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Die
Erfindung betrifft einen Batteriezellensatz vom Typ mit mehreren
seriengeschalteten Zellen, der aufweist: mehrere in Serie geschaltete
Batteriezellen, einen zwischen die mehreren Batteriezellen und einen
Ausgangsanschluß geschalteten
Lade-/Entlade-Steuerschalter zur Durchführung einer Lade-/Entlade-Steuerung,
mehrere Schutzschaltungen zur Erfassung zumindest der Spannung jeder Batteriezelle
und eine Steuerschaltung für
die Kommunikation mit einer Rechenschaltung zur Berechnung von Satznachweissignalen,
die jedes Nachweissignal von den mehreren Schutzschaltungen und
externen Geräten
einschließen,
wodurch die Verwaltung und Steuerung der Signale in dem Satz einschließlich der
Nachweissignale ausgeführt
wird. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Ladegerät, das Gebrauch
von einer Batteriezellensatzfunktion macht, um einen Batteriezellensatz
aufzuladen, der eine Nachweisschaltung zur Erfassung zumindest der
Spannungen und Ladeströme
der mehreren Batteriezellen sowie eine Steuerschaltung aufweist,
die eine Funktion zur Kommunikation mit externen Geräten und
zur Umwandlung der Erfassungssignale in digitale Daten für Verwaltungs-
und Steuerungszwecke aufweist.
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Bisher
sind tragbare elektronische Geräte wie
z. B. Mobiltelefone, Notebook-Computer, Player und Digitalkameras
unter Verwendung eines Batteriezellensatzes als Stromquelle betrieben
worden, der mehrere seriengeschaltete wiederaufladbare Batteriezellen
enthielt, zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen. Für diese
Geräte,
die keine extrem hohen Quellenspannungen benötigen, genügt ein seriengeschalteter Batteriezellensatz
mit höchstens
vier Batteriezellen. Wenn jedoch ein solcher Batteriezellensatz
zur Verwendung beispielsweise als Stromquelle für elektrisch unterstützte Fahrräder vorgesehen
ist, die sich jetzt zunehmender Beliebtheit erfreuen, wird ein seriengeschalteter
Batteriezellensatz benötigt,
der mindestens 7 Batteriezellen aufweist, da die Spannung des Satzes
von vier Batteriezellen inakzeptabel niedrig ist.
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1 zeigt
ein Schaltbild, das einen Batteriezellensatz nach dem Stand der
Technik darstellt, und zeigt, wie die Ladesteuerung mit einem Ladegerät durchzuführen ist.
Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Batteriezellensatz, 11 bezeichnet
Zellen, 12 einen Lade-/Entlade-Steuerschalter, 13 eine Schutzschaltung, 20 ein
Ladegerät, 21,
eine Ladeeinheit, 22 eine Ladenachweiseinheit, 23 eine
Ladestromquelle, und Ri und Rl bezeichnen Stromnachweiswiderstände.
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Nachstehend
wird der herkömmliche
Batteriezellensatz kurz erläutert,
und wie die Ladesteuerung mit einem Ladegerät durchzuführen ist. Außer den
Zellen 11 ist in dem Batteriezellensatz 10 gewöhnlich ein
Lade-/Entlade-Steuerschalter 12 enthalten, der zwischen
Eingangs-/Ausgangs-Anschlüssen,
dem Stromnachweiswiderstand Ri für
den Nachweis von Entladeströmen
und der Schutzschaltung 13 für den Nachweis von Zellenspannungen
und Entladeströmen
in Serie geschaltet ist, wodurch die Batteriezellen gegen übermäßige Aufladung
und übermäßige Entladung
geschützt
werden, wie in 1 dargestellt. Das mit dem Batteriezellensatz 10 verbundene
Ladegerät 20 zum
Aufladen der Zellen 11 ist mit dem Stromnachweiswiderstand
R1 zum Nachweis von Ladeströmen
für den
Batteriezellensatz 10, der Ladenachweiseinheit 22 zum
Nachweis der Ladespannung und des Ladestroms des Batteriezellensatzes 10 und
der Ladeeinheit 21 ausgestattet, um die Steuerung der Ladespannung
und des Ladestroms auszuführen,
der von der Ladestromquelle 23 dem Batteriezellensatz 10 zugeführt wird,
und um auf der Basis der Ladespannung und des Ladestroms, die durch
die Ladenachweiseinheit 22 erfaßt werden, den Stopzeitpunkt
des Ladevorgangs zu steuern.
