DE602004009142T2 - Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorgangs mit Zyklenspeicher - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorgangs mit Zyklenspeicher Download PDF

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Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ladesteuervorrichtung zum Laden wiederaufladbarer Batterien, die in Personalcomputern und anderen elektronischen Geräten verwendet werden.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • In letzter Zeit werden Lithiumionen-Sekundärbatterien als wiederaufladbare Sekundärbatterien entwickelt und finden breite Verwendung in Personalcomputern vom Notebook-Typ, in tragbaren Informatikgeräten, digitalen Video- und Fotokameras, Mobiltelefonen und vielen anderen.
  • Zum Laden dieser wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterien sind verschiedene Ladesteuervorrichtungen entwickelt worden. Zum Beispiel ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, mehrere Typen wiederaufladbarer Batterien zu laden, die sich in ihrem Ladeverfahren unterscheiden, in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. H11-187587 offenbart worden. Die offengelegte japanische Patentschrift Nr. H11-187587 stellt eine Ladesteuerschaltung vor, die sowohl in Nickel-Metallhydrid- als auch in Lithiumionen-Sekundärbatterien verwendet wird, die sich im Ladeverfahren unterscheiden. Im Ladeverfahren für wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien wird im Anfangsstadium des Ladens der Ladestrom auf einen konstanten Wert gesteuert und ein Konstantstrom-(CC: constant current)Laden ausgeführt. Bei diesem CC-Laden wird der Ladevorgang zu Konstantspannungs-(CV: constant voltage)Laden umgeschaltet, wenn die Klemmenspannung der Batterie eine konstante Spannung von z. B. 4,2 V oder 4,1 V pro Zelle erreicht.
  • Was die wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie betrifft, die in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 2002-51478 offenbart wird, so wird bekanntlich die Ladebedingung durch eine Anweisung vom Bedienungspersonal des elektronischen Geräts gewählt, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Wie in dieser offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 2002-51478 gezeigt, ist beim Laden der Ladungsgrad als eine Eigenschaft der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie höher, wenn die Ladespannung beim CV-Laden höher ist. Nach einem einzelnen Ladevorgang kann das Gerät während einer langen Zeit verwendet werden, aber die Lebensdauer der Batterie wird kürzer. Wenn die Ladespannung niedriger ist, wird die Lebensdauer der Batterie länger, aber der Ladungsgrad ist niedriger, und das Gerät kann nach einem einzelnen Ladevorgang nur während einer kürzeren Zeit verwendet werden.
  • In der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. H4-109831 wird ein Verfahren vorgeschlagen, auf der Grundlage eines Informationssignals für die restliche Kapazität der Batterie aus einer integrierenden Speicherschaltung die Anzahl aufeinanderfolgender Ladevorgänge zu speichern, um die Verkürzung der Lebensdauer der wiederaufladbaren Batterie zu unterdrücken. Um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, soll das Laden beendet werden, wenn die Anzahl aufeinanderfolgender Ladevorgänge einen vorgegebenen Wert erreicht.
  • Vom Standpunkt der Hersteller elektronischer Geräte wird eine lange Gebrauchsdauer gewünscht. Vom Standpunkt der Benutzer elektronischer Geräte wird ebenfalls eine längere Lebensdauer der Batterie gewünscht.
  • Daher ist es ein Ziel der Erfindung, eine Ladesteuervorrichtung für wiederaufladbare Batterien vorzustellen, die in der Lage ist, das Gerät mit einer einzelnen Ladung während einer längeren Zeit zu nutzen und auch die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
  • Die Ladesteuervorrichtung der Erfindung ist auch dafür ausgelegt zu berücksichtigen, dass der Leistungsabfall der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie nicht nur mit der Anzahl von Ladezyklen fortschreitet, sondern auch mit der seit dem Anfang der Benutzung verstrichenen Zeit. Indem ferner in Betracht gezogen wird, dass die wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie in ihrer Leistung schneller abfällt, wenn die Batteriespannung höher ist, besteht ein weiteres Ziel darin, eine Ladesteuervorrichtung für wiederaufladbare Batterien vorzustellen, die in der Lage ist, das Gerät nach einer einzelnen Ladung während einer längeren Zeit zu verwenden und auch die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
  • In der US-Patentanmeldung US 2002/0060554 A1 wird eine Ladesteuervorrichtung offenbart, die einen Ladekreis zur Lieferung eines Ladestromes an eine wiederaufladbare Batterie, einen Spannungserkennungskreis zur Erkennung der Spannung der wiederaufladbaren Batterie, einen Stromerkennungskreis zur Erkennung des Ladestromes der wiederaufladbaren Batterie, einen Speicher für die Aufzeichnung der Anzahl von Zyklen, ehe der integrierte Gesamtwert der in die wiederaufladbare Batterie geflossenen Ladung die Kapazität der Batterie übersteigt, sowie Steuermittel zur Steuerung des Ladekreises und zur Umschaltung von Konstantstromladen zu Konstantspannungsladen umfasst.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Um die Probleme zu lösen, umfasst die Ladesteuervorrichtung in einem Aspekt der Erfindung einen Ladekreis zur Lieferung eines Ladestromes an eine wiederaufladbare Batterie, einen Spannungserkennungskreis zur Erkennung der Spannung der wiederaufladbaren Batterie, einen Stromerkennungskreis zur Erkennung des Ladestromes der wiederaufladbaren Batterie, einen Speicher zur Aufzeichnung der Anzahl von Ladezyklen der wiederaufladbaren Batterie oder des integrierten Gesamtwertes der Ladekapazität sowie Steuermittel zur Steuerung des Ladekreises, zur Umschaltung von Konstantstromladen zu Konstantspannungsladen der wiederaufladbaren Batterie und zum Absenken der Spannung bei diesem Konstantspannungsladen in Abhängigkeit von der im Speicher aufgezeichneten Anzahl von Ladezyklen oder integrierten Gesamtladung.
