DE69023223T2

DE69023223T2 - Batteriesystem.

Info

Publication number: DE69023223T2
Application number: DE69023223T
Authority: DE
Inventors: Thomas J Sokira
Original assignee: Anton Bauer Inc
Current assignee: Anton Bauer Inc
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-16
Also published as: CA2016528A1; JPH03285188A; JPH0679058B2; EP0448767B1; GR930300076T1; ATE129576T1; US5057383A; EP0448767A1; DE448767T1; CA2016528C; DE69023223D1; ES2041625T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Batteriesysteme im allgemeinen und im besonderen Batteriesysteme des Typs, der einen Batteriepack mit einem Satz wiederaufladbarer Batterien und elektronische Schaltkreise zur Überwachung von Batterieparametern umfaßt.
Ein Batteriesystem, das einen Batteriepack mit einem Mikroprozessor umfaßt, wird in dem U.S. Patent Nr. 4,289,836 an Lemelson offenbart. Der Mikroprozessor überwacht Batterieparameter, z.B. den Ladezustand der Batterie, die Anzahl der Ladezyklen, die Batterietemperatur und den Batteriedruck. Der Mikroprozessor kann ferner benutzt werden, um eine Anzeige für die Batterieparameter zu steuern. Der Batteriepack ist zu Wiederaufladungszwecken mit einer einfachen Stromversorgung verbunden.
Ein anderes Batteriesystem, das einen Batteriepack mit einem Mikroprozessor umfaßt, wird in dem U.S. Patent Nr. 4.553,081 an Koenck offenbart. Der Mikroprozessor überwacht den Betrieb der Batterie, um die verbliebene Batteriekapazität zu bestimmen, und zählt die Anzahl von flachen Entladungen und aufeinanderfolgenden Wiederaufladezyklen, um die Verschlechterung der Batterie zu schätzen. Schaltkrelse innerhalb des Batteriepacks bewirken gelegentlich eine Entladung der Batterie, um die augenblickliche Batteriekapazität zu bestimmen. Der Mikroprozessor und die anderen Schaltkreise benötigen wenig Betriebsstrom, so daß die Lagerfähigkeit des Batteriepacks lang ist. Der Mikroprozessor ist ferner mit einer Anzeige verbunden, um die Batteriekapazität und andere von der Batterie erhaltene Information anzuzeigen. Der Batteriepack enthält außerdem verschiedene E/A-Anschlüsse, um mit einem tragbaren Computerterminal und einem Batterie-Ladegerät in Verbindung zu treten.
Das U.S. Patent 4,455,523 von Koenck betrifft ein Batterie-Überwachungssystem, dessen Prozessor über einen einzigen "Niedrigstrom-Bereitschafts-"Schlaf"-Modus mit Selbstaufwecken" verfügt. Der den Prozessorschaltkreisen zugeführte Strom ist kontinuierlich und wird nicht von einem getrennten Stromschalter gesteuert.

ZUSMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, ein neues und verbessertes Batteriesystem zur Verfügung zu stellen, um den Stromverbrauch durch elektronische Schaltungen zu minimieren.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Batteriesystem zur Verwendung mit einem batteriebetriebenen Gerät zur Verfügung zu stellen, wobei das System umfaßt:
a) einen Batteriepack, wobei der Batteriepack enthält:
i) eine Mehrzahl von Batteriezellen;
ii) einen positiven und einen negativen Anschluß, die mit den Batteriezellen in Reihe geschaltet sind, wobei der positive Anschluß adaptiert ist, um einen Ausgangsstrom an eine Last zu liefern und einen Eingangsstrom in der Richtung des Ladestromes zu empfangen;
iii) eine Schaltungseinrichtung, die den durch die Batteriezellen und den positiven und negativen Anschluß fließenden Strom abtastet und ein Ausgangssignal erzeugt, das in Beziehung zu dem Zustand der Ladung der Batteriezellen steht;
b) eine Anzeigeeinrichtung, die von dem Batteriepack und dem batteriebetriebenen Gerät getrennt ist, zum Erzeugen einer Anzeige, die den Zustand der Ladung der Batteriezellen nach Maßgabe des Ausgangssignals anzeigt,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausgangssignal ein analoges Ausgangssignal ist
und die Schaltungseinrichtung eine zentrale Verarbeitungseinheit umfaßt, die in einem Leichtschlafmodus, einem Tiefschlafmodus und in einem Wachmodus betriebsfähig ist, wodurch während des Leichtschlafmodus der Strom von den meisten elektronischen Schaltungen innerhalb der zentralen Verarbeitungseinheit getrennt wird, und während des Tiefschlafmodus der zentralen Verarbeitungseinheit kein Strom zugeführt wird, wobei der Tiefschlafmodus zustandegebracht wird, indem ein Rückstellimpuls von der zentralen Verarbeitungseinheit an ein Latch gesendet wird, um so einen Schalter zu öffnen und dadurch die Zufuhr von Strom an die zentrale Verarbeitungseinheit zu verhindern.
Verschiedene Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung sichtbar werden. In der Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil davon bilden und zur Veranschaulichung spezifische Ausführungen zur praktischen Umsetzung der Erfindung zeigen. Diese Ausführungen werden in ausreichender Ausführlichkeit beschrieben, um den Fachleuten in der Technik zu ermöglichen, die Erfindung zu praktizieren, und es versteht sich, daß andere Ausführungen benutzt werden können und daß konstruktive Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu sehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird am besten durch die anliegenden Ansprüche definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Batteriepacks und eines zugehörigen Batterieladers.
Fig. 2 ist ein ausführlicheres Schaltbild des Batteriepacks von Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das die digitale Kommunikation zwischen dem Batterielader und dem Batteriepack von Fig. 1 veranschaulicht.
Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild eines Verstärkers innerhalb des Batteriepacks.
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das die Funktion eines Mikroprozessors und der anderen elektronischen Schaltungen von Fig. 2 veranschaulicht.
Fig. 6 ist ein vereinfachtes Schaltbild des in Fig. 1 gezeigten Batteriepacks, eines Zusatzes zur Verwendung mit dem Batteriepack zum Anzeigen der Ladung in den Batterien des Batteriepacks und ein Gerätes, das von dem Batteriepack 10 mit Strom versorgt wird.
Fig. 7 ist ein ausführliches Schaltbild des Anzeigeeinheit in dem Zusatz in Fig. 6.
Fig. 8 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Modifikation des in Fig. 6 gezeigten Zusatzes.
Es wird nun im einzelnen auf die Zeichnungen verwiesen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in allen Teilen der verschiedenen Darstellungen bezeichnen. Fig. 1 zeigt in vereinfachter schematischer Form einen Batteriepack 10 und einen zugehörigen Batterielader 11. Der Batteriepack 10 umfaßt eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen 12, und es sind z.B zehn bis zwölf solcher Zellen des Nickel- Cadmium-Typs vorhanden, wobei jede Zelle 1.2 Volt aufweist. Zusammen können die Zellen 12 eine Kapazität von entweder zwei Amperestunden oder vier Amperestunden besitzen. Der Batteriepack 10 umfaßt weiter einen Steckverbinder 13 mit einer positiven Klemme 14 und einer negativen oder Rückführungsklemme 16, um Ladestrom von dem Batterielader 11 zum empfangen bzw. an diesen zurückzuführen. Die positive Klemme 14 kann ferner einer Last (nicht gezeigt) Strom liefern.
Wenn die Batteriezellen 12 der Last Strom liefern, fließt der Strom in der durch einen Pfeil 18 angezeigten Richtung. Wenn, umgekehrt, die Batteriezellen 12 geladen werden, fließt Strom in der durch einen Pfeil 19 angezeigten Richtung. Jeder Strom entwickelt eine Spannung über einem Widerstand 20, der mit den Batterieklemmen und den Zellen in Reihe geschaltet ist. Um die Verlustleistung in dem Widerstand 20 zu minimieren, ist der Widerstandswert klein, z.B. 0.025 Ohm.