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Wie
oben erläutert,
sind in dem Batteriezellensatz 10 der Lade-/Entlade-Steuerschalter 12,
der zwischen den Zellen 11 und den Eingangs-/Ausgangs-Anschlüssen in
Serie geschaltet ist und einen Ladesteuerungs-FET sowie einen Entladesteuerungs-FET
aufweist, und die Schutzschaltung 13 zur Steuerung eines
Steuerungsmikrocomputers für
die Kommunikation nach außen
vorgesehen, um den Batteriezellensatz zu verwalten und zu steuern
und die Spannungen und Ströme
der Zellen zur Steuerung des Ladesteuerungs-FET und des Entladesteuerungs-FET
zu erfassen. Für
diese Schutzschaltung sind jedoch nur Niederspannungs- oder Mittelspannungs-Schutz-ICs
im Handel erhältlich,
die mit Batteriezellensätzen
mit höchstens
vier Zellen kompatibel sind, da der für herkömmliche Batteriezellensätze wie
den Batteriezellensatz 10 festgelegte Standardtyp noch
aus bis zu vier seriengeschalteten Zellen besteht.
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In
neuen Anwendungen, wo Batteriezellensätze benötigt werden, deren Spannung
höher ist
als je zuvor, wie dies bei Stromquellen für die oben erwähnten elektrisch
unterstützten
Fahrräder
der Fall ist, müssen
die Nieder- oder Mittelspannungs-Schutz-ICs zu einer "Schutz-IC-Einheit" zusammengeschaltet
werden. Andererseits besteht ein Problem bei dem Steuerungsmikrocomputer
darin, daß bei
der Verarbeitung von Signalen von den entsprechenden Nieder- oder
Mittelspannungs-Schutz-Ics
gewisse Unannehmlichkeiten bei Berechnungen oder Kommunikationsvorgängen verursacht
werden, wenn die Verarbeitungspegel nicht den unterschiedlichen
Spannungsbezugswerten der Nieder- oder Mittelspannungs-Schutz-ICs
entsprechen.
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Bei
derartigen Anwendungen, wo mehrere Nieder- oder Mittelspannungs-Schutz-ICs
verwendet werden, nehmen die internen Stromverbrauchswerte zu. Dies
führt wiederum
zu einem anderen Problem, daß die
Lagerfähigkeit
des Satzes erheblich schlechter wird oder bestimmte Zellensätze beim
Stehenlassen anfällig
für übermäßige Entladung
sind.
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Für ein Ladegerät zum Laden
eines Batteriezellensatzes ist andererseits in Anbetracht der Ladegenauigkeit
sowie der Einschätzung
des Güteminderungsgrades
des Batteriezellensatzes ein genaues Verständnis der Ladespannung und
des Ladestroms ein wichtiger Faktor. Für ein herkömmliches Ladegerät muß daher
ein Präzisions-A/D-Umsetzer
oder dergleichen an einer Ladeeinheit zum Nachweis von Ladeströmen eingesetzt
werden, wodurch eine komplizierte, große, kostenaufwendige Schaltung
entsteht. Besonders im Fall eines solchen Typs mit mehreren seriengeschalteten
Zellen wie des oben erwähnten
ist das Verständnis
des Güteminderungsgrades
jeder Zelle in dem Batterie zellensatz wichtig; beim herkömmlichen
Ladegerät
ist es jedoch unmöglich,
den Güteminderungsgrad
jeder Zelle zu verfolgen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei Verwendung
von mehreren, miteinander verbundenen Nachweis- und Schutzschaltungen eine leicht durchführbare Pegelumsetzungsverarbeitung
zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Verminderung des Eigenverbrauchs in einem Batteriezellensatz im
Verlauf eines langen Zeitraums zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung besteht darin, über ein Ladegerät ein genaues Verständnis des
Ladegrads jeder Zelle in einem Batteriezellensatz zu ermöglichen
und das Ladegerät hinsichtlich
der Bedienungsfreundlichkeit, der Größe und der Zuverlässigkeit
zu verbessern.
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Diese
Aufgaben sind durch die Merkmale der Ansprüche lösbar.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind zum Teil offensichtlich
und zum Teil aus der Patentbeschreibung ersichtlich.
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Dementsprechend
weist die Erfindung die Konstruktionsmerkmale, Elementkombinationen
und Teileanordnungen auf, die in der nachstehend dargestellten Konstruktion
veranschaulicht werden, und der Umfang der Erfindung wird in den
Ansprüchen angegeben.
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Nachstehend
werden einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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1 veranschaulicht
einen herkömmlichen Batteriezellensatz
und die Steuerung des Ladevorgangs mit einem herkömmlichen
Ladegerät.
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2 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Batteriezellensatzes mit
mehreren seriengeschalteten Zellen.