  • Des Weiteren besitzt in einem anderen Aspekt der Erfindung der Speicher in der Ladesteuervorrichtung einen Bereich für die Aufzeichnung der Anzahl von Zyklen voller Ladung, und die Steuermittel steuern den Ladekreis, schalten von Konstantstromladen zu Konstantspannungsladen der wiederaufladbaren Batterie um und senken die Spannung beim Konstantspannungsladen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Anzahl von Zyklen voller Ladung zu der im Speicher aufgezeichneten Anzahl von Ladezyklen oder vom Verhältnis der Anzahl von Zyklen voller Ladung zu dem im Speicher aufgezeichneten, integrierten Gesamtwert der Ladekapazität.
  • Weiter steuert sie die Spannung beim Konstantspannungsladen auf einen höheren Wert, wenn die Restkapazität der wiederaufladbaren Batterie innerhalb einer bestimmten Zeit seit der Aufzeichnung unter den zweiten vorgegebenen Restwert sinkt, wenn die Restkapazität der wiederaufladbaren Batterie im Speicherbereich für die Aufzeichnung unter den zweiten vorgegebenen Restwert sinkt.
  • Die Ladesteuervorrichtung der Erfindung umfasst des Weiteren einen Temperaturerkennungskreis, der ein Temperaturerkennungselement umfasst, und die Steuermittel steuern die Spannung beim Konstantspannungsladen auf einen tieferen Wert, wenn die vom Temperaturerkennungskreis erkannte Temperatur höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
  • Die Ladesteuervorrichtung der Erfindung umfasst des Weiteren einen Temperaturerkennungskreis, der ein Temperaturerkennungselement umfasst. Die Steuermittel steuern auch den Ladeendstrom beim Konstantspannungsladen auf einen höheren Wert, wenn die vom Temperaturerkennungskreis erkannte Temperatur höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm der Ladesteuervorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform 1 der Erfindung, 2 ist ein Ladekennliniendiagramm der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie in der bevorzugten Ausführungsform 1, 3 ist ein Lade-Entlade-Zyklen-Kennliniendiagramm der Batterie für den Unterschied in der Ladespannung der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie in der bevorzugten Ausführungsform 1, 4a bis 4c sind ein erklärendes Diagramm für das Zählverfahren der Lade-Entlade-Zyklen der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie in der bevorzugten Ausführungsform 1, 5 ist ein Blockdiagramm der Ladesteuervorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform 2 der Erfindung, 6 ist ein erklärendes Diagramm des Nutzungszustandes der wiederaufladbaren Batterie in der bevorzugten Ausführungsform 2.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • (Bevorzugte Ausführungsform 1)
  • Die Ladesteuervorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform 1 der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hierunter beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm der Ladesteuervorrichtung, 2 ist ein in der Ladesteuervorrichtung verwendetes Ladekennliniendiagramm der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie, 3 ist ein Lade-Entlade-Zyklen-Kennliniendiagram der Batterie für den Unterschied in der Ladespannung der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie in der bevorzugten Ausführungsform 1, und 4 ist ein erklärendes Diagramm für das Zählverfahren der Lade-Entlade-Zyklen der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie.
  • Die in 1 gezeigte Struktur kann grob in den Hauptteil 1 und das Batteriepaket 2 der Ladesteuervorrichtung unterteilt werden. Diese beiden Blöcke sind auf der Seite des Hauptteils 1 durch Klemmen 1a bis 1f und auf der Seite des Batteriepakets 2 durch die entsprechenden Klemmen 2a bis 2f trennbar miteinander verbunden.
