende Barriere mit einer Durchschlagsfestigkeit zwischen der primären und der sekundären Seite. Dioden sind in Umkehrverbindung zwischen die jeweiligen Anschlüsse der primären und der sekundären Seite und einer Hochpotentialenergieversorgung (VDD1 oder VDD2) und einer Niederpotentialenergieversorgung (VSS1 oder VSS2) angeschlossen, um aufgrund eines Rauschens oder dergleichen Stöße zu absorbieren.
Der Lastwiderstand 203 ist eine Differentialeinrichtung zum Abgeben einer Ausgabe einer Differentialwellenform vom Anschluss der primären Seite an denjenigen der sekundären Seite durch kapazitive Kopplung. Der Lastwiderstand 203 ist so angeordnet, dass er zwischen der Hochpotentialenergieversorgung VDD2 und dem Anschluss der sekundären Seite einen Kurzschluss verursacht. Normalerweise ist der Anschluss der sekundären Seite am Potential der Hochpotentialenergieversorgung VDD2 angebracht. Wenn der Anschluss der primären Seite von HOCH auf NIEDRIG geht, wird ein Signal einer Differenzwellenform, das auf der NIEDRIG-Seite eine Spitze zeigt, erzeugt.
Die Übergangserfassungsschaltung 204 empfängt ein Differentialsignal Pls_3, erfasst die Anstiegsflanke und die Abfallflanke eines Eingangsimpulssignals Pls_in und erzeugt ein Einzelimpulssignal Pls_4. Die Eingangsstufe der Übergangserfassungsschaltung 204 ist ein Paar von CMOS-Differentialverstärkern, die das differentielle Signalpaar Pls_3 in Umkehrverbindung empfängt. Das Paar von CMOS-Differentialverstärkern stellt Eintaktsignale zur Verfügung. Da Eingangssignale an die CMOS-Differentialverstärker konstant auf derselben Ebene liegen, ist die Last ein PMOS-Stromspiegel.
Nur wenn ein Potentialunterschied zwischen dem Paar von Differentialsignalen Pls_3 erzeugt wird (nur wenn das Eingangsimpulssignal Pls_in sich geändert hat), sieht der CMOS-Differentialverstärker einen Differentialausgang (jeder CMOS-Differentialverstärker sieht einen Eintaktausgang vor) Pls_40 vor, der der Potentialdifferenz entspricht. In einem stationären Zustand sind die jeweiligen Ebenen der Ausgänge Pls_40 des Paars von CMOS-Differentialverstärkern dieselben. Daher ist die PMOS-Eingangsebenen-Änderungsschaltung so aufgebaut, dass die PMOS-Eingangsebenen-Änderungsschaltung kein Ausgangssignal einer Zwischenebene (einer Ebene in der Nähe der logischen Schwelle des nächsten Gates) vorsieht, wenn Eingangssignale derselben Ebene daran angelegt werden.
Zum Beispiel empfängt eine impulsregenerierende (demodulierende) Schaltung 205 der nächsten Stufe, die einen Flip-Flop einschließt, Signale von einem CMOS-NAND-Gate, wobei die Gatebreite des MOS-Gates der Ebenenänderungsschaltung so entworfen ist, dass der Ausgang der impulsregenerierenden Schaltung 205 auf HOCH geht, wenn die Ebenen der Pls_40 dieselben sind. Daher sind in der Ebenenänderungsschaltung, die Pls_40 in Pls_4, der in 5 gezeigt ist, ändert, das Verhältnis zwischen der PMOS-Gatebreite und der NMOS-Gatebreite auf der Eingangsseite und das Verhältnis zwischen der PMOS-Gatebreite und der NMOS-Gatebreite auf der Ausgangsseite voneinander verschieden. In einem stationären Zustand sind beide Ausgänge der Übergangserfassungsschaltung 204 HOCH, und ein Einzelimpuls mit NIEDRIG wird auf der einen Seite erzeugt, wenn das Eingangsimpulssignal Pls_in ansteigt, und auf der anderen Seite erzeugt, wenn das Eingangsimpulssignal Pls_in gemäß der Änderung des Eingangsimpulssignals Pls_in abfällt.
Die impulsregenerierende Schaltung 205 ist ein Flip-Flop, der das Eingangsimpulssignal Pls_in regeneriert und einen Ausgangsimpuls Pls_out auf der sekundären Seite vorsieht, wenn das Ausgangssignal Pls_4 der Übergangserfassungsschaltung 204 daran angelegt wird. Die impulsregenerierende Schaltung 205 wird aus einem Flip-Flop, der zwei CMOS-NAND-Gates beinhaltet, und einem CMOS-Invertertreiber gebildet. Bei Bedarf kann die impulsregenerierende Schaltung 205 mit einer Rückstelleinrichtung zum Rückstellen des Flip-Flops versehen sein.
Im isolierenden Koppler ist der sekundäre Anschluss durch den Lastwiderstand 203 mit der Hochpotentialenergieversorgung VDD2 kurzgeschaltet. Daher ist der ansteigende Betrieb der primären Seite wichtig. Wenn also die logische Schwelle V_LT niedriger als (VDD – VSS)/2 ist, wird die Abfallzeit reduziert und der CMOS-Inverter der Ausgangsstufe der Differentialverstärkerschaltung 201 ist imstande, die Zeitablaufänderung zu unterdrücken.