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3 veranschaulicht
eine konkrete Konstruktion der Pegelumsetzungsschaltung in dem erfindungsgemäßen Batteriezellensatz
mit mehreren seriengeschalteten Zellen.
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4 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des Ladegeräts
mit Anwendung der erfindungsgemäßen Batteriezellensatzfunktion.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Batteriezellensatzes
mit mehreren seriengeschalteten Zellen dargestellt, wobei die Bezugszeichen 1 eine
Batterie, 2 einen Lade-/Entlade-Steuerschalter, 3-1 eine
Nachweisschaltung, 3-2 eine Nachweisschaltung, 4 eine
Pegelumsetzungsschaltung und 5 einen Steuerungsmikrocomputer
bezeichnen.
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In 2 ist
die Batterie 1 eine Baugruppe von beispielsweise sieben
Batteriezellen, die in Serie geschaltet sind, um die gewünschte Spannung
zu erzeugen, und der Lade-/Entlade-Steuerschalter 2 ist zur
Durchführung
der Lade-/Entlade-Steuerung in Serie zwischen die Batterie 1 und
einen Ausgangsanschluß geschaltet.
Die Nachweisschaltung 3-1 ist mit Zellen in der ersten
bis vierten Stufe der Batterie 1 parallelgeschaltet, um
die Spannungen der Zellen zu erfassen, und die Nachweisschaltung 3-2 ist
eine kombinierte Nachweis- und Schutzeinrichtung, zum Beispiel mit
Verwendung eines im Handel erhältlichen
Schutz-IC, wobei die Einrichtung mit drei Zellen in der fünften bis
siebenten Stufe parallelgeschaltet ist, um die Spannungen der Zellen
zu erfassen und den Ein-Aus-Betrieb des Lade-/Entlade-Steuerschalters 2 durchzuführen. Die
Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 werden durch den
Steuerungsmikrocomputer 5 gesteuert und verwaltet und dienen
dazu, die Zellenspannungen und Entladeströme auf Abruf vom Steuerungsmikrocomputer 5 als
analoge Nachweissignale (Aout) zu übermitteln. In der vorliegenden
Offenbarung werden "Schaltung", "Einrichtung" und "IC" als äquivalente
Begriffe angesehen.
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Während die
Nachweisschaltung 3-2 mit der oberen Stufe der Nachweisschaltung 3-1 verbunden ist,
führt die
Pegelumsetzungsschaltung 4 eine Pegelumsetzung durch, um
Spannungsbezugswerte für Nachweisdaten
(Aout) von der Nachweisschaltung 3-1 zu vereinheitlichen,
die zum Steuerungsmikrocomputer 5 übertragen werden. Wenn die
Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2, die jeweils einen
Nieder- oder Mittelspannungs-Schutz-IC aufweisen, im dargestellten
zusammengeschalteten Zustand für
den Hochspannungsschutz verwendet werden, ist die Durchführung der Pegelumsetzungsverarbeitung
in der Pegelumsetzungsschaltung 4 vorzuziehen, da es möglich ist,
die Spannungsbezugswerte zum Zweck der Durchführung der Berechnung und Kommunikation
ohne Rücksicht
auf die Steuerung zu vereinheitlichen.
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Der
Steuerungsmikrocomputer 5 ist eine Recheneinrichtung zur
Kommunikation mit externen Geräten über Steuersignale
und Daten, Steuerung der Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 und
der Pegelumsetzungsschaltung 4 mittels einer digitalen
Steuerleitung und zur sukzessiven Erfassung analoger Nachweissignale
von den Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2, wodurch
Satznachweissignale einschließlich
dieser Nachweissignale berechnet werden.
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Auf
der Basis der Berechnung von Steuerbefehlen von externen Geräten und
von Satznachweissignalen sendet der Steuerungsmikrocomputer 5 ein Ein/Aus-Steuersignal
für den
Lade-/Entlade-Steuerschalter 2 zur
Nachweisschaltung 3-2. Als Reaktion darauf steuert die
Nachweisschaltung 3-2 den Ein-Aus-Betrieb des Lade-/Entlade-Steuerschalters 2.
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Ferner
verwaltet der Steuerungsmikrocomputer 5 als Einzeleinheit
mehrere Schaltungen (Geräte-ICs)
in dem Satz, wie z. B. die Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2,
und die Pegelumsetzungsschaltung 4, so daß diese,
wenn sie nicht in Gebrauch oder nicht in Betrieb sind, auf eine
Betriebsart umgeschaltet werden können, wo der Stromverbrauch
minimiert wird. Dies ermöglicht
dann wieder eine Verminderung des Stromverbrauchs auf den notwendigen
Mindestwert, um dadurch eine tiefe Entladung zu verhindern, während Batteriezellensätze nicht
in Gebrauch sind oder von Herstellern vorrätig gehalten oder von Anwendern
als Ersatzteile gelagert werden. Auf der Basis von Steuerbefehlen
von externen Geräten
oder der Berechnung von Satznachweissignalen sendet außerdem der
Steuerungsmikrocomputer 5 Ein/Aus-Steuersignale für den Lade-/Entlade-Steuerschalter 2 zur
Nachweisschaltung 3-2. Als Reaktion darauf steuert die
Nachweisschaltung 3-2 der Ein/Aus-Betrieb des Lade-/Entlade-Steuerschalters 2.