  • Eine vorgegebene Spannung wird von einer handelsüblichen Wechselstromquelle 3 über die Stromversorgungseinheit 4 an den Hauptteil der Ladesteuervorrichtung geliefert. Die Stromversorgungseinheit 4 kann die Spannung unter Verwendung eines Transformators oder durch Schalten der Stromquelle absenken und wird in ihrem Aufbau oder ihrer Konfiguration nicht besonders vorgegeben.
  • Im Hauptteil 1 hat die Mikrosteuereinheit 5 die Funktion von Steuermitteln. Indem sie ein nicht gezeigtes Steuerprogramm enthält, empfängt sie Daten von den verschiedenen, unten erwähnten Komponenten und steuert die Arbeit dieser Komponenten.
  • Der Ladekreis 6 ist mit der Stromversorgungseinheit 4 in Reihe geschaltet und umfasst einen Feldeffekttransistor (FET) 7 zur Steuerung seines Eingangsstromes, eine Diode 8 zur Erzeugung eines Strompfades bei abgeschaltetem FET 7, eine Spule 9 und einen Kondensator 10 zum Anlegen eines geglätteten Eingangsstromes an die Klemme 1a und einen Lade-IC 11 zur Steuerung des FET 7 durch den Empfang von Steuerung aus dem Ladesteuersignal 5a (CHGCTRL) der Mikrosteuereinheit 5.
  • Der Spannungserkennungskreis 12 hat einen Operationsverstärker 13, erkennt eine Klemmenspannung der wiederaufladbaren Batterie von der Klemme 1b und liefert ein Spannungserkennungssignal 12a an die Klemme 5b (A/D) der Mikrosteuereinheit 5.
  • Der Temperaturerkennungskreis 14 hat einen Widerstand 15, erkennt die Temperatur des Batteriepakets 2 von der Klemme 1c und liefert ein Temperaturerkennungssignal 14a an die Klemme 5d (A/D) der Mikrosteuereinheit 5.
  • Der Stromerkennungskreis 16 umfasst einen Widerstand 17 zur Erkennung des Ladestromes von der Klemme 1f und einen Operationsverstärker 18 zur Erkennung der Spannung über den Widerstand 17 und Lieferung eines Stromerkennungssignals 16a an die Klemme 5c (A/D) der Mikrosteuereinheit 5.
  • Die Eingangsseite des FET 7 und die Ausgangsseite der Spule 9 sind über Dioden 19, 20 mit der Last 21 verbunden. Und zwar sind die Diode 19 und die Diode 20 einander entgegengesetzt zusammengeschaltet, und ein gemeinsamer Katodenverbindungspunkt der Dioden 19, 20 ist an die Last 21 angeschlossen. Im Ergebnis kann die Last 21 manipuliert werden, während das Batteriepaket 2 geladen wird. Bei Anschluss an eine handelsübliche Wechselstromquelle 3 wird eine Versorgungsspannung über die Diode 19 an die Last 21 angelegt. Bei Abschaltung der handelsüblichen Wechselstromquelle 3 wird eine Versorgungsspannung von den wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und der wiederaufladbaren Batterie 26 über die Diode 20 an die Last angelegt. Nach beendeter Ladung des Batteriepakets 2 kann das Batteriepaket 2 natürlich vom Hauptteil 1 getrennt und an die Last 21 angeschlossen werden.
  • Im Batteriepaket 2 sind die FET 22, 23 in Reihe geschaltet, um den Pfad des Eingangsstromes von der Klemme 2a zu beeinflussen, und mit der positiven (+) Elektrode der wiederaufladbaren Batterie 24 verbunden. Der FET 22 steuert den Ladestrom der wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und 26, während der FET 23 ihren Entladestrom steuert.
  • Die wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und die wiederaufladbare Batterie 26 sind in Reihe geschaltet. Indem die Spannung an den beiden Enden 27, 28, 29 und den beiden Enden 30 der wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und der wiederaufladbaren Batterie 26 erkannt wird und indem erkannt wird, ob die Spannung in irgendeiner der Zellen der wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und der wiederaufladbaren Batterie 26 höher als die vorgegebene Spannung ist (übermässige Ladung), wird der FET 22 gesteuert. Der FET 22 hat den Zweck, den von der Klemme 2a einfliessenden Eingangsstrom abzuschalten. Es gibt auch einen Schutz-IC 31 zur Steuerung des FET 23 und zur Abschaltung der Stromversorgung, indem erkannt wird, ob die Spannung über die wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und über die wiederaufladbare Batterie 26 niedriger als eine vorgegebene Spannung ist (übermässige Entladung).
  • Zusätzlich zum Lade-IC 11 steht der Schutz-IC 31 zur Verfügung, um die wiederaufladbare Batterie zu schützen, indem der FET 22 gesteuert und die Stromversorgung beendet wird, wenn die Batterie wegen einer Störung des FET 7, eines schlechten Arbeitens des Lade-IC 11 oder Anschluss des Batteriepakets 2 an den falschen Hauptteil übermässig entladen worden ist.