Die Schaltungen auf den gegenüberliegenden Seiten der isolierenden Barriere 202 sind Differentialschaltungen. Daher wird die Eigenschaft, einem Gleichtaktrauschen zu widerstehen, verbessert und das S/N-Verhältnis steigt. Die Übergangserfassungsschaltung 204, die mit dem Ausgang der isolierenden Barriere 202 verbunden ist, besteht aus einem Paar Differentialverstärkern. Daher kann ein Verstärker mit ausgezeichneter CMRR (Gleichtaktunterdrückungsrate) gebildet werden. Da die isolierende Kopplungsschaltung aus einfachen CMOS-Gates gebildet wird, ist die Energiespeichervorrichtung imstande, mit niedrigen Spannungen von 5 V oder weniger umzugehen (bis zu einer niedrigen Spannung in der Größenordnung von 1,8 V), so dass der Energieverbrauch gering ist.
Die 6 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in 5 gezeigten Schaltung. Bei Empfang des Eingangsimpulssignals Pls_in sieht die Differentialverstärkerschaltung 201 das Differentialsignal Pls_1 vor. Der Lastwiderstand 203, der durch kapazitive Kopplung mit der primären Seite der isolierenden Barriere 202 gekoppelt ist, sieht das Differentialsignal Pls_3 vor. Das Ausgangssignal Pls_4, d. h. das Übergangserfassungssignal Pls_4, der Übergangserfassungsschaltung 204 ist ein rechteckiges Impulssignal, das mit dem Differentialsignal Pls_3 synchron ist. Die impulsregenerierende Schaltung 205, d. h. die letzte Endstufe, sieht das regenerierende Impulssignal Pls_out vor, das mit dem Eingangssignal Pls_in identisch ist. Das regenerierte Impulssignal Pls_out ist ein rechteckiges Impulssignal, das zum Übergangserfassungssignal Pls_4 komplementär und damit synchron ist. Daher sieht der isolierende Differentialkoppler das Übergangssignal einer Differentialwellenform vor, die den Energieverbrauch des isolierenden Kopplers reduziert.
In 7 sind aktive Filter 401 und Spannungsmessschaltungen 402 gezeigt. Die Energiespeichervorrichtung ist dieselbe wie diejenige, die vorstehend beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass jeder der Batteriestromkreise 102 das aktive Filter 401 beinhaltet. Jedes aktive Filter 401 schließt OP-Verstärker, Widerstände und einen Kondensator ein. Jedes aktive Filter 401 ist zwischen der Spannungsmessschaltung 402 und einer Speicherbatterieeinheit 101 angeordnet.
Das aktive Filter 401 schaltet Rauschkomponenten aus, die zwischen den Anschlüssen der Speicherbatterieeinheiten 101 zwischengelagert sind, und gibt die Gleichspannungskomponenten der Speicherbatterieeinheit 101 an die Spannungsmessschaltung 402 ab. Daher kann die fehlerhafte Spannungsmessung der Spannungsmessschaltung 402 aufgrund des Einflusses der Rauschkomponenten verhindert werden, und die Genauigkeit und Messung der Spannungsmessung werden verbessert.
In 8 sind Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501, Ladeschalter 502, Kondensatoren 503, Entladeschalter 504, Entscheider 505, eine Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 und Ladeund-Entladewiderstände 507 gezeigt.
Die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 ist in einem Batteriestromkreis 102 beinhaltet und umfasst den Ladeschalter 502, den Entladeschalter 504, der mit dem Ladeschalter 502 in Reihe geschaltet ist, den Kondensator 503, der durch den Lade-und-Entladewiderstand 507 parallel zum Entladeschalter 504 geschaltet ist, und den Entscheider 505 mit einem Eingang, der mit dem gemeinsamen Knotenpunkt des Lade-und-Entlade-Widerstands 507 und des Kondensators 503 verbunden ist. Die Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 weist einen Komparator auf. Ein isolierender Koppler 103, der die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501 und die Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 verbindet, ist vom Eintakttyp, weist isolierende Barrieren 202 mit miteinander verbundenen sekundären Seiten auf, und der Knotenpunkt der sekundären Seiten der isolierenden Barrieren 202 ist mit einem Lastwiderstand 203, einer Übergangserfassungsschaltung 204 und einer impulsregenerierenden Schaltung 205 verbunden.
Der Betrieb der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 wird beschrieben. Der Ladeschalter 502 ist geschlossen und der Entladeschalter 504 wird geöffnet, um den Kondensator 503 auf eine Spannung zu laden, die gleich der Anschlussspannung V_B der Speicherbatterieeinheit 101 ist. Dann wird der Ladeschalter 502 geöffnet und der Entladeschalter 504 wird geschlossen, um den Kondensator 503 zu entladen. Der Ausgang des Entscheiders 505 wird beim Span nungsabfall des Kondensators 503 auf eine Schwellenspannung V_TH umgekehrt (die Gateschwellenspannung eines MOSFET, der in dieser Ausführungsform im Entscheider 505 beinhaltet ist).
Die Schwellenspannung V_TH und die Entladezeit t werden ausgedrückt durch: VTH = Vc·exp(–t/CR) (1) t = C·R·1n(Vc/VTH) (2)worin t für die Entladezeit des Kondensators 503 steht, V_c (= V_B) für die Spannung des Kondensators 503 steht, C für die Kapazität des Kondensators 503 steht und R für den Widerstandswert des Lade-und-Entlade-Widerstands 507 steht.