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Wenn
durch Nachweisschaltungen und Geräte Informationen über herkömmlich zusammengeschaltete
Batteriezellen erfaßt
werden, dann werden gemäß der vorliegenden
Erfindung Nachweis schaltungen und Geräte, die der nachweisbaren Anzahl von
seriengeschalteten Batteriezellen entsprechen, verbunden und zusammen
eingesetzt, um Informationen über
die Geräte,
einschließlich
der Nachweissignale für
die Spannungen der seriengeschalteten Zellen in den Satzspannungsbezugswert
umzuwandeln, so daß diese
Informationen durch ein Verarbeitungsgerät stapelverarbeitet werden
können.
Daher kann als Verarbeitungsgerät
ein Mikrocomputer verwendet werden, der in Abhängigkeit von den konkreten
Bedingungen des Anwenders gebaut werden und für die Batteriezellen und Batteriesatz-Produkte
spezifische Einstellungen und Steuervorgänge ausführen kann. Selbst wenn der
Eigenverbrauch in dem Satz in Abhängigkeit von der Spannung mit
steigender Anzahl der darin eingebauten Schaltungen und Geräte ansteigt,
ist es daher möglich,
in Abhängigkeit von
den Einsatzbedingungen des Satzes nur die notwendigen Schaltungen
und Geräte
auszuwählen
und die Operationen der Schaltungen und Geräte so festzulegen, daß die Operationen
und Stromverbrauchswerte dadurch auf das notwendige Mindestniveau
reduziert werden können.
Zum Beispiel kann der Satz unbeschädigt über einen längeren Zeitraum so gelagert
werden, daß Ausfälle durch
tiefe Entladung (Güteminderung)
während
der Lagerung minimiert werden können.
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Nachstehend
wird eine konkrete Konstruktion der Pegelumsetzungsschaltung des
erfindungsgemäßen Batteriezellensatzes
mit mehreren seriengeschalteten Zellen erläutert. 3 veranschaulicht die
konkrete Konstruktion des erfindungsgemäßen Batteriezellensatzes mit
mehreren seriengeschalteten Zellen. Das Bezugszeichen 4-1 bezeichnet
einen Operationsverstärker,
Q1, Q2, Q3 und Q4 bezeichnen Steuertransistoren, R1 bis R8 und R11
bis R14 bezeichnen Widerstände,
und CN bezeichnet eine Digitalsignalleitung.
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In 3 weisen
die Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 jeweils einen ähnlichen
Schutz-IC auf wie in 2 dargestellt (zum Beispiel
IC: M61040FP, hergestellt von Mitsubishi Electric Corporation).
Vreg bezeichnet einen Regelungsstromanschluß, D1, CK und CS sind Eingangsanschlüsse für digitale
Steuersignale CN und CN',
und Aout ist ein Ausgangsanschluß für ein analoges Nachweissignal.
Ein Steuerungsmikrocomputer 5 weist einen ähnlichen
Steuerungs-IC auf wie in dem Steuerungsmikrocomputer von 2 (z.
B. IC: M38503MXH, hergestellt von Mitsubishi Electric Corporation),
und Vcc stellt einen Vorspannungsanschluß dar, P0 2/Sclk, P0 1/Sout und
P0 0/Sin bezeichnen Ausgangsanschlüsse für digitale Steuersignale, P3
1/AN und P3 2/AN bedeuten Eingangsanschlüsse für analoge Nachweissignale,
und P0 6 bezeichnet einen Steuerungsanschluß für eine Pegelumsetzungsschaltung.
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Eine
Pegelumsetzungsschaltung 4 besteht aus einem Operationsverstärker 4-1 (z.
B. IC: uPC1251G2, hergestellt von NEC), Steuertransistoren Q1 und
Q2 und Widerständen
R1 bis R8 und vereinheitlicht Spannungsbezugswerte (GND = Masse) analoger
Nachweissignale, die von dem Ausgangsanschluß Aout der Nachweisschaltung 3-1 und
von dem Ausgangsanschluß Aout
der Nachweisschaltung 3-2 zum Steuerungsmikrocomputer 5 ausgesandt
werden.