  • Wenn das Batteriepaket 2 an den Hauptteil 1 oder die Last 21 angeschlossen ist und während einer langen Zeitdauer so belassen wird, können die wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und die wiederaufladbare Batterie 26 möglicherweise wegen eines vom Hauptteil 1 oder von der Last 21 gelieferten, geringen Entladestromes übermässig entladen werden, aber um einen solchen Zustand zu vermeiden, wird der Entladepfad durch den FET 23 gesperrt, und die wiederaufladbaren Batterien sind geschützt.
  • Wenn wegen eines Kurzschlusses der Batterieklemmen der wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und der wiederaufladbaren Batterie 26 ein Strom fliesst, der einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird durch Steuerung und Ausschalten des FET 23 eine Kurzschluss-Schutzfunktion realisiert. Der AUS-Zustand des FET 23 wird bis zum nächsten Ladevorgang aufrecht erhalten.
  • Des Weiteren ist im Batteriepaket 2 eine Reihenschaltung aus dem Temperaturerkennungskreis 14 und dem Widerstand 15 ausgebildet, und das Paket umfasst des Weiteren einen Thermistor 32 zur Erkennung der Temperatur der wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und der wiederaufladbaren Batterie 26 in Nachbarschaft zu einem Teil des Elements des Temperaturerkennungskreises 14 sowie einen EEPROM 33, der ein Speicher zur Speicherung der Ladezyklenzählung oder des integrierten Gesamtwertes der Ladung ist, die über die Klemmen 5e, 5f der Mikrosteuereinheit 5 geliefert werden.
  • Die Arbeit dieser Teile wird erklärt. Der Spannungserkennungskreis 12 erkennt die Spannung über die wiederaufladbare Batterie von der Klemme 1b und liefert ein analoges Spannungserkennungssignal 12a, das in die Klemme 5b eingegeben und zu einem digitalen Wert umgewandelt wird. Der Temperaturerkennungskreis 14 liefert in Übereinstimmung mit dem Potentialteilungsverhältnis des Thermistors 32, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert, und des Widerstandes 15 ein analoges Temperaturerkennungssignal 14a, das in die Klemme 5d eingegeben und zu einem digitalen Wert umgewandelt wird.
  • Der Stromerkennungskreis 16 berechnet den Wert des Stromes durch den Operationsverstärker 18 aus der Spannung über den Widerstand 17 und liefert ein analoges Stromerkennungssignal 16a, das in die Klemme 5c eingegeben und zu einem digitalen Wert umgewandelt wird.
  • Der Lade-IC 11, der ein Teil des Ladekreises 6 ist, steuert den FET 7 auf der Grundlage des Ladesteuersignals 5a (CHGCTRL) der Mikrosteuereinheit 5, indem ein Spannungserkennungssignal 12a, ein Temperaturerkennungssignal 14a und ein Stromerkennungssignal 16a berechnet werden, und steuert zu einem konstanten Ladestrom der wiederaufladbaren Batterie.
  • 2 zeigt die Ladekennlinie der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie. In 2 sind Kurve a und Kurve b Kennlinien, die die Änderungen des Ladestromes mit der Ladezeit anzeigen. Kurve a zeigt die Kennlinie des Ladens mit 4,2 V je Zelle, Kurve b zeigt die Kennlinie des Ladens mit 4,1 V je Zelle. Kurve c und Kurve d zeigen die Änderungen der Ladespannung mit der Ladezeit. Kurve c zeigt die Kennlinie des Ladens mit 4,2 V je Zelle, Kurve d zeigt die Kennlinie des Ladens mit 4,0 V je Zelle.
  • Die Mikrosteuereinheit 5 legt das Ladesteuersignal 5a in der anfänglichen Ladephase fest, schaltet den IC 11 auf Laden und steuert den Ausgangsstrom des Ladekreises 6, d. h. den Ladestrom auf einen vorbestimmten Wert, der z. B. dem flachen Abschnitt der in 2 gezeigten Kurven entspricht, wodurch CC-Laden erfolgt. In diesem Falle wird der vorbestimmte Wert des Ladestromes in Abhängigkeit von der Ladebedingung der zu ladenden Batterie, vom Ladezustand oder anderen Eigenschaften im Voraus im Steuerprogramm der Mikrosteuereinheit 5 festgelegt.
  • Die Mikrosteuereinheit 5 steuert den FET 7 durch den Lade-IC 11, überwacht das Spannungserkennungssignal 12a und das Stromerkennungssignal 16a während des CC-Ladens und schaltet, wenn die Batteriespannung einen konkreten Wert (z. B. 4,2 V je Zelle) erreicht, unter Beibehaltung dieses konkreten Wertes das Ladungssteuersignal 5a kontrolliert in mehreren Stufen oder kontinuierlich um, und der Ladestrom des Ausgangs des FET 7 wird in Übereinstimmung mit Kurve a in 2 allmählich verringert (CV-Laden).
  • Wenn der Ladestrom unter einen vorgegebenen Wert absinkt, was als der Zustand voller Ladung beurteilt wird, dann wird das Ladesteuersignal 5a durch Abschalten des FET 7 über den Lade-IC 11 auf null gesetzt, und der Ladevorgang ist vorüber.
  • Dies ist das Ladeverfahren, bei dem eine konkrete Spannung (in diesem Falle 4,2V ) je Zelle festgelegt wird, um den Punkt der Umschaltung von CC-Laden zu CV-Laden in der bevorzugten Ausführungsform 1 zu beurteilen. Wie zuvor erwähnt, wird aber der Ladungsgrad desto höher, je höher die Ladespannung beim CV-Laden gewählt wird, und das Gerät kann nach einer einzelnen Ladung für eine lange Zeitdauer verwendet werden, aber die Lebensdauer der Batterie ist kürzer. Wenn andererseits die Ladespannung niedriger gewählt wird, dann ist die Lebensdauer der Batterie länger, aber der Ladungsgrad ist geringer, und das Gerät kann nach einer einzelnen Ladung nur für eine kürzere Zeit verwendet werden.
  • 3 zeigt eine Computersimulation der Lade-Entlade-Zyklen-Kennlinie einer wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie. Kurve a in 3 zeigt die Spannung des CV-Ladens bei 4,2 V. Unter der Annahme, dass 50% der Batteriekapazität das Ende der Lebensdauer darstellt, beträgt diese etwa 650 Zyklen.
  • Kurve b zeigt die Spannung des CV-Ladens bei 4,0 V, und der anfängliche Ladungsgrad beträgt nur 80%, aber die Lebensdauer beträgt weit mehr als 1000 Zyklen.
  • In der in 3 gezeigten Kurve c erfolgt das Laden während der ersten 100 Zyklen als CV-Laden bei einer Ladespannung von 4,2 V, in den nächsten 100 Zyklen wird die CV-Ladespannung um 1/30 V verringert, in weiteren 100 Zyklen wird die CV-Ladespannung um 1/30 V verringert, somit wird die Ladespannung allmählich mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen verringert und der Abfall des Ladungsgrades bei diesem Vorgehen gezeigt. Im Vergleich zu Kurve a ist der anfängliche Ladungsgrad ähnlich, und es wird erwartet, dass verglichen mit Kurve a, die einen raschen Abfall mit der Zyklenzahl zeigt, eine Lebensdauer von mehr als 1000 Zyklen erreicht werden kann.
  • 4 zeigt das Zyklenzahl-Zählverfahren. Ein Zyklus wird jedesmal dazugezählt, wenn der integrierte Ladungswert die volle Ladungskapazität überschreitet. Beim tatsächlichen Laden und Entladen wird die Batterie kaum völlig verbraucht, nachdem sie einmal voll aufgeladen worden ist. Wie in 4A gezeigt, wird die Batterie von Punkt 41 zu Punkt 42 geladen, von Punkt 43 zu Punkt 44 geringfügig entladen, nicht weiter verwendet, ehe sie entleert ist, und von Punkt 44 zu Punkt 45 wieder geladen.
  • Als Effektivwert der Ladezyklenzählung entspricht in diesem Falle die Ladung von Punkt 41 zu Punkt 42 dem Übergang von Punkt 61 zu Punkt 62 in 4B. Wenn der Entladeabschnitt ignoriert wird, dann entspricht der Ladeabschnitt von Punkt 44 zu Punkt 45 zusätzlich zum Abschnitt von Punkt 63 zu Punkt 64 dem Abschnitt von Punkt 65 zu Punkt 66 in 4B, und bei Punkt 64 wird ein Zyklus hinzugezählt, wie in 4C gezeigt. Ähnlich beträgt die Zyklenzählung dann zwei, wenn am dazwischen liegenden Punkt von Punkt 50 zu Punkt 51 in 4A der Punkt 70 in 4B erreicht wird. Der Punkt bei Punkt 51 entspricht Punkt 72 in 4B.
  • Bekanntlich unterscheidet sich die Lebensdauer nicht signifikant, wenn sie auf diese Weise gezählt wird, und in der bevorzugten Ausführungsform 1 wird die Zyklenzahl auf diese Weise gezählt, und entsprechend der Zyklenzählung imkrementiert die Mikrosteuereinheit 5 die Zählung des EEPROM 33 von den Klemmen 5e (DATA) und 5f (CLK).