Der Batteriepack 10 umfaßt weiter die elektronische Schaltung 21, die ausführlicher in Fig. 2 dargestellt wird. Die Schaltung 21 enthält einen Differenzverstärker 22, dessen Eingänge über den Widerstand 20 geschaltet sind, um den momentanen Lade- oder Entladestrom abzutasten. Der Ausgang des Verstärkers 22 wird über einen Schalter 23 und einen Pufferverstärker 25 an einen A/D-Umsetzer 31 innerhalb einer CPU 28 angelegt. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, liest die CPU 28 den Ausgang des A/D-Umsetzers 21, um auf der Basis der gemessenen Lade- und Entladeströme den Ladezustand der Batteriezellen zu bestimmen.
Um den Stromverbrauch der elektronischen Schaltung 21 zu minimieren, ist die CPU 28 ein Typ, der imstande ist, in eine funktionslose "Leichtschlaf"-Betriebsart einzutreten, bei der der Strom von den meisten elektronischen Schaltkreisen innerhalb der CPU 28 getrennt wird und die CPU 28 keine Batterieparameter überwachen kann. Das Modell MC68HC11 von Motorola ist ein derartiger Typ. Die CPU 28 ist programmiert, in den Leichtschlafmodus einzutreten, wenn für eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. eine Stunde, weder eine Lade- noch eine Entladeaktivität vorhanden ist. Ein Zeitgeber 101 innerhalb der CPU 28, der ein Register enthalten kann, das mit dem Fortgang der Zeit erhöht wird, mißt die inaktive Zeit, wie unten im Detail beschrieben wird. Die CPU 28 umfaßt ein nichtflüchtiges RAM 60, das den Batterieparameter, der den Entladungsbetrag der Batteriezellen 12 angibt, die Zahl von Entlade- und Aufladezyklen, die höchste Temperatur, die entweder die Batteriezellen oder das Batteriesysten 10 jemals erfahren haben, und den Typ und die Seriennummer der Batterie speichert. Während des Leichtschlafes wird einem außerhalb der CPU gelegenen Zeitgeber 62 Strom zugeführt, der die gesamte CPU 28 periodisch alle 250 Millisekunden "aufweckt", um der CPU 28 zu ermöglichen, den Ausgang des A/D- Umsetzers zu lesen, um, so vorhanden, den momentanen Lade- oder Entladestrom zu bestimmen. Wenn der Verstärker 22 eine Entladung der Batterie anzeigt, approximiert die CPU die Amperestunden-Entladung während des vorangehenden 250 Millisekunden-Abschnlttes. Um z.B. die Entladungsmenge zwischen den Ablesungen zu schätzen, kann die CPU 28 den Entladestrom mit 250 Millisekunden multiplizieren. Dann berechnet die CPU 28 die verbliebene Ladung in den Batteriezellen 12, indem sie die Entladungsmenge zwischen den Ablesungen von der bei der vorangehenden Ablesung berechneten Batterieladung subtrahiert.
Im wachen Zustand überwacht die CPU 28 auch die Temperatur der Batteriezellen, indem sie den Auswahl-Decoder 61 über die Leitungen 63 anweist, einen mit dem Temperaturfühler 67 verbundenen Schalter 65 zu betätigen, so daß das vom Temperaturfühler 67 gelieferte Signal dem Eingang des Puffers 25 zugeführt wird. Gleichzeitig weist die CPU 28 den Decoder 61 an, den Schalter 23 über das Gatter 73 auszuschalten. Dann liest die CPU 28 die Temperatur von dem A/D-Umsetzer. Als nächstes aktiviert die CPU 28 den Schalter 75 durch geeignete Befehle auf den Leitungen 63, um den Oberflächen-Temperaturfühler 77 des Batteriepacks mit dem Eingang des Puffers 25 zu verbinden, während gleichzeitig die Schalter 23 und 65 abgeschaltet werden. Als nächstes schaltet die CPU 28 den Schalter 79 ein, um die positive Klemme 14 des Batteriepacks über den Spannungsteiler 81 mit dem Eingang des Puffers 25 zu verbinden, während die anderen Schalter abgeschaltet werden, so daß die CPU 28 die kombinierte Spannung der Batteriezellen überwachen kann. Dann aktiviert die CPU 28 einen Schalter 87, um einen Spannungsabgriff 85, der über einen Spannungsteiler 89 die Spannung der Hälfte der Batteriezellen abtastet, mit dem Puffer 25 zu verbinden, während die anderen Schalter abgeschaltet werden.
Während der Leichtschlaf- und Funktions-Betriebsarten wird der CPU 28 über einen Schalter 68 und einen Pufferverstärker 69 Strom zugeführt. Die CPU 28 wiederholt fortlaufend die vorangehenden Zyklen des Leichtschlafes und Aufwachens, bis die CPU 28 entweder eine Lade- oder eine Entladeaktivität ermittelt oder die Zellenspannung unter einen vorbestimmten Pegel abfällt. Wenn die Spannung unter diesen tiefen Pegel abfällt, sendet die CPU 28 einen Impuls an ein Latch 66, das den Schalter 68 öffnet und dadurch die Stromzufuhr an die CPU 28 verhindert. Die CPU 28 tritt folglich in einen Tiefschlafmodus ein. Während des Leichtschlafes zieht z.B. die CPU 28 etwa 20% des Stromes, den sie während des funktionalen "Wach"-Betriebes zieht, und während des "Tiefschlafes" zieht die CPU 28 praktisch keinen Strom. Wie oben angemerkt, werden jedoch während des Tiefschlafes die Daten in dem nichtflüchtigen RAM 60 bewahrt.
Während der Leichtschlaf- oder Tiefschlafbetriebsart wird noch Strom an den Verstärker 22 und die Komparatoren 70 und 72 angelegt, wobei der Verstärker und die Komparatoren imstande sind, die CPU 28 während eines Lade- oder Entladevorgangs aus entweder dem Tiefschlaf oder dem Leichtschlaf aufzuwecken. Ein Eingang jedes Komparators ist mit dem Ausgang des Verstärkers 22 verbunden. Der andere, negative Eingang des Komparators 70 wird mit einer Schwellenspannung versehen, die durch die Größe der Widerstände 74 und 76 im Verhältnis zur Große des Widerstandes 78 bestimmt wird. Der andere, positive Eingang des Komparators 72 wird mit einer Schwellenspannung versehen, die durch die Größe des Widerstandes 76 im Verhältnis zu den Größen der Widerstände 74 und 78 bestimmt wird.
Wenn das Batteriesystem mit einer Last verbunden ist, entwickelt sich über dem Widerstand 20 eine Spannung. Die Spannung wird durch den Verstärker 22 abgetastet und an den Komparator 70 angelegt. Wenn die Spannung über einem Schwellenpegel liegt, sendet der Komparator 70 ein Stellsignal in Form einer binären 1 über das ODER-Gatter 80 an das Latch 66. Dadurch wird die Stromzufuhr an die CPU 28 wieder aufgenommen, wenn diese im Tiefschlaf war. Der Komparator 70 sendet ferner ein binäres 1 Signal über die ODER-Gatter 82 und 84 an den Unterbrechungsanschluß 83 der CPU. Dadurch wird die CPU 28 aus dem Leichtschlaf aufgeweckt, wenn sie im Leichtschlaf war, und die CPU 28 wird ange wiesen, den A/D-Umsetzer und somit den Entladestrom abzulesen. Die CPU 28 bleibt für eine vorbestimmte Zeitdauer in dem funktionalen, wachen Modus, in dem sie die Entladung kontinuierlich überwacht. Nach der vorbestimmten Zeitdauer, die z.B. eine Stunde nach der Beendigung der Entladung beträgt, kehrt die CPU 28 in den Leichtschlaf- und periodischen Wachmodus zurück, wobei der Zeitgeber 62 benutzt wird, um die CPU 28 aufzuwecken. Ein Grund, daß sowohl der Zeitgeber 62 als auch der Komparator 82 benutzt werden, um die CPU 28 aus dem Leichtschlaf aufzuwecken, besteht darin, daß der Komparator vorzugsweise ein CMOSoder ein anderer Niederleistungstyp ist und für kleine Entladeströme nicht empfindlich sein kann, während der Verstärker empfindlich ist und das zeitgesteuerte Aufwecken nützlich ist, um eine so kleine Entladung zu überwachen.
Der Batterielader 11 umfaßt eine Spannungsquelle 92 und einen elektronischen Schalter 94, der die Spannungsquelle 92 mit der positiven Klemme 14 des Batteriepacks 10 verbindet. Wenn der Batterielader 11 Strom an die positive Klemme 14 liefert, fließt daher Strom in die Batteriezellen 12 und über den Widerstand 20 in der durch den Pfeil 9 angezeigten Richtung, wie oben angemerkt. Eine entsprechende Spannung wird über dem Eingang des Verstärkers 22 und des Komparators 72 entwickelt. Diese Spannung ist größer als die Schwellenspannung, so daß der Komparator einen Stellimpuls in Form einer binären 1 über das ODER-Gatter 80 an das Latch 66 anlegt, das über den Schalter 68 und den Puffer 69 die Stromzufuhr an die CPU 28 wiederherstellt (wenn sie im Tiefschlaf war). Der Komparator 72 liefert auch ein Signal in Form einer binären 1 über die ODER-Gatter 82 und 84 an den Unterbrechungsanschluß 83. Wie oben erwähnt, weckt das an den Unterbrechungsanschluß 83 angelegte Signal die CPU 28 aus dem Leichtschlaf auf, wenn sie im Leichtschlaf war, und weist die CPU an, den A/D-Umsetzer abzulesen. Der Komparator 72 gibt ferner über das ODER-Gatter 101 an einen seriellen Dateneingangsanschluß 99 aus, und wenn der A/D-Umsetzer 31 anzeigt, daß die Batterie in der Ladepolarität Strom empfängt, liest die CPU 28 den seriellen Dateneingangsanschluß 99.
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Batterielader, wenn der Batteriepack 10 im Batterielader 11 installiert ist, einen Code 102 an die CPU senden, um spezifische Batterieparameter anzufordern, indem Stromimpulse 104 in die positive Klemme 14 abgegeben werden. Die Stromimpulse be wirken, daß über dem Widerstand 20 und an den Ausgängen des Verstärkers 22 und des Komparators 72 Spannungsimpulse erzeugt werden. Diese Spannungsimpulse werden, wie oben erwahnt, dem seriellen Dateneingangsanschluß 99 der CPU 28 zugeführt. Die CPU 28 wird daher durch den Beginn des ersten Impulses 104 des Codes 102 durch Setzen des Latchs 66 (wenn nötig) und Aktivieren des Unterbrechungsanschlusses 80 aufgeweckt und alarmiert, um die nachfolgenden Daten zu lesen. Der Code 102 umfaßt z.B. ein Startbit, ein Stopbit und 8 dazwischenliegende Datenbits, die die angeforderten Batterie-Parameterdaten spezifizieren. Der Code 102 weist die CPU 28 an, Batterie-Parameterdaten an die Logikund Mikroprozessor- (mp) Schaltkreise 96 innerhalb des Batterieladers 11 zu senden. Diese Daten sind die in dem nichtflüchtigen RAM 60 enthaltenen Daten und umfassen, wie oben erwähnt, die Entladungsmenge der Batterie, die Batteriekapazität, die Anzahl der Lade/Entlade-Zyklen, die höchste Batteriezellen- oder Oberflächentemperatur, die die Batterie erfahren hat, den Typ der Batterie und die Seriennummer der Batterie. Die CPU 28 sendet die angeforderte Information durch Ausgeben von seriellen Datenimpulsen 108 vom Ausgangsanschluß 120 und über den FET-Puffer 122 und den Batteriepackanschluß 124. Die Daten werden vom Batterielader 11 am Eingangsanschluß 126 empfangen. Der Batterielader 11 kann dann weitere Information anfordern, indem er den jeweiligen Code in die positive Klemme 14 schickt.
Die CPU 28 ist ferner programmiert, ihre gesamten Batterie-Parameterdaten nach dem Beginn des Empfangs des Ladestromes 127 in einer vorbestimmten Reihenfolge an den Ausgangsanschluß 124 zu senden, wenn kein spezifischer Datenanforderungsstrom empfangen wird.
Nachdem der Batterielader 11 alle von ihm benötigten Daten empfangen hat, lädt er die Batteriezellen 12, indem er nach Maßgabe des Ladezustandes der Batteriezellen 12, des Batterietyps und der Temperaturen der Zellen und des Batteriepacks der positiven Klemme 14 Ladestrom zu führt. Wenn z.B. die Batterie im wesentlichen entladen ist und sich innerhalb eines sicheren Ladetemperaturbereiches befindet, liefert der Lader 11 einen maximalen Ladestrom. Wenn jedoch die Batteriezellen 12 fast voll geladen sind oder über dem Temperaturbereich liegen, liefert der Lader 11 einen kleineren Strom. Ladeverfahren, die für den Batteriepack 10 und den Batterielader 11 geeignet sind, werden in dem US. Patent 4,849,682 betitelt "Battery Charging System", erteilt am 18. Juli 1989 an George W. Bauer et al. und im U.S. Patent 4,554,500 erteilt am 19. November 1985 an Sokira beschrieben.
Man sollte sich bewußt sein, daß die positive Klemme 14 dazu dient, einen Betriebsstrom von den Batteriezellen 12 an eine wirkliche Last zu leiten, Daten vom Batterielader 11 an die CPU 28 zu leiten und Ladestrom vom Batterielader an die Batteriezellen 12 zu leiten.
Während des Ladens des Batteriepacks 10 befindet sich die CPU 28 ständig im wachen Zustand und überwacht genau den Ladestrom.
Die elektronische Schaltung 21 umfaßt weiter eine Kommunikationsverbindung 130 mit einer Zenerdiode 132, den Eingangswiderständen 134 und 136 und dem Transistor 137, wobei die Verbindung am Anschluß 124 Daten empfängt und sie über das ODER-Gatter 101 an den seriellen Dateneingangsanschluß 99 der CPU 28 sendet. Diese Kommunikationsverbindung kann in der Fabrik oder während der Wartung benutzt werden, um einen Code an die CPU 28 zu senden, um Arten von Batterieladern auszulösen, die nicht ausgerüstet sein mögen, um Daten über den Anschluß 124 und die Kommunikationsverbindung 130 an die CPU zu senden, so daß die Übertragung einer Datenanforderung in die Klemme 14 entweder durch einen spezifischen Datencode oder durch den Beginn des Ladestromes wichtig ist.
Der Batteriepack 10 kann ferner eine LCD-Balkenanzeige 140 umfassen, die Über die Leitungen 142 von der CPU 28 Information empfängt, die die Restladungsmenge in den Batterien angibt und diese Information anzeigt.
Die CPU 28 gibt ferner über einen acht Bit D/A-Umsetzer 143 über die Leitung 144 ein Analogsignal aus, das die in den Batterien verbliebene Ladung darstellt. Das an den D/A-Umsetzer 143 angelegte Signal wird von einem Register (nicht gezeigt) in der CPU 28 erhalten, das inkrementiert oder dekrementiert wird, sowie die Batterien 12 geladen bzw. entladen werden. Das Register führt einen Hexadezimalwert von 1.0, der einem Dezimalwert von 16 entspricht. Wenn z.B. die Batterien 12 zu 50% entladen sind, wird daher das Register einen Wert von 8 führen. Das Ausgangssignal ist eine Gleichspannung mit 16 diskreten Stufen von 0 bis 5 Volt, wobei null Volt leer und fünf Volt volle Ladung bedeuten. Das Signal wird über einen Schalter 146 an eine Abtast-Halte-Schaltung 148 und von dort an einen Vorratsanzeige-Ausgangsan schluß 150 am Steckverbinder 13 gesendet. Das analoge Ausgangssignal am Anschluß 150 des Batteriepacks 10 kann an ein Meßgerät gesendet werden, das in einer Videokamera oder einer anderen von dem Batteriepack 10 gespeisten Einrichtung enthalten sein kann, oder kann an eine Anzeigeeinheit gesendet werden, die von dem Batteriepack 10 und der vom Batteriepack 10 versorgten Einrichtung getrennt ist, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 148 wird außerdem zu Eichzwecken über die Leitung 151 an den A/D-Umsetzer 31 zurückgeführt.
Fig. 5(a) und 5(b) bilden ein Flußdiagramm, das die Funktion der CPU 28 und zugehöriger Schaltkreise veranschaulicht. Um den Betrieb zu beginnen, wird das System durch das Anlegen von Spannung an die CPU 28 eingeschaltet (Schritt 200), indem das vorerwähnte Latch 66 gesetzt wird. Dann startet die CPU den Zeitgeber 62 (Schritt 202), indem sie einen Impuls auf der Leitung 205 sendet, und tritt in den funktionslosen Leichtschlafmodus ein (Schritt 203). Als nächstes wird von entweder dem Zeitgeber, dem Komparator 70 oder dem Komparator 72 ein Impuls an den Unterbrechungsanschluß 83 angelegt (Schritt 204). Wie oben erwähnt, sendet der Komparator 70 beim Entladen der Batterie einen solchen Impuls an den Unterbrechungsanschluß 83, und der Komparator 72 sendet beim Laden der Batterie einen solchen Impuls an den Unterbrechungsanschluß 83. Nach einem der drei Ereignisse erwacht die CPU 28 aus dem Leicht- oder Tiefschlaf, liest die Temperaturfühler 67 und 77, die volle Batteriespannung und die halbe Batteriespannung ab, um festzstellen, ob sich die Batterie in sicheren Betriebsgrenzen befindet (Schritte 206 und 208). Als nächstes liest die CPU 28 den Ladeoder Entladestrom durch Ablesen des A/Dumsetzers 31 (Schritt 210). Wenn zu der Zeit kein Strom fließt, stellt die CPU 28 fest, ob die Gesamtbatteriespannung kleiner als der untere Abschaltpegel ist, der die spezifizierte nutzbare Grenze des Batteriepacks darstellt (Schritt 214). Wenn die Batteriespannung unter diesem Pegel liegt, sendet die CPU 28 einen Rückstellimpuls auf der Leitung 216 an das Latch 66, um die CPU 28 abzuschalten. Wenn nicht, springt die CPU 28 zu Schritt 202 zurück, um den Zeitgeber erneut zu starten.
Zurück zu Schritt 212. Wenn zu der Zeit ein Strom geflossen ist, ermittelt die CPU 28 durch Lesen des Ausgangs des A/D-Umsetzers, ob der Strom im Lade- oder Entlademodus ist (Schritt 218). Wenn im Lademodus, geht die CPU 28 zu Schritt 220, wo sie feststellt, ob Daten in die Klemme 14 gesendet werden. Wenn ja, liest die CPU die Daten (Schritt 227) und sendet als Antwort die angeforderte Information über den Ausgangsanschluß 124 (Schritt 224). Wenn andererseits der Ladestrom einfach ein Ladestrom war und keine variablen Daten enthielt, geht die CPU 28 vom Schritt 220 zu Schritt 226, wo sie alle relevanten Daten in einer vorbestimmten Reihenfolge an den Ausgangsanschluß 124 sendet. Nach dem Senden der Daten in entweder dem Schritt 224 oder dem Schritt 226 berechnet die CPU 28 die Ladungsmenge des Batteriepacks (Schritt 230).
Wieder zurück zu Schritt 218. Wenn der Verstärker 22 anzeigt, daß die Batterie anstatt geladen zu werden entladen wird, führt der Schritt 218 zu Schritt 232, wo die CPU 28 die Entlademenge der Batteriezellen berechnet (Schritt 232).
Nach beiden Schritten 230 und 232 aktualisiert die CPU 28 die LCD-Anzeige 140 und die Abtast-Halte-Schaltung 148 mit dem momentanen Ladezustand der Batterie (Schritt 234).
Als nächstes überwacht die CPU 28 wieder die Temperaturfühler 67 und 77 und die volle Batteriespannung und die halbe Batteriespannung (Schritte 236 und 238). Die CPU 28 speichert ferner Daten, die die extremen Temperaturen und Spannungen angeben, denen der Batteriepack ausgesetzt worden ist (Schritt 240). Dann stellt die CPU 28 den Zeitgeber 101 zurück (Schritt 241).
Als nächstes liest die CPU 28 den Ausgang des A/D-Umsetzers 31, um festzustellen, ob weiterer Strom durch die Batteriezellen fließt (Schritt 242) und wenn ja, dann springt die CPU zurück zu Schritt 218, um, je nachdem, das Laden oder Entladen zu überwachen. Wenn nicht, springt die CPU 28 vom Schritt 242 zu einem Schritt 244, wo sie den Zeitgeber 101 aktualisiert. Bis der Zeitgeber abgelaufen ist, wie in Schritt 245 notiert, führt der Schritt 245 zurück zu Schritt 242, wo die CPU 28 den Ausgang des A/D-Umsetzers 31 liest, um festzustellen, ob ein Strom fließt. Wenn für die Dauer des Zeitgebers, z.B. eine Stunde, kein Strom fließt führt daher der Schritt 245 zurück zu Schritt 202, wo die CPU 28 den Zeitgeber 62 startet und wieder in den Leichtschlafmodus eintritt. Wie oben erwähnt, wird dadurch Strom gespart, weil der größte Teil des Stromes an die CPU 28 abgeschaltet wird, bis in Schritt 204 der Unterbrechungsimpuls am Unterbrechungseingang 83 erzeugt wird. Damit beginnt eine weitere Wiederholung des Flußdiagramms.
Fig. 4 zeigt eine Art der Ausführung des Verstärkers 22. Gemäß diesem Aufbau ist der Verstärker ein schaltender Typ und umfaßt die folgenden zugehörigen Schaltkreise. Eine Seite des Widerstandes 20 ist über einen Schalter 150 und einen Reihenkondensator 152 mit einem positiven Eingang eines Verstärkers 222 verbunden. Die andere Seite des Widerstandes 20 ist über einen Schalter 156 und den Kondensator 152 mit demselben Eingang des Verstärkers 222 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 222 wird über einen weiteren Reihenkondensator 158 dem Schalter 23 auf dem Weg zum Puffer 25 und dem A/D-Umsetzer 21 der CPU 28 zugeführt. Um den Verstärker 222 zu kalibrieren, weist die CPU 28 den Auswahl-Decodierer 61 an, Kalibrierimpulse ("CAL") in Form einer binären 1 an den Eingang des Inverter-Gatters 161 und einen binären 1 Impuls an das UND-Gatter 73 zu senden. Folglich wird ein binärer Nullimpuls an die Eingänge des NAND-Gatters 160 und des UND-Gatters 164 gesendet, und der Schalter 156 wird geöffnet und der Schalter 150 geschlossen. Ein Rechteckwellentakt 168 versorgt den anderen Eingang des NAND-Gatters 73. Folglich wird über den Schalter 150 eine Bezugsspannung des Batteriepacks an eine erste Seite des Kondensators 152 geliefert. Die andere Seite des Kondensators 152 ist zwischen die Widerstände 170 und 172 geschaltet, die einander gleich sind. Der Widerstand 172 ist mit Vcc verbunden, so daß eine Nullstrom-Bezugsspannung von Vcc/2 dem positiven Eingang des Verstärkers 222 zugeführt wird. Die Werte der Widerstande 176 und 178 sind mit denen der Widerstände 170, 172 identisch. Die Widerstände 176 und 178 werden bereitgestellt, um den Nullstrom zu zentrieren, so daß der A/D-Umsetzer sowohl positive als auch negative Spannungen, die mit dem Lade- und dem Entladestrom verbunden sind, anzeigen kann. Dann, wenn der Takt einen positiven Impuls an den Eingang 151 des Gatters 73 ausgibt, liefert der Schalter 23 die Bezugsspannung über den Puffer 25 an den A/D-Umsetzer 31. Die CPU 28 liest und speichert die Bezugsspannung.
Man sollte auch zur Kenntnis nehmen, daß der Verstärker 222 zwei Spannungsverstärkungsbereiche besitzt. Wenn ein Transistor 180 durch ein binäres Nullsignal vom Anschluß 182 der CPU deaktiviert wird, liefert der Verstärker eine relativ niedrige Verstärkung, weil ein Widerstand 184 den ganzen Rückkopplungsstrom aufnahm. Wenn jedoch vom Anschluß 182 ein binäres 1 Signal geliefert wird, erzeugt der Verstärker eine relativ hohe Verstärkung, weil der Widerstand 184 mit einem Widerstand 186 parallel liegt. Der Kondensator 188 stellt sicher, daß der Verstärker 22 nur AC-Signale verstärkt. Die CPU wählt die Verstärkung so, daß der beste Bereich des Verstärkers und des A/D-Umsetzers benutzt wird.
Als nächstes weist die CPU 28 den Auswahl-Decodierer 61 an, durch Senden eines binären Nullimpulses an das Inverter-Gatter 161 ein binäres 1 Signal an das NAND-Gatter 160 und das AND-Gatter 164 zu liefern, so daß die Spannungen an jedem Ende des Widerstandes 20 nacheinander an die erste Seite des Kondensators 152 und die sich ergebenden zentrierten Spannungen an den positiven Eingang des Verstärkers 222 angelegt werden. Der Ausgang des Verstärkers 222 wird durch einen Kondensator 29 (Fig. 2) gegelättet und zeigt die Spannung über dem Widerstand 20 infolge entweder des Ladens oder Entladens der Batteriezellen an. Die CPU 28 liest die Spannung am Ausgang des A/D-Umsetzers ab.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß für den Verstärker 22 ein nicht-schaltender Verstärker verwendet werden kann.
Fig. 6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung des Batteriepacks 10, eines von dem Batteriepack 10 mit Strom zu versorgenden Gerätes 249 und einer Zusatzeinrichtung 250, die den Batteriepack 10 elektrisch und mechanisch mit dem Gerät 249 verbindet und eine Anzeige der in den Batterien 12 verbliebenen Ladung zur Verfügung stellt. Das Gerät 249 kann z.B. eine Fernsehkamera sein.
Die Zusatzeinrichtung 250 umfaßt einen Träger 252 und eine Anzeigeeinheit 254.
Der Träger 252 wird durch geeignete Mittel, z.B. Schrauben (nicht gezeigt), am Gehäuse des Gerätes 249 befestigt. Der Träger 252 ist so eingerichtet, daß er mit geeigneten Mitteln, z.B. Schrauben (nicht gezeigt), am Gehäuse des Batteriepacks 10 abnehmbar befestigt werden kann.
Der Träger 252 besitzt einen elektrischen Steckverbinder 256, der einen positiven Eingangsanschluß 258, einen negativen Eingangsanschluß 260 und einen Vorratsanzeige-Eingangsanschluß 262 umfaßt, die zum Verbinden mit den Anschlüssen 14, 16 bzw. 150 des Batteriepacks 10 gedacht sind. Die Leiter 264 und 266 verbinden die Anschlüsse 258 bzw. 260 mit dem positiven und negativen Anschluß 268 bzw. 270 des Gerätes 249.
Eine LED-Anzeigeeinheit 272 mit einem positiven Eingangsanschluß 273, einem negativen Eingangsanschluß 274 und einem Vorratsanzeige-Eingangsanschluß 276 ist über ein Kabel 277, das aus drei Leitungsdrähten 278, 280 und 282 besteht, elektrisch mit den Eingangsanschlüssen 258, 260 und 262 verbunden. Die Anzeigeeinheit 272 kann an dem Gerät 249 an einer gewünschten Stelle mit Hilfe von Klettenverschlußbändern 284 (d.h. Velcro) oder anderen geeigneten Mitteln entfernbar befestigt werden.
Fig. 7 zeigt ein ausführliches Schaltbild der Anzeigeeinheit 272.
Wie zu sehen ist, umfaßt die LED-Anzeigeeinheit 272 eine Reihenanordnung von zehn LEDS 286, die durch einen Balkenanzeigetreiber 288 getrieben werden. Die LED-Reihe 286 kann z.B. das Modell HLCP-J100 von Hewlett Packard sein. Der Balkenanzeigetreiber 288 kann ein Chip LN4M 3914N von National Semiconductor sein. Der Balkenanzeigetreiber 288 ist im Grunde eine Gruppe von zehn Spannungsvergleichern, deren jeweilige Referenz mit einem der Abgriffe eines Spannungsteilers mit zehn Abgriffen verbunden ist.
Die Anzeigeeinheit 272 umfaßt außerden zugehörige Schaltkreise, die einen Störfilter-Kondensator 290, einen Kondensator 292 und einen Widerstand 294, die ebenfalls der Störsignalfilterung dienen, einen Dreiklemmen- 5 Volt Regler 296, der an seinem Ausgangsanschluß 298 5 Volt ausgibt, ein Potentiometer 300, das das hohe Ende der Referenzspannungsteilerkette in dem Balkenanzeigetreiber 288 festlegt, und einen Widerstand 302, der benutzt wird, um den Referenzausgangsstrom einzustellen, umfassen.
Im Betrieb wird der Ladezustand durch die Anzahl erleuchteter LEDs bestimmt, wobei die Zahl der aufleuchtenden LEDS eine Funktion der vom Vorratsanzeigeanschluß 150 des Batteriepacks 10 empfangenen Analogspannung ist.
Wie man erkennen kann, ist die Zusatzeinrichtung 250 gedacht, mit dem Batteriepack 10 verwendet zu werden, wenn der Batteriepack 10 ein batteriebetriebenes Gerät mit Strom versorgt, das nicht ausgerüstet ist, um das Analogsignal vom Anschluß 150 zu empfangen und dann eine Anzeige zu erzeugen, die der Batterieladung entspricht. Wenn gewünscht, kann jedoch die Zusatzeinrichtung 250 auch mit dem Batteriepack 10 verwendet werden, wenn er nicht an ein batteriebetriebenes Gerät angeschlossen ist (z.B. wenn er gelagert wird).
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Zusatzeinrichtung 250, bei der sich die Anzeigeeinheit, anstatt von dem Träger abgesetzt zu sein, auf dem Träger befindet, wobei die abgewandelte Zusatzeinrichtung mit dem Bezugszeichen 304 gekennzeichnet ist. Die Zusatzeinrichtung 304 umfaßt einen Träger 306 mit einem Steckverbinder 308, der mit dem Steckverbinder 256 identisch ist. Eine Anzeigeeinheit 310, die mit der Anzeigeeinheit 272 identisch ist, ist auf dem Träger 306 montiert und über ein dreiadriges Kabel 312, das ähnlich dem Kabel 277, aber kürzer ist, mit dem Steckverbinder 308 verbunden. Der Träger ist so eingerichtet, daß er mit geeigneten Mitteln am Batteriepack 10 abnehmbar befestigt werden kann. Wie man erkennen kann, ist die Zusatzeinrichtung 304 gedacht, mit dem Batteriepack 10 verwendet zu werden, wenn er nicht an ein batteriebetriebenes Gerät angeschlossen ist.

Claims

1. Batteriesystem zur Verwendung mit einem batteriebetriebenen Gerät (249), wobei das System umfaßt:

a) einen Batteriepack (10), wobei der Batteriepack enthält:

i) eine Mehrzahl von Batteriezellen (12);

ii) einen positiven (14) und einen negativen Anschluß (16), die mit den Batteriezellen (12) in Reihe geschaltet sind, wobei der positive Anschluß (14) adaptiert ist, um einen Ausgangsstrom (18) an eine Last zu liefern und einen Eingangsstrom (19) in der Richtung des des Ladestromes zu empfangen;

iii) eine Schaltungseinrichtung (21), die den durch die Batteriezellen (12) und den positiven (14) und negativen (16) Anschluß fließenden Strom (18, 19) abtastet und ein Ausgangssignal (150) erzeugt, das in Beziehung zu dem Zustand der Ladung der Batteriezellen (12) steht;

b) eine Anzeigeeinrichtung (272), die von dem Batteriepack (10) und dem batteriebetriebenen Gerät (249) getrennt ist, zum Erzeugen einer Anzeige, die den Zustand der Ladung der Batteriezellen (12) nach Maßgabe des Ausgangssignals (150) anzeigt,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Ausgangssignal ein analoges Ausgangssignal (150) ist

und die Schaltungseinrichtung (21) eine zentrale Verarbeitungseinheit (28) umfaßt, die in einem Leichtschlafmodus, einem Tiefschlafmodus und in einem Wachmodus betriebsfähig ist, wodurch

während des Leichtschlafmodus der Strom von den meisten elektronischen Schaltungen innerhalb der zentralen Verarbeitungseinheit (28) getrennt wird,

und während des Tiefschlafmodus der zentralen Verarbeitungseinheit (28) kein Strom zugeführt wird, wobei der Tiefschlafmodus zustandegebracht wird, indem ein Rückstellimpuls von der zentralen Verarbeitungseinheit (28) an ein Latch (66) gesendet wird, um so einen Schalter (68) zu öffnen und dadurch die Zufuhr von Strom an die zentrale Verarbeitungseinheit (28) zu verhindern.

2. Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (272) eine Lumineszenzdioden-Anzeigeeinheit (212) umfaßt.

3. Batteriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdioden-Anzeigeeinheit (272) eine Reihenanordnung von Lumineszenzdioden (286) und einen Balkenanzeigetreiber (288) umfaßt, der die Reihenanordnung von Lumineszenzdioden (286) treibt.

4. Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (272) einen Träger (252) und eine auf dem Träger (252) angebrachte Lumineszenzdiodenanzeige (286) umfaßt.

5. Batteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (272) weiter eine Einrichtung (284) umfaßt, um den Träger (252) an einem durch den Batteriepack (10) mit Strom versorgten Gerät (249) entfernbar zu befestigen.

6. Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (272) weiter eine Eingangsklemmeneinrichtung (258, 260, 262), um die Anzeigeeinrichtung (272) mit dem Batteriepack (10) zu verbinden, und eine Ausgangsklemmeneinrichtung (268, 270) umfaßt, um die Anzeigeeinrichtung (272) mit dem von dem Batteriepack (10) zu versorgenden Gerät (249) zu verbinden.

7. Batteriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (272) eine Lumineszenzdioden-Anzeigeeinheit (310) umfaßt.

8. Batteriesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdioden-Anzeigeeinrichtung (212) eine Reihenanordnung von Lumineszenzdioden (286) und einen Treiber (288) umfaßt, der die Reihenanