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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ladesteuervorrichtung
zum Laden wiederaufladbarer Batterien, die in Personalcomputern
und anderen elektronischen Geräten
verwendet werden.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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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.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Bevorzugte Ausführungsform 1)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Statt
des EEPROM 33 können
ein Flash-Speicher oder andere Speicher verwendet werden, die in
der Lage sind, den Ladezustand festzuhalten.
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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.
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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.
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(Bevorzugte Ausführungsform 2)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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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.