  • Statt des Zählwertes in 4 kann der integrierte Gesamtwert der Ladung gewonnen und durch die Ladekapazität der Batterie (6000 mAh in 4) geteilt werden. In diesem Falle ist nicht der Zählwert, sondern der integrierte Gesamtwert der Ladung der Speicherwert im EEPROM 33. Auf jeden Fall sinkt die tatsächliche Ladekapazität bei jeder Kumulierung der Ladezyklen, und ein Fehler ist beteiligt, aber der Zählwert bildet eine Richtschnur für die Festlegung der Ladespannung.
  • Beim Laden der wiederaufladbaren Batterie nimmt die Mikrosteuereinheit 5 in der bevorzugten Ausführungsform 1 auf den Zählwert oder den integrierten Gesamtwert der Ladung Bezug und lädt, während in Übereinstimmung mit dem Zählwert oder dem dem Zählwert entsprechenden integrierten Gesamtwert der Ladung die Ladespannung beim CV-Laden allmählich verringert wird, wie durch Kurve d in 3 gezeigt, wodurch auf lange Sicht dem vorgegebenen Zweck eines erhöhten anfänglichen Ladungsgrades und einer verlängerten Ladezyklenlebensdauer Genüge getan wird.
  • Der Temperaturerkennungskreis 14 erkennt, wenn die Temperatur in den wiederaufladbaren Batterien 24, 25 und in der wiederaufladbaren Batterie 26 im Batteriepaket 2 höher als vorgegeben ist, und setzt den konkreten Wert der Batteriespannung bei dem durch die Mikrosteuereinheit 5 gesteuerten CV-Laden auf einen niedrigeren Wert als bei gewöhnlicher Temperatur, wodurch so gesteuert wird, dass die Verschlechterung der Zyklenlebensdauer unterdrückt wird.
  • Ausserdem werden die gleichen Wirkungen erzielt, wenn der Temperaturerkennungskreis 14 beim CV-Laden so steuert, dass ein höherer Ladeendstrom festgelegt wird, wenn in den wiederaufladbaren Batterien 24 bis 26 im Batteriepaket 2 eine Temperatur erkannt wird, die höher als vorgegeben ist.
  • Statt des EEPROM 33 können ein Flash-Speicher oder andere Speicher verwendet werden, die in der Lage sind, den Ladezustand festzuhalten.
  • In der bevorzugten Ausführungsform wird die wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie erklärt, aber sie kann auf wiederaufladbare Batterien angewendet werden, die ähnliche Ladekennlinien wie eine wiederaufladbare Lithiumionenbatterie besitzen.
  • Zur Steuerung des Lade- und Entladestromes wird ein FET vom MIS-Typ verwendet, aber ein bipolarer Transistor oder ein Halbleitersteuerelement eines anderen Typs kann ebenfalls verwendet werden.
  • (Bevorzugte Ausführungsform 2)
  • Die Ladesteuervorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform 2 der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hierunter beschrieben. 5 ist ein Blockdiagramm der Ladesteuervorrichtung, und 6 ist ein erklärendes Diagramm des Nutzungszustandes der wiederaufladbaren Batterie. Die bevorzugte Ausführungsform 2 bezieht sich auch auf 4, in der das Zählverfahren für die Lade-Entlade-Zyklen der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie gezeigt wird.
  • Es ist eine Eigenschaft der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie, dass der Leistungsabfall fortschreitet, wenn sie nicht viel benutzt wird, d. h. wenn die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen klein ist oder die Batterie im geladenen Zustand gehalten wird. Der Leistungsabfall erfolgt insbesondere dann sehr rasch, wenn die Batteriespannung auf einem hohen Wert gehalten wird. Bei einer Verwendung im Zustand des Wechselstrom-Floatings durch Anschluss an die Wechselstromversorgung und während des Ladens wird sie zum Beispiel in einem Bereich von Punkt A bis Punkt B einer Batteriekapazität von beispielsweise 50% verwendet, wie in 6 gezeigt, eine hohe Spannung liegt immer an der Batterie an, und daher erfolgt der Leistungsabfall rasch. Der Leistungsabfall schreitet ebenfalls fort, wenn die Batterie im Zustand übermässiger Entladung belassen wird. Dementsprechend wird die wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie nach ihrer Herstellung nach Aufladen auf einen Ladungsgrad von etwa 30% verschickt. Es wird nämlich angenommen, dass dieser Ladungsgrad die geringsten nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie hat.
  • Die bevorzugte Ausführungsform 2 bezieht sich auf Ladesteuerung, die einem Nutzungszustand mit in kurzen Zeitabständen häufig wiederholter Ladung und Entladung entspricht. Zum Beispiel bezieht sie sich auf Lade- und Entladesteuerung des Nutzungszustandes bei Verwendung im Zustand des Wechselstrom-Floatings, bei vollem Laden, geringem Entladen und Wiederaufladen. Im Nutzungszustand einer Batterie mit raschem Leistungsabfall nach einem andauernden Zustand hohen Ladungsgrades wird nämlich beabsichtigt, die widersprüchlichen Wirkungen eines Ladens bei einem anfänglich hohen Ladungsgrad und einer langen Ladezyklen-Lebensdauer auf lange Sicht zu erreichen.