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Der
Operationsverstärker 4-1 berechnet analoge
Nachweissignale, die von dem Ausgangsanschluß Aout der Nachweisschaltung 3-2 ausgesandt werden,
bezogen auf die Spannung eines Vergleichsanschlusses (GND), und
führt eine
Pegelumsetzung so aus, daß in
den Eingangsanschluß P3 2/AN
des Steuerungscomputers 5 eingegebene analoge Nachweissignale
auf den gleichen Spannungsbezugspegel (GND) bezogen sind wie analoge
Nachweissignale, die in den Eingangsanschluß P3 1/AN des Steuerungsmikrocomputers 5 eingegeben
werden.
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Die
Steuertransistoren Q1 und Q2 sollen den Betrieb der Pegelumsetzungsschaltung 4 steuern. Der
Ein-Aus-Betrieb des Steuertransistors Q2 wird durch den Steuerungsmikrocomputer 5 so
gesteuert, daß der
Steuertransistor Q1 ein- oder ausgeschaltet wird. Um den Energieverbrauch
in dem Batteriezellensatz so weit wie möglich zu reduzieren, wird die Pegelumsetzungsschaltung 4 nur
bei Bedarf in Betrieb genommen, so daß während anderer Zeitspannen der
Steuertransistor Q1 ausgeschaltet bleibt, um nutzlosen Energieverbrauch
zu reduzieren.
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Hinsichtlich
der Energiesparssteuerung und der Steuerung der Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 durch
den Steuerungsmikrocomputer 5 sendet der Steuerungsmikrocomputer 5 die
digitalen Steuersignale CN von seinen Ausgangsanschlüssen P0 2/Sclk,
P0 1/Sout und P0 0/Sin aus, um bestimmte Informationen und Betriebsbedingungen
festzulegen, so daß die
Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 gesteuert werden,
um selektiv Nachweissignale zu senden und den Ein-Aus-Betrieb des
Lade-/Entlade-Steuerschalters
auszuführen,
wie bereits erläutert.
Durch Ausführung
der Ein/Aus-Steuerung des Steuertransistors Q2 in der Pegelumsetzungsschaltung 4 mit Hilfe
des Ausgangsanschlusses P0 6 wird der Ein-Aus-Betrieb des Steuertransistors
Q1 gesteuert, um den Betrieb der Pegelumsetzungsschaltung 4 zu steuern.
Diese Steuereinrichtungen ermöglichen, den
Batteriezellensatz in einen Zustand mit minimalem Stromverbrauch
(Stromsparmodus) zu versetzen, wobei zum Beispiel die Stromquellen
in den Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 ausgeschaltet bleiben
und der Steuertransistor 4 in der Pegelumsetzungsschaltung 4 gesperrt
wird, so daß der
notwendige Minimalbetrieb mit dem notwendigen Minimalstrom durchführbar ist.
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Die
Nachweisschaltung 3-1 liegt an der untersten Stufe; die
digitalen Steuersignale CN werden direkt in die Eingangsanschlüsse D1,
DK und CS eingegeben, so daß die
am Ausgangsanschluß Aout
auf Abruf erfaßten
Zellenspannungen in Form von analogen Nachweissignalen ausgesandt
werden. Andererseits ist die Nachweisschaltung 3-2 mit
der oberen Stufe des Nachweissignals 3-1 verbunden; digitale Steuersignale
CN' werden über eine
aus Steuertransistoren Q11-Q12 und Widerständen R11-R12 bestehende Signalumsetzungsschaltung
in die Eingangsanschlüsse
D1, CK und CS eingegeben, so daß die auf
Abruf am Ausgangsanschluß Aout
erfaßten
Zellenspannungen gleichfalls in Form von analogen Nachweissignalen
ausgesandt werden.
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Hier
ist zu bemerken, daß zwischen
dem Ausgangsanschluß P0
2/Sclk des Steuerungsmikrocomputers 5 und dem Eingangsanschluß D1 der Nachweisschaltung 3-2 nur
eine Signalumsetzungsschaltung dargestellt ist, die aus Steuertransistoren Q11-Q12
und Widerständen
R11-R12 aufgebaut ist. Obwohl nicht dargestellt, sind zwischen dem
Ausgangsanschluß P0
1/Sout des Steuerungsmikrocomputers 5 und dem Eingangsanschluß CK der
Nachweisschaltung 3-2 und zwischen dem Ausgangsanschluß P 1/Sin
des Mikrocomputers 5 und dem Eingangsanschluß CS der
Nachweisschaltung 3-2 ähnliche
Schaltungen zwischengeschaltet.
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4 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des Ladegeräts,
die von der erfindungsgemäßen Batteriezellensatzfunktion
Gebrauch macht. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Ladeeinheit, 8 eine Ladesteuereinheit,
A einen Batteriezellensatz, B ein Ladegerät, Ri einen Stromnachweiswiderstand
und Th einen Thermistor.
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In 4 weist
das Ladegerät
B auf: die Ladesteuereinheit 8, die in Verbindung mit dem
Batteriezellensatz A steht, um Nachweisdaten wie z. B. die Spannungen,
Ladeströme,
Temperaturen usw. der Batteriezellen im Batteriezellensatz A zu
erfassen und dadurch die Ladespannung zu berechnen, die gleich der
Summe der Zellenspannungen ist, den Ladezustand der Zellen einzuschätzen und
andere vorgegebene Berechnungen auszuführen, und die Ladeeinheit 7,
die auf der Basis der Berechnungsergebnisse in der Ladesteuereinheit 8 die
Steuerung der Ladespannung und des Ladestroms ausführt, der von
einer Ladestromquelle dem Batteriezellensatz A zugeführt wird,
sowie den Stopzeitpunkt des Ladevorgangs steuert.
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Dementsprechend
enthält
das Ladegerät
B keine Schaltungen wie z. B. einen Stromnachweiswiderstand zur
direkten Erfassung von Ladespannung und -strömen und keinen A/D-Umsetzer.
Mit anderen Worten, das Ladegerät
B ist zur Erfassung von Daten vorgesehen, die in dem Batteriezellensatz
zum Schutz gegen Überladen, Überladen
und Überhitzen erfaßt und übermittelt
werden, so daß die
Daten verarbeitet werden, um Informationen zu erhalten, die für die Ladesteuerung
verwendet werden.
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Der
Batteriezellensatz A ist ein Batteriezellensatz, wie er anhand der 2 und 3 erläutert wurde.
In diesem Batteriezellensatz sind ein Lade-/Entlade-Steuerschalter 2,
Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2, ein Steuerungsmikrocomputer 5 usw. enthalten.
Die Nachweisschaltung 3-1 ist mit Zellen in den ersten
bis vierten Stufen einer Batterie 1 parallelgeschaltet,
um die Spannungen der Zellen zu erfassen, und um Lade-/Entladeströme aus einer
an einem Stromnachweiswiderstand Ri anliegenden Spannung zu erfassen.
Der Steuerungsmikrocomputer 5 kommuniziert über Steuersignale
und -daten mit externen Geräten,
um die Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 über eine
digitale Steuerleitung so zu steuern, daß analoge Nachweissigna le nacheinander
von den Nachweisschaltungen 3-1 und 3-2 erfaßt und Satznachweissignale,
welche diese Nachweissignale und Temperaturnachweissignale einschließen, in
digitale Nachweissignale für
Berechnungen umgewandelt werden. Der Thermistor Th ist zur Erfassung
von Temperaturen in der Nähe
der Batterie 1 angeordnet.
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In
dem Batteriezellensatz werden Informationen über Spannung, Strom, Temperatur
usw. verwendet, um den Lade-/Entlade-Steuerschalter zu Schutzzwecken
zu steuern. Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden diese Daten jedoch von der Ladegerätseite durch Kommunikation
erfaßt,
wodurch auf herkömmliche,
in das Ladegerät
eingebaute Präzisions-A/D-Umsetzer,
Spannungs-/Strom-Nachweisschaltungen usw. verzichtet werden kann.
Außerdem können individuelle
Nachweisdaten über
den Batteriezellensatz als solche verwendet werden; der Güteminderungsgrad
der Zellen und Veränderungen
dieses Grades können
so eingeschätzt
werden, daß die Ladesteuerung
mit höherer
Genauigkeit ausgeführt werden
kann, als dies bisher durch Erfassung der Ladespannung und des Ladestroms
auf der Ladegerätseite
erzielt wurde. Kurz gesagt, in Abhängigkeit vom Güteminderungsgrad
der einzelnen Zellen und von Veränderungen
dieses Grades, die an einem herkömmlichen
Ladegerät
nicht kontrolliert werden können,
können
die Ladespannung und der Ladestrom gesteuert werden, um zu beurteilen,
ob Volladung erreicht wird oder nicht.
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Hierbei
versteht es sich, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist
und daher verschiedene Modifikationen hergestellt werden können, ohne
von dem hierin offenbarten Umfang abzuweichen. Zum Beispiel sind
zwar die oben erwähnten
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf eine Anordnung beschrieben worden, in der zwei
Nachweisschaltungen (Bauelemente) miteinander verbunden werden,
aber es ist klar, daß sie
ebenso auf Anordnungen anwendbar sind, in denen drei oder mehr Nachweisschaltungen
miteinander verbunden werden.