Die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 wandelt die Spannung V_B (= V_c) der Speicherbatterieeinheit 101 in die Entladezeit t um, d. h. die Pulsbreite oder die Impulsperiodendauer der Ausgabe des Entscheiders 505. Die Ladezeit wird ähnlich der Entladezeit t in die Pulsbreite oder das Impulsintervall umgewandelt. Wie aus dem Ausdruck (2) ersichtlich ist, hängt die Umwandlungsgenauigkeit der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 von C, R und V_TH ab. Daher werden Vorrichtungen mit Merkmalen, die sich in engen Grenzen unterscheiden, als Kondensator 503, Entladeschalter 504, Lade-und-Entlade-Widerstand 507 und Entscheider 505 verwendet. Insbesondere ist es bevorzugt, einen Bipolartransistor mit Merkmalen, die in einem engen Bereich variieren, oder einen Präzisionskomparator für den Entscheider 505 zu verwenden. Ein Bipolartransistor hat ein integriertes Potential, das bei variabler Temperatur stabil ist und das bevorzugt die Änderung der Schwellenspannung V_TH reduziert. Im Allgemeinen variieren die Kapazität C und der Widerstand R mit der Temperatur. Daher wird, falls notwendig, ein mit dem Ausdruck (2) berechneter Wert für die Temperaturkorrektur korrigiert.
Die Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 vergleicht den Ausgang der impulsregenerierenden Schaltung 205 mit einem Taktsignal (CLK-Signal) durch den Komparator und erzeugt eine Impulsfolge in einer Zeitdauer, wenn der Ausgang der impulsregenerierenden Schaltung 205 HOCH ist. Der Mikrocomputer 105 zählt die Impulszahl der Impulsfolge und wandelt den Ausgang der impulsregenerierenden Schaltung 205 in eine Spannung um, die der Anzahl der Impulse entspricht. Wenn die Spannung der Kondensators 503 5 V beträgt, wird der Kondensator 503 1 ms lang entladen und die Frequenz des CLK-Signals beträgt 16 MHz. Dann 1 ms/(1/16 MHz) = 16.000 Impulse (3)und daher 5 V/16000 = 0,33 mV (4)
Daher ist es möglich, eine Spannungsmessung mit hoher Messgenauigkeit zu erzielen.
Ein Mikrocomputer mit einer Input-Capture-Funktion kann anstatt des Komparators der Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 verwendet werden.
Die sekundären Seiten der isolierenden Barrieren 202 des isolierenden Kopplers sind miteinander verbunden und der Knotenpunkt der sekundären Seiten der isolierenden Barrieren 202 ist mit dem Lastwiderstand 203, der Übergangserfassungsschaltung 20 und der impulsregenerierenden Schaltung 205 verbunden. Daher arbeiten die Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501, die jeweils mit den Speicherbatterieeinheiten 101 verbunden sind, sequentiell.
Der Mikrocomputer 105 misst die Spannungen der Speicherbatterieeinheiten 101. Wenn die Spannungen der Speicherbatterieeinheiten 101 sich voneinander unterscheiden, schließt der Mikrocomputer 105 den Ladeschalter 502 und den Entladeschalter 504 der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501, die mit der Speicherbatterieeinheit 101 einer Spannung verbunden ist, die höher als diejenige der anderen Speicherbatterieeinheit 101 ist, gleichzeitig. Demgemäß wird die Umgehung oder Selbstentladung des Ladestroms durch die Reihenschaltung des Ladeschalters 502 und Entladeschalters 504 ausgeführt, um den Spannungsunterschied auszuschalten.
Der Lade-und-Entlade-Widerstand 507, der nicht in der Reihenschaltung des Ladeschalters 502 und Entladeschalters 504 beinhaltet ist, ist zwischen dem Entladeschalter 504 und dem Kondensator 503 angeordnet, um die Entladezeit einzustellen. Daher kann die Entladezeit angepasst werden, indem der Widerstandswert des Lade-und-Entlade-Widerstands 507 derart richtig bestimmt wird, dass die Spannung mit zufrieden stellender Genauigkeit gemessen werden kann, selbst wenn die Widerstandswerte der Schalter zur Erhöhung der Umgehungsschaltung reduziert werden. Daher werden die Spannungsmessschaltung und der Umgehungsstrom für beide in Reihe geschalteten Speicherbatterieeinheiten 101 verwendet, um sowohl eine Spannungsmessung als auch eine Spannungsdifferenzausschaltung zu erzielen.
9 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Energiespeichervorrichtung, die in 8 gezeigt ist. Der Kondensator 503 wird bis zu einer Spannung geladen, die gleich derjenigen der Speicherbatterieeinheit 101 ist, und zwar in einem Zeitraum, in dem der Ladeschalter 502 geschlossen ist (HOCH). Wenn der Ladeschalter 502 geöffnet wird (LOW) und der Entladeschalter 504 geschlossen ist, nimmt die Spannung des Kondensators 503 exponentiell ab. Mit Abnahme der Spannung des Kondensators 503 unter eine vorbestimmte Spannung geht der Ausgang des Entscheiders 505 (Übergangserfassungsschaltung 205) auf NIEDRIG. Der Komparator vergleicht den Ausgang der Übergangserfassungsschaltung 205 mit einem Taktsignal CLK und erzeugt eine Impulsfolge, bis der Ausgang des Entscheiders 505 (Übergangserfassungsschaltung 205) auf NIEDRIG geht.
Der Mikrocomputer 105 zählt die Zahl der Impulse der Impulsfolge, während der Entladeschalter 504 geschlossen ist, und wandelt die Zahl der Impulse in eine entsprechende Spannung um. Wenn die Zahl der Impulse der Impulsfolge unter einer vorbestimmten Zahl liegt, wird entschieden, dass die Speicherbatterieeinheit 101 überentladen ist oder dass der Ladeschalter 502 nicht funktioniert. Wenn die Zahl der Impulse der Impulsfolge eine vorbestimmte Zahl oder mehr ist, wird entschieden, dass die Speicherbatterieeinheit 101 überentladen ist oder dass der Entladeschalter 504 nicht funktioniert. Wenn keinerlei Impulsfolge erzeugt wird, während der Ladeschalter 502 geschlossen ist, wird entschieden, dass die Speicherbatterieeinheit 101 überentladen ist, dass die Speicherbatterieeinheit 101 kurzgeschaltet ist oder der Ladeschalter 502 eine Fehlfunktion hat.