  • Der Unterschied von 5 gegenüber 1, die sich auf die bevorzugte Ausführungsform 1 bezieht, liegt in der Funktion der Mikrosteuereinheit 55 des Hauptteils 51 und des EEPROM 33a des Batteriepakets 52. Andere Strukturen und Funktionen sind die gleichen wie in 1, werden mit den gleichen Bezugszahlen identifiziert und ihre Erklärung unterlassen.
  • In 5 enthält der EEPROM 33a des Batteriepakets 52 einen Bereich für die Speicherung der Gesamtzahl der Ladungen (Zyklenzählung), die in der bevorzugten Ausführungsform 1 in 4C gezeigt wird, sowie einen Bereich für die Speicherung der Anzahl von Malen, wo eine volle Ladung beim Laden mit den kleinen Intervallen von 4A erreicht wird, zum Beispiel indem Punkte 45 und 48 als ein einziger Punkt gezählt werden und in diesem Beispiel zwei Zählungen als eine volle Ladung gespeichert werden.
  • Für zwei Zählungen der Anzahl von Malen einer vollen Ladung in 4 erhalten wir n/m = 2/1 = 2, weil die Zyklenzählung in 4C, die immer dann erfolgt, wenn die integrierte Ladungswert die volle Ladekapazität überschreitet, wie in der bevorzugten Ausführungsform 1 definiert, auf einem Wert von 1 bleibt, bis Punkt 50 in 4A überschritten ist, und daher die Anzahl von Malen einer vollen Ladung als n und die volle Zyklenzählung als m angenommen wird. Je höher das Verhältnis, desto häufiger erfolgt die Ladung, die Batteriekapazität wird kaum verbraucht, eine hohe Batteriespannung kann immer aufrecht erhalten werden, und in einem solchen Falle wird sie so gesteuert, dass sie den Ladespannungswert für den Übergang von CC-Laden zu CV-Laden früher absenkt.
  • Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, wird das Verhältnis n/m zum Beispiel schon 30 Zyklen früher berechnet, wenn der Ladespannungswert für den Übergang von CC-Laden zu CV-Laden um einen Schritt je 100 Zyklen der Gesamtzahl von Ladezyklen (Zyklenzählung) verringert wird, und wenn es zum Beispiel drei oder mehr beträgt, wird der Ladespannungswert um einen Schritt verringert.
  • Wenn das Verhältnis n/m drei oder weniger beträgt, wird es bei 50 Zyklen wiederum berechnet, und wenn es zwei oder mehr beträgt, wird der Ladespannungswert um einen Schritt verringert.
  • Wenn das Verhältnis n/m zwei oder weniger beträgt, wird der Ladespannungswert bei 100 Zyklen um einen Schritt verringert, und somit wird das Intervall für die Absenkung des Ladespannungswertes je nach dem Verhältnis von n/m um eine Stufe variiert.
  • Des Weiteren kann durch Verkleinerung des Schritts der Veränderung des Ladespannungswertes die Anzahl der Schritte einer einmaligen Veränderung je nach dem Verhältnis von n/m vergrössert werden.
  • Somit wird in der bevorzugten Ausführungsform 2 gemäss dem Nutzungszustand häufiger, in kurzen Zeitabständen wiederholter Ladung und Entladung der Ladespannungswert für den Übergang von CC-Laden zu CV-Laden früher abgesenkt bzw. der Schritt der Absenkung des Ladespannungswertes vergrössert, so dass die Lebensdauer der Batterie in Abhängigkeit vom tatsächlichen Nutzungszustand ausgedehnt werden kann, während ein hoher anfänglicher Ladungsgrad aufrecht erhalten wird.
  • Die Konfiguration der bevorzugten Ausführungsform 2 kann mit der Konfiguration der bevorzugten Ausführungsform 1, wo die Ladespannung in Abhängigkeit von der Anzahl der Ladezyklen oder des integrierten Gesamtwertes der Ladung verringert wird, kombiniert werden, so dass eine dem tatsächlichen Nutzungszustand angepasste, flexiblere Steuerung realisiert werden kann.
  • Wie in der bevorzugten Ausführungsform 1 erklärt, wird indessen durch die Arbeit des Temperaturerkennungskreises 14 der konkrete Wert der Batteriespannung beim CV-Laden durch die Mikrosteuereinheit 5 auf einen niedrigeren Wert als im Falle der gewöhnlichen Temperatur festgelegt, wenn erkannt wird, dass die wiederaufladbaren Batterien 24 bis 26 im Batteriepaket 2 eine höhere als die vorgegebene Temperatur haben, und er wird so gesteuert, dass eine Verschlechterung der Zyklenlebensdauer unterdrückt wird; eine solche Konfiguration kann auch in den bevorzugten Ausführungsformen 2 angewendet werden.