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Die
Nachweis- und Schutzschaltungen sind zwar unter Bezugnahme auf eine
seriengeschaltete Vier-Zellen-Anordnung beschrieben worden, aber man
erkennt, daß die
vorliegende Erfin dung auf jede gewünschte Anzahl von seriengeschalteten
Zellen anwendbar ist. In der Nachweisschaltung der niedrigsten Stufe
ist es akzeptierbar, die Lade-/Entlade-Ströme aus einer an dem Stromnachweiswiderstand
anliegenden Spannung zu erfassen, der in Serie mit den Batteriezellen
geschaltet ist. Außerdem
ist akzeptierbar, daß der
Steuerungsmikrocomputer ausschließlich für die Durchführung der
Berechnung von Zellenspannungen und Lade-/Entlade-Strömen ausgelegt
ist, die von den entsprechenden Nachweisschaltungen erfaßt werden,
aber auch für
die Durchführung
der Berechnung von Temperaturen, die durch einen in dem Satz angeordneten
Thermistor erfaßt
werden.
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In
dem erfindungsgemäßen Batteriezellensatz
wird der Ein-Rus-Betrieb des Lade-/Entlade-Steuerschalters durch
die Nachweisschaltung der oberen Stufe auf der Basis der Steuersignale
vom Steuerungsmikrocomputer ausgeführt. Eine direkte Durchführung des
Ein-Aus-Betriebs des Lade-/Entlade-Steuerschalters vom Steuerungsmikrocomputer aus
ist jedoch akzeptierbar.
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Wie
aus dem Vorstehenden ersichtlich, bietet die vorliegende Erfindung
einen Batteriezellensatz mit mehreren seriengeschalteten Zellen,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Satz aufweist: mehrere seriengeschaltete Batteriezellen, einen zwischen
die mehreren seriengeschalteten Batteriezellen und einen Ausgangsanschluß geschalteten
Lade-/Entlade-Steuerschalter zur Durchführung der Lade-/Entlade-Steuerung,
mehrere Schutzschaltungen zur Unterteilung der mehreren Batteriezellen
in mehrere Blöcke,
um zumindest die Spannung jeder Batteriezelle zu erfassen, eine
Rechenschaltung zur Berechnung von Satznachweissignalen einschließlich der
Nachweissignale der mehreren Schutzschaltungen und eine Pegelumsetzungsschaltung
zur Vereinheitlichung von Spannungsbezugswerten der Nachweissignale
zwischen den mehreren Schutzschaltungen und der Rechenschaltung,
wobei die mehreren Schutzschaltungen in mehreren Stufen mit den
Batteriezellen parallelgeschaltet sind. Daher ist es möglich, die
Spannungsbezugswerte zu vereinheitlichen, während die Berechnung und die
Kommunikation unabhängig
von der Steuerung ausgeführt
werden. Dann kann unter Verwendung eines Geräts, das imstande ist, die Verarbeitung
und Verwaltung anwen derspezifisch auszuführen, zum Beispiel eines Mikrocomputers,
der Batteriezellensatz auf einheitliche Weise verwaltet werden und
daher die Verwaltung batteriespezifisch und nach Betriebskriterien
festgelegt werden, die für
Batterieerzeugnisse typisch sind, die dem Anwender zur Verfügung stehen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung unterliegt die Anzahl der seriengeschalteten Zellen grundsätzlich keiner
Beschränkung;
das heißt,
mit Hilfe einer einzigen Verarbeitungseinrichtung (z. B. eines Mikrocomputers)
kann eine unbegrenzte Anzahl von seriengeschalteten Zellen gesteuert
und verwaltet werden. Aufgrund von Daten usw., die in die Nachweis-
und Schutzschaltungen eingegeben werden, können Spannungsdurchschläge von Bauelementen minimiert
werden, da Nachweis und Verarbeitung innerhalb des Spannungsbereichs
des Bauelements durchgeführt
werden können.
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Ferner
bietet die vorliegende Erfindung einen Batteriezellensatz mit mehreren
seriengeschalteten Zellen, der aufweist: mehrere seriengeschaltete Batteriezellen,
einen zwischen die mehreren Batteriezellen und einen Ausgangsanschluß geschalteten Lade-/Entlade-Steuerschalter
zur Durchführung
der Lade-/Entlade-Steuerung, eine Schutzschaltung zur Erfassung
zumindest der Spannung jeder der mehreren Batteriezellen und eine
Steuerschaltung für
die Kommunikation mit externen Geräten zur Verwaltung und Steuerung
von Signalen in dem Satz, einschließlich der Nachweissignale,
wobei die Steuerschaltung eine Schaltfunktion aufweist, um zwischen
einer Betriebsart, in welcher der Stromverbrauch in dem Satz minimiert
wird, und einer normalen Betriebsart umzuschalten. Auf diese Weise
kann der Batteriezellensatz in die Betriebsart mit minimalem Stromverbrauch
umgeschaltet werden, wenn er nicht in Gebrauch ist, so daß die Ausfallrate
nach Langzeitlagerung reduziert werden kann.