Wenn der Ladeschalter 502 und der Entladeschalter 504 der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 als Umgehungsschaltung verwendet werden, kann der Zustand einer Korrekturschaltung, d. h. ob eine Korrekturschaltung normalerweise arbeitet, durch die Entscheidung verifiziert werden, ob eine Impulsfolge erzeugt wird.
Daher gibt es Fähigkeiten, um den Zustand der Speicherbatterieeinheit 101 festzustellen, wie beispielsweise einen überladenen Zustand, einen überentladenen Zustand oder einen kurzgeschalteten Zustand, und um den Betrieb der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 zu verifizieren, die auch als Umgehungsschaltung dient, und zwar zusätzlich zu den Fähigkeiten, die Spannungs- und Potentialdifferenzausschaltung zu messen. Da die Umgehungsschaltung den Ladeschalter 502 und den Entladeschalter 504 aufweist, die in Reihe geschaltet sind, kann die Umgehungsschaltung sicher durch einen der Schalter 502 und 504 abgeschaltet werden, selbst wenn der andere Schalter kurzgeschaltet wird.
In 10 sind eine Ausgleichsbezugsschaltung 701, ein Schalter 702 und eine Bezugsenergieversorgung 703, wie beispielsweise eine Zener-Diode, gezeigt. Die Ausgleichsbezugsschaltung 701 weist den Schalter 702 und die Bezugsenergieversorgung 703 auf.
Falls notwendig, werden ein Ladeschalter 502 und der Schalter 702 geschlossen, um einen Kondensator 503 bis zu einer Spannung zu laden, die gleich derjenigen der Bezugsenergieversorgung 703 ist. Dann werden der Ladeschalter 502 und der Schalter 702 geöffnet, und ein Entladeschalter 504 wird geschlossen, um den Kondensator 503 zu entladen.
Da die Bezugsspannung V_ref der Bezugsenergieversorgung 703 bekannt ist, wird ein Fehler in der Entladezeit t hinsichtlich der Bezugsentladezeit t_ref aufgrund des Einflusses der Kapazität C des Kondensators 503, des Widerstands R, des Entladeschalters 504, der Schwellenspannung V_TH eines Entscheiders und der Temperatur T bei der Zeit-Spannungs-Umwandlung korrigiert.
Wenn die Spannung der Bezugsenergieversorgung 703 V_ref ist und ihre Entladezeit t_ref1 ist, wird der folgende Ausdruck formuliert. Vref1 = VTH·exp(tref1/C·R) (5)
Von dem Ausdruck (5) wird die Zeit t, die zur Entladung des Kondensators 503, der bei V_c geladen wird, notwendig ist, ausgedrückt durch: t = C·R·1n(Vc/Vref1) + tref1 (6)
Daher kann die Schwellenspannung V_TH aus der Entladezeit t bestimmt werden. Der Ausdruck (6) kann wie folgt umgeschrieben werden, wenn die Energiespeichervorrichtung zusätzlich mit einer, nicht gezeigten, zweiten Bezugsenergieversorgung ausgestattet ist, die Spannung V_ref2 ist und die Entladezeit t_ref2 ist. t = (tref2 – tref1)·1n (V/Vref1)/1n(Vref2/Vref1) + tref1 (7)
Daher kann die Spannung V_c der Speicherbatterieeinheit 101 auf der Grundlage der Entladezeit t selbst dann bestimmt werden, wenn C und R unbekannt sind. So kann die Spannung V_c der Speicherbatterieeinheit 101 selbst dann genau bestimmt werden, wenn die Kapazität C des Kondensators 503 und der Widerstand R des Entladeschalters 504 unbekannt sind. Wie aus dem Ausdruck (7) ersichtlich, ist die Zeit t von der Kapazität C und dem Widerstand R unabhängig, und daher kann die Spannung V_c der Speicherbatterieeinheit 101 selbst dann genau bestimmt werden, wenn die Kapazität C und der Widerstand R sich aufgrund der Temperaturänderung ändern.
In 11 sind Speicherbatterien 801 und eine Ebenenverschiebungsschaltung 802 gezeigt. Die Ebenenverschiebungsschaltung 802 umfasst PMOSs und Widerstände RH und RL. Die Ebenenverschiebungsschaltung 802 ändert die Potentialebene und die Amplitude ei nes Eingangssignals in dem Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der Widerstände RH und RL. Eine Speicherbatterieeinheit 101 wird gebildet, indem die mehreren Speicherbatterien 801 in Reihe geschaltet werden. Ein Batteriestromkreis 102 umfasst Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501, die jeweils mit den Speicherbatterien 801, den Korrekturbezugsschaltungen 701, der Ebenenverschiebungsschaltung 802 und einer Zeit-Spannungs-Umwandlungsschaltung 506 verbunden sind. Wie in 11 gezeigt, sind die Ausgänge der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501 mit dem Widerstand RL der Ebenenverschiebungsschaltung 802 verbunden.
Die Speicherbatterien 801 sind Lithiumsekundärzellen mit einer maximalen Versorgungsspannung von 4,2 V. Daher beträgt die maximale Versorgungsspannung der Speicherbatterieeinheit 101 16,8 V, wenn die Zahl der Speicherbatterien 801 vier ist, und sie beträgt 33,6 V, wenn die Zahl der Speicherbatterien 801 acht ist. Daher kann der Batteriestromkreis 102 allgemeine Halbleiterbauelemente mit einer Nennspannung von 18 V oder 36 V umfassen. Wenn die Zahl der in Reihe geschalteten Speicherbatterien 801 acht oder weniger ist, können die Batteriestromkreise 102 leicht durch IC-Chips desselben Typs oder Hybrid ICs desselben Typs verkörpert werden, so dass die Zahl der Teile verringert werden kann, und die Energiespeichervorrichtung kann in kleinen Abmessungen bei niedrigen Kosten ausgebildet werden kann.
In 12 sind ein SOI (Silicium-auf-Isolator) Wafer 901, Trennschlitze 902 und Kontaktflecken 903 gezeigt. Die Trennschlitze 902 werden durch Auffüllen von im SOI-Wafer 901 gebildeten Schlitzen mit einem Isoliermaterial ausgebildet. Batteriestromkreise 102, isolierende Koppler 103 und eine Hauptschaltung 104, die auf dem SOI-Wafer 901 ausgebildet werden, sind jeweils von den Isolierschlitzen 902 umgeben und auf dem SOI-Wafer 901 integriert.
13 ist eine Schnittansicht der 12. In 12 sind eine Isolierschicht 1001, eine Halbleiterschicht 1002 und eine Schutzschicht 1003 gezeigt. Die Halbleiterschicht 1002 wird von den Trennschlitzen 902 von links nach rechts, wie in der 12 gezeigt, unterteilt und es sind ein Batterieschaltungsbereich für einen Batteriestromkreis 102, ein Potentialebenen-Änderungsschaltungsbereich für eine Potentialebenen-Änderungsschaltung 103 und ein Hauptschaltungsbereich für eine Hauptschaltung 104 angeordnet. In dem in 12 gezeigten Aufbau hat der SOI-Wafer 901 die etwa 2 μm dicke Isolierschicht 1001 aus SiO₂ und die Bereiche werden durch Dünnschichtablagerungsverfahren mittels Fotomasken gebildet.
Der SOI-Wafer 901 entsteht durch Ausbilden der Isolierschicht 1001, die aus einem einzelnen SIO₂-Film oder aus einem mehrschichtigen Polysiliciumfilm aufgebaut ist, der durch Überlagerung der jeweils eine oxidierte Oberfläche aufweisenden Polysiliciumfilme und durch Bilden einer Halbleiterschicht eines Einkristallsiliciums auf einem Einkristallsiliciumsubstrat ausgebildet ist. Die Polysiliciumfilme sind durch Hochglanzpolitur der Siliciumdioxidschichten auf den Polysiliciumfilmen, Überlagerung der Polysiliciumfilme und Unterziehen der überlagerten Polysiliciumfilme einer Wärmebehandlung, die zur Bildung der mehrschichtigen Polysiliciumschicht die überlagerten Polysiliciumfilme bei einer bestimmten Temperatur erwärmt, miteinander gebondet.
Die Trennschlitze 902 sind isolierende SIO₂-Schichten. Die Ausbildung der Trennschlitze 902 erfolgt durch ein Verfahren, bei dem Schlitze ausbildet und die Schlitze mit SiO₂ oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) gefüllt werden, ein Verfahren, bei dem Schlitze ausgebildet, die Oberflächen der Schlitze in einer geringen Tiefe oxidiert und die Schlitze mit Polysilicium gefüllt werden, ein Verfahren, bei dem ein PIV (Polyimidlack) oder ein SOG (drehbares Glas bzw. Spin-on-Glas) verwendet werden, oder ein Verfahren, bei dem die Oberfläche der Halbleiterschicht mit Sauerstoffionen bombardiert wird, um die Halbleiterschicht in eine isolierende Schicht umzuwandeln.
Die Schutzschicht 1003 ist ein isolierender Film aus SiO₂, ein HLD-Film (Hochtemperatur-Niederdruck-Zersetzungsfilm) oder ein SiN-Film. Verdrahtungsschichten aus Polysilicium und aus Aluminium sind mit der Schutzschicht 1003 bedeckt.
Die isolierende Barriere 202 des isolierenden Kopplers umfasst drei Elektrodenbereiche 202a, 202b und 202c und die isolierenden Schlitze 902. Die Spannungsfestigkeit kann dadurch sichergestellt werden, dass die isolierenden Barrieren 202 selbst im Schlitzsystem, in dem die Breite der isolierenden Schlitze 902 im Vergleich zur Dicke der isolierenden Schicht 1001 begrenzt ist, in Reihe geschaltet werden.
Wenn die isolierende Barriere 202 in einem Muster ausgebildet wird, das einem gefalteten Band ähnelt, um die Länge der Teile in Kontakt mit den Elektrodenbereichen zu erhöhen, kann eine notwendige Kapazität selbst dann erhalten werden, wenn der Bereich des Halbleiters gering ist. Die Kapazität eines Bereichs von etwa 160 μm² beträgt etwa 2 pF, und ein isolierender Schlitz 902 hat eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 750 V, gemessen mit einem Stehspannungstest. Die isolierenden Schlitze 902 werden in einem Muster mit gefalteten Teilen und Ecken ausgebildet, die so weit wie möglich zu Kreisbögen der Krümmungsradien im Bereich von 2 bis 5 μm abgerundet sind, um die Durchschlagsfestigkeit aufrechtzuerhalten.
Mehrere Schaltungen werden vom Substrat 901 durch die isolierenden Schlitze 902 und die isolierende Schicht 1001 getrennt. Daher kann diese integrierte Schaltung beim Packen der integrierten Schal tung direkt mit einem Rahmen gebondet werden und folglich kann Wärme wirksam abgeleitet werden. Die isolierende Schicht wird aus mehreren Schichten gebildet und die jeweiligen Dicken der Schichten werden in geeigneten Dicken gebildet, so dass die Spannung gleichförmig verteilt wird, um eine Verformung des Substrats zu verringern.
Wenn eine Batterieeinheit 101 einer Lithiumsekundärzelle vorgesehen ist, liegt die maximale Versorgungsspannung der Batterieeinheit 101 in der Größenordnung von 4,2 V. Daher können die Stehspannungen des Batteriestromkreises 102 und der Hauptschaltung 104 in der Größenordnung von 5 V liegen, das heißt, die Spannungsfestigkeiten der Schaltungen, die von den isolierenden Schlitzen 902 umgeben sind, können in der Größenordnung von 5 V liegen.
Wenn die Batterieeinheit 101 gebildet wird, indem 96 Lithiumsekundärzellen in Reihe geschaltet werden, beträgt die maximale Versorgungsspannung der Batterieeinheit 101 ungefähr 400 V, was viel niedriger als die Spannungsfestigkeit der isolierenden Schlitze 902 ist. Daher können die isolierenden Koppler und die anderen Schaltungen auf dem SOI-Wafer 901 in einer integrierten Schaltung ausgebildet sein. So kann eine kleine, zuverlässige, kostengünstige Energiespeichervorrichtung mit einer kleinen Zahl von Schaltungen erhalten werden, die imstande sind, bei niedrigem Energieverbrauch zu arbeiten, eine ausgezeichnete Steuergenauigkeit und einen hohen Rauschabstand besitzen.
Vorliegend ist ein Batteriestromkreis 102 ähnlich demjenigen, der in 11 veranschaulicht und auf einem Siliciumwafer 1101 ausgebildet ist, gezeigt. Wie in 14 gezeigt, weist eine monolithische integrierte Schaltung den Siliciumwafer 1101 und Komponenten, die auf dem Siliciumwafer 1101 ausgebildet sind, auf. Die Komponenten um fassen Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltungen 501, Korrekturbezugsschaltungen 701 und Ebenenverschiebungsschaltungen 506.
Die Speicherbatterien 801 einer Speicherbatterieeinheit 101 sind Lithiumsekundärzellen mit einer maximalen Versorgungsspannung von 4,2 V. Daher beträgt die maximale Versorgungsspannung der Speicherbatterieeinheit 101 16,8 V, wenn die Zahl der in Reihe geschalteten Speicherbatterien 801 vier ist, und sie beträgt 33,6 V, wenn die Zahl der in Reihe geschalteten Speicherbatterien 801 acht ist. Daher können die Stehspannungen des Batteriestromkreises 102 und der Ebenenschiebeschaltungen 802 18 V oder 36 V betragen und folglich können die Komponenten leicht auf demselben Siliciumwafer in einer monolithischen integrierten Schaltung ausgebildet werden. Diese Ausführungsform verringert die Zahl der Teile und bildet eine kleine, kostengünstige Energiespeichervorrichtung.
In 15 sind eine handelsübliche Energiequelle 1201, ein Sonnenenergie erzeugendes System 1202, Lastvorrichtungen 1203, ein Steuerwandler 1204, Schalter 1205 und ein Multiplexer 1206 gezeigt. Mehrere Speicherbatterieeinheiten 101 sind in Reihe geschaltet und Batteriestromkreise 102 sind jeweils mit den gegenüberliegenden Enden der Speicherbatterieeinheiten 101 verbunden. Der Ausgang jedes Batteriestromkreises 102 ist durch einen isolierenden Koppler und den Multiplexer 1206 mit einer Hauptschaltung 104 verbunden. Der Steuerwandler 1204 ist mit den gegenüberliegenden Enden der Reihenschaltung der Speicherbatterieeinheiten 101 verbunden. Ein Mikrocomputer 105, der in der Hauptschaltung 104 beinhaltet ist, und eine MCU (Mikroprozessorsteuereinheit), die im Steuerwandler 1204 beinhaltet ist, sind durch einen isolierenden Koppler verbunden.
Das Sonnenenergie erzeugende System 1202, die Lastvorrichtungen 1203 und der Steuerwandler 1204 sind durch die Schalter 1205 mit der handelsüblichen Energiequelle 1201 verbunden. Das Sonnenenergie erzeugende System 1202, die Lastvorrichtungen 1203, der Steuerwandler 1204, die Schalter 1205 und die Hauptschaltung 104 sind beidseitig durch die isolierenden Koppler 103 verbunden.
Das Sonnenenergie erzeugende System 1202 wandelt Sonnenenergie durch Solarzellen in Gleichstrom um und wandelt den Gleichstrom durch einen Inverter in Wechselstrom um. Die Lastvorrichtungen 1203 sind Hauselektrogeräte, einschließlich Klimaanlagen, Kühlschränke, elektronische Öfen und Leuchtvorrichtungen sowie elektrische Vorrichtungen, einschließlich Motoren, Computer und medizinische Geräte. Der Steuerwandler 1204 ist eine Lade-und-Entlade-Vorrichtung, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt oder Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Der Steuerwandler 1204 steuert das Sonnenenergie erzeugende System 1202 und die Lastvorrichtungen 1203 zusätzlich zum Lade- und Entladebetrieb.
Diese Vorrichtungen sind mit den Schaltern 1205 verbunden. Eine Energiespeichervorrichtung kann mit anderen Steuerwandlern 1204, als in 15 gezeigt sind, sowie anderen Vorrichtungen verbunden sein.
Wenn der Leistungsbedarf der Lastvorrichtungen 1203, die in 15 gezeigt sind, nicht durch die handelsübliche Energiequelle 1201 und das Sonnenenergie erzeugende System 1202 befriedigt werden kann, wird Energie von den Speicherbatterieeinheiten 101 durch den Steuerwandler 1204 zugeführt. Wenn durch die handelsübliche Energiequelle 1201 und das Sonnenenergie erzeugende System 1202 zu viel Energie zugeführt wird, verwendet der Steuerwandler 1204 die überschüssige Energie zum Laden der Speicherbatterieeinheiten 101.
Wenn die Versorgungsspannungen der Speicherbatterieeinheiten 101 bis zur Entladeabschaltebene oder einer Ladeabschaltebene während der vorangehenden Vorgänge ansteigen, gibt die Hauptschaltung 104 ein dementsprechendes Signal an den Steuerwandler 1204 ab, und dann steuert der Steuerwandler 1204 das Entladen oder Laden.
Dies ermöglicht eine Reduzierung der Auftragsanforderung und des Verbrauchs der durch die handelsübliche Energiequelle 1201 zugeführten Energie und die Nennausgangsleistung des Sonnenenergie erzeugenden Systems 1202, was die Gerätekosten und laufenden Kosten reduziert.
Die Speicherbatterieeinheiten 101 liefern der handelsüblichen Energiequelle 1201 in einem bestimmten Zeitbereich, in dem der Energiebedarf sehr hoch ist, Energie und die überschüssige Energie wird im Energiespeichersystem gespeichert, während der Energiebedarf niedrig ist. Daher kann die Konzentration des Energiebedarfs auf die handelsübliche Energiequelle 1201 gemäßigt und die Energiezufuhr der handelsüblichen Energiequelle 1201 eingependelt werden.
Der Steuerwandler 1204 überwacht den Energieverbrauch der Lastvorrichtungen 1203 und steuert die Lastvorrichtungen 1203, um Energie zu sparen und Energie wirksam zu verwenden.
16 ist ein Diagramm zur Erläuterung von Vorgängen zur Verarbeitung von Messdaten, bei dem die Spannung V auf der vertikalen Achse (Y-Achse) und ein Strom auf der horizontalen Achse (X-Achse) gemessen wird.
Das Verhältnis zwischen den Spannungsmessdaten, die mit einer Spannungsmessschaltung 125 gemessen und in einem bestimmten Zeitraum gespeichert werden, und den gemessenen Stromdaten, die mit einer Strommessschaltung 108 in demselben Zeitraum gemessen werden, wurde durch eine gerade Annäherungslinie angenähert, die durch eine Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wurde.
Der Y-Achsenabschnitt, d. h. ein Spannungswert, der X = 0 entspricht, ist die Leerlaufspannung OCV der Speicherbatterieeinheit 101. Der Gradient der geraden Annäherungslinie entspricht dem inneren Widerstand R der Speicherbatterieeinheit 101. Die gerade Annäherungslinie wird ausgedrückt durch: Y = R·I + OCV. Ein Mikrocomputer verarbeitet Spannungsmessdaten, die mit der Spannungsmessschaltung 125 gemessen werden, und die Strommessdaten, die durch die Strommessschaltung 108 gemessen werden, um die Leerlaufspannung und den inneren Widerstand der Speicherbatterieeinheit 101 zu bestimmen. Der Mikrocomputer berechnet die Restkapazität und die Lebensdauer der Speicherbatterieeinheit 101 auf der Grundlage der Messdaten.
17 zeigt einen wesentlichen Teil eines Algorithmus, der mit dem Mikrocomputer auszuführen ist, welcher in der in 15 gezeigten Schaltung beinhaltet ist.
In 15 sind der Mikrocomputer 105 der Hauptschaltung 104 und die MCU des Steuerwandlers 1204 mit der Energiespeichervorrichtung verbunden. Die MCU und der Mikrocomputer 105 sind durch Verbindungsleitungen verbunden. Jeder Batteriestromkreis 102 enthält eine Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501, die auch als Spannungsmessschaltung 125 dient. Der Ausgang des Batteriestromkreises 102 ist über die Potentialebenen-Änderungsschaltung 103 und den Multiplexer 1206 an den, nicht gezeigten, Input-Capture-Anschluss des Mikrocomputers 105 angelegt. Der Ausgang der Strommessschaltung 108 ist an die MCU angelegt.
In den Batteriestromkreisen 102 und der Hauptschaltung 104 sind alle Ladeschalter 502 geschlossen. Wenn der Messstartbefehl in der Stromessschaltung 108 und der MCU vorgesehen wird, wird der Messstartbefehl ausgesendet. Während der Verbindung treten auf der Sende- und der Empfangsseite eine Empfangsabschlussunterbrechung und eine Übertragungsabschlussunterbrechung im Wesentlichen gleichzeitig auf. Dann öffnen die Batteriestromkreise 102 und die Hauptschaltung 104 alle Ladeschalter 502. Die Strommessschaltung 108 und die MCU beginnen mit der Strommessung.
Der Betrieb für die Strommessung und das Öffnen der mehreren Ladeschalter 502 werden im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt; das heißt die Spannungsabklemmung und Strommessung der mehreren Speicherbatterieeinheiten 101 werden gleichzeitig durchgeführt.
Da der Ausgang der Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung 501 über den Multiplexer 106 an den Input-Capture-Anschluss angelegt wird, wie in 15 gezeigt, wird nur einer der Entladeschalter a504 auf der Seite der Batteriestromkreise 102 und des Hauptschalters 104 geschlossen, und dann werden Vorgänge für die Zeit-Spannungs-Umwandlung und Spannungsaufzeichnung durchgeführt. Anschließend wird der nächste Entladeschalter b geschlossen und dieselben Vorgänge werden wiederholt.
In diesem Fall kann, da die Spannung bei der Strommessung abgeklemmt wurde, die Gleichzeitigkeit der Spannungsmessdaten und der Strommessdaten erzielt werden, obwohl die Vorgänge für die Zeit-Spannungs-Umwandlung der mehreren Speicherbatterieeinheiten 101 sequentiell durchgeführt werden.
Vierzehnte Ausführungsform
18 ist eine typische Ansicht einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. In 18 sind ein Personalcomputer 1207, ein Kartenschlitz 1208, eine PC-Karte 1209, eine Stromsonde 1210 einer Speicherbatterieeinheit 101 und Spannungssonden 1211 zum Messen der Versorgungsspannungen der Speicherbatterieeinheiten 101 gezeigt. Die PC-Karte 1209 ist mit Batteriestromkreisen 102, Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 und einer Hauptschaltung 104 versehen. Die PC-Karte 1209 wird in den Kartenschlitz 1208 des Personalcomputers 1207 eingeführt. Die Stromsonde 1210 und die Spannungssonden 1211 sind mit der PC-Karte 1209 verbunden.
Es wird eine Bewertungsvorrichtung gezeigt, die die Stromsonde 1210 und die Spannungssonden 1211 als Messanschlüsse verwendet. Insbesondere können, wenn die Potentialebenen-Änderungsschaltungen 103 isolierende Koppler aufweisen, die Versorgungsspannungen der Speicherbatterieeinheiten 101 gemessen werden, selbst wenn die Potentialebene des Personalcomputers 1207 sich von derjenigen der Stromsonde 1210 und der Spannungssonden 1211 unterscheidet.

Claims

Energiespeichervorrichtung mit: mehreren in Reihe geschalteten Speicherbatterieeinheiten (101), mehreren Batteriestromkreisen (102), die Spannungen der mehreren Speicherbatterieeinheiten (101) empfangen und jeweils den empfangenen Spannungen entsprechende Signale liefern; mehreren Potentialebenen-Änderungsschaltungen (103), die jeweils die Potentiale der Signale andern; und einer Datenverarbeitungsschaltung (104) zum Erreichen einer Spannungsmessung der Speicherbatterieeinheit (101), dadurch gekennzeichnet, dass jede der Potentialebenen-Änderungsschaltungen (103) zwischen einem jeweiligen Batteriestromkreis (102) und der Datenverarbeitungsschaltung (104) verbunden ist, die Datenverarbeitungsschaltung (104) so angepasst ist, dass sie Signale von Potentialebenen empfangt, die jeweils durch die Potentialebenen-Änderungsschaltungen (103) festgelegt werden, so angepasst ist, dass sie vorgegebene Datenverarbeitungsvorgänge ausführt, und so angepasst ist, dass sie die Batteriestromkreise (102) steuert, ein Steuerungswandler (1204) vorgesehen ist, und isolierende Koppler zwischen der Datenverarbeitungsschaltung (104) und dem Steuerungswandler (1204) zum Steuern des Ladens und Entladens der Batterieeinheiten (101) geschaltet sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Auswahlschaltung (1206) die zum Auswählen von Ausgangssignalen der mehreren Potentialebenen-Änderungsschaltungen (103) angepasst ist, die an die Datenverarbeitungsschal tung (104) gegeben werden, und zum Steuern von Signalen angepasst ist, die durch die Datenverarbeitungsschaltung (104) an die mehreren Batteriestromkreise (102) gesendet werden.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der mehreren Potentialebenen-Änderungsschaltungen mit einem kapazitiven isolierenden Koppler (202) versehen ist, der mit dem Batteriestromkreis und der Datenverarbeitungsschaltung verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der mehreren Potentialebenen-Änderungsschaltungen mit einer kapazitiven isolierenden Barriere (202) versehen ist, die mit dem Batteriestromkreis und der Datenverarbeitungsschaltung verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der mehreren Batteriestromkreise mit einer Umgehungsschaltung versehen ist, die durch ein Steuersignal geöffnet und geschlossen wird.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Batteriestromkreise (102) jeweils dazu angepasst sind, Impulssignale zu liefern, die jeweils Spannungen der mehreren Speicherbatterieeinheiten entsprechen; und die mehreren Potentialebenen-Änderungsschaltungen (103) so angepasst sind, dass sie jeweils Potentialebenen der Impulssignale andern.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei jeder der mehreren Batteriestromkreise mit einem Kondensator versehen ist, der Kondensator durch die Spannung der entsprechenden Speicherbatterieeinheit geladen wird oder durch die Spannung der entsprechenden Speicherbatterieeinheit geladen wird und entladen wird und das durch jeden der Batteriestromkreise erzeugte Impulssignal eine Pulsbreite aufweist, die einer Ladezeit oder Entladungszeit entspricht.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, mit: einer Strommessschaltung (108), die so angepasst ist, dass sie einen Strom misst, der durch die mehreren Speicherbatterieeinheiten (101) fließt, und so angepasst ist, dass sie ein dem gemessenen Strom entsprechendes Signal liefert; wobei die Datenverarbeitungsschaltung (104) so angepasst ist, dass sie ein Ausgangssignal der Strommessschaltung (108) empfangt.