  • Weiter wird, wie in der bevorzugten Ausführungsform 1 erklärt, durch die Arbeit des Temperaturerkennungskreises 14 der Ladeendstrom beim CV-Laden auf einen höheren Wert gesteuert, wenn erkannt wird, dass die wiederaufladbaren Batterien 24 bis 26 im Batteriepaket 2 eine höhere als die vorgegebene Temperatur haben, und eine solche Konfiguration kann auch in den bevorzugten Ausführungsformen 2 angewendet werden.
  • In den vorangehenden bevorzugten Ausführungsformen wird die Ladespannung beim Übergang von CC-Laden zu CV-Laden in allmählichen Schritten gesteuert, aber sie kann auch kontinuierlich gesteuert werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie hierin erklärt, wird der Ladesteuervorrichtung der Erfindung zufolge in einer wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie oder einer anderen wiederaufladbaren Batterie mit ähnlichen Ladekennlinien die Ladespannung beim Übergang vom CC-(Konstantstrom-)Laden zum CV-(Konstantspannungs-)Laden so gesteuert, dass sie in der Anfangsphase des Ladezyklus höher ist und mit jedem konkreten Ladezyklus verringert wird. Weiter wird in Abhängigkeit vom Grad des Ladens und Entladens in kurzen Intervallen so gesteuert, dass das Ausmass des Absinkens der Ladespannung für den Übergang von CC-Laden zu CV-Laden ansteigt. Weiter wird die Ladespannung entsprechend der Nutzungsdauer seit Anfang der Nutzung der wiederaufladbaren Batterie gesteuert, konkreter wird die Ladespannung beim Übergang von CC-Laden zu CV-Laden so gesteuert, dass sie niedriger, gleich oder höher wird, je nachdem ob die Änderung der vorgegebenen Spannung innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer seit Anfang der Nutzung der wiederaufladbaren Batterie grösser als vorgegeben ist oder nicht. Durch diese Verfahren und Mittel kann ein langer Ladezyklus während einer langen Zeitdauer aufrecht erhalten werden, während der anfängliche Ladungsgrad der wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie erhöht wird. Die Ladesteuervorrichtung der Erfindung realisiert also sowohl den Ladungsgrad der wiederaufladbaren Batterie als auch eine lange Lebensdauer des Batteriezyklus, und somit wird eine herausragende industrielle Anwendbarkeit realisiert.

Claims (4)

  1. Ladesteuervorrichtung mit einem Ladekreis (6) zur Lieferung eines Ladestromes an eine wiederaufladbare Batterie (24-26), einem Spannungserkennungskreis (12) zur Erkennung der Spannung der wiederaufladbaren Batterie (24-26), einem Stromerkennungskreis (16) zur Erkennung des Ladestromes zur wiederaufladbaren Batterie (24-26), einem Speicher (33, 33a) zur Aufzeichnung der Anzahl von Zyklen, ehe der integrierte Gesamtwert der in die wiederaufladbare Batterie geflossenen Ladung die Kapazität der Batterie übersteigt, und Steuermitteln (5, 55) zur Steuerung des Ladekreises (6) und zum Wechsel von Konstantstromladen zu Konstantspannungsladen der wiederaufladbaren Batterie (24-26), gekennzeichnet durch den Speicher (33, 33a) zur weiteren Aufzeichnung der Anzahl von Zyklen vollen Ladens der wiederaufladbaren Batterie und die Steuermittel (5, 55) zur Absenkung der Spannung beim Konstantspannungsladen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Anzahl von Zyklen vollen Ladens zur Anzahl von Zyklen, ehe der integrierte Gesamtwert der in die wiederaufladbare Batterie geflossenen Ladung die Kapazität der Batterie übersteigt.
  2. Ladesteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Zyklen, ehe der integrierte Gesamtwert der in die wiederaufladbare Batterie geflossenen Ladung die Kapazität der Batterie übersteigt, der Wert (Quotient) der angesammelten Ladungsmenge, geteilt durch die Batteriekapazität ist.
  3. Ladesteuervorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Temperaturerkennungskreis (14) mit Temperaturerkennungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel die Spannung beim Konstantspannungsladen auf einen niedrigeren Wert steuern, wenn die durch den Temperaturerkennungskreis erkannte Temperatur höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
  4. Ladesteuervorrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Temperaturerkennungskreis (14) mit Temperaturerkennungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel den Ladeendstrom beim Konstantspannungsladen auf einen höheren Wert steuern, wenn die durch den Temperaturerkennungskreis erkannte Temperatur höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
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