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In
dem erfindungsgemäßen Batteriezellensatz
weist die oben erwähnte
Schutzschaltung mehrere Schutzschaltungen auf, um die mehreren Batterien
in mehrere Blöcke
zu unterteilen und zumindest die Spannungen der entsprechenden Batteriezellen zu
erfassen, und zwischen der Schutzschaltung und der Steuerschaltung
ist eine Pegelumsetzungsschaltung angeordnet, um die Spannungsbezugswerte von
Nachweissignalen zu vereinheitlichen, wobei die mehreren Schutzschaltungen
auf mehrstufige Weise mit den Batteriezellen parallelgeschaltet
sind. Auf diese Weise ist es möglich,
mehrere Schaltungen und Bauelemente unter Verwendung eines Mikrocomputers
auf einheitliche Weise zu verwalten, wodurch eine anwenderspezifische
Steuerung und Verwaltung ermöglicht
wird, und daher für
die Umschaltung auf die Betriebsart mit minimalem Stromverbrauch
(Stromsparmodus) freizugeben, die bisher nach einem Spannungsabfall
ausgeführt
wurde. Dadurch kann wiederum die Tiefentladungszeit der von Herstellern
vorrätig
gehaltenen oder von Anwendern als Ersatzteile gelagerten Batteriezellensätze so weit verlängert werden,
daß die
Ausfallrate nach Langzeitlagerung reduziert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung bietet außerdem ein
Ladegerät,
das von einer Batteriezellensatzfunktion zum Aufladen eines Batteriezellensatzes
Gebrauch macht, in dem mehrere seriengeschaltete Batteriezellen,
eine Nachweisschaltung, um zumindest die Spannungen und Ladeströme der mehreren Batteriezellen
zu erfassen, und eine Steuerschaltung enthalten sind, die eine mit
externen Geräten
kommunikationsfähige
Kommunikationsfunktion aufweist und zur Verwaltung und Steuerung
von Nachweissignalen dient, wobei die Funktion eine Ladeeinheit
zum Laden des Batteriezellensatzes aus einer Ladestromquelle und
eine Ladesteuereinrichtung zur Kommunikation mit der Steuerschaltung
in dem Batteriezellensatz aufweist, um die Nachweissignale zu erfassen
und zu berechnen und dadurch die Ladeeinheit zu steuern. Daher kann
auf Schaltungen wie z. B. Schaltungen zum Nachweis von Ladespannungen und
-strömen
und A/D-Umsetzer verzichtet werden, die bisher in ein Ladegerät eingebaut
worden sind.
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Für das erfindungsgemäße Ladegerät wird nur
eine Minimalfunktion als spezielles Ladegerät benötigt, und daher kann die Schaltung
bei erhöhter
Zuverlässigkeit
vereinfacht und verkleinert werden. Durch Verarbeitung von Informationen,
die über
die einzelnen Zellen in dem Batteriezellensatz erfaßt werden,
kann man außerdem
zu einem präziseren Verständnis des
Ladezustands des Satzes gelangen und daher ein preisgünstiges und
dennoch sehr funktionstüchtiges
Ladegerät
erzielen, das den Ladevorgang in Abhängigkeit vom Ladezustand durchführen kann.
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Für einen
herkömmlichen
Standard-Batteriezellensatz mit bis zu vier seriengeschalteten Batteriezellen
sind im Handel nur Nieder- oder Mittelspannungs-Schutz-ICs für bis zu
vier Serienschaltungen angeboten worden. In neuen Anwendungen, wo
Batteriezellensätze
mit höheren
Spannungen als je zuvor benötigt
werden, wie im Fall einer Stromquelle, die bei dem oben erwähnten elektrisch
unterstützten Fahrrad
eingesetzt wird, müssen
derartige Schutz-Ics in einer Vierer-Serienschaltungseinheit zusammengeschaltet
werden. Sogar für
einen derartigen Batteriezellensatz kann die vorliegende Erfindung
ein Spezialladegerät
mit Minimalfunktion und hoher Zuverlässigkeit bereitstellen, da
es von Informationen über
die einzelnen Zellen in dem Satz unmittelbaren Gebrauch machen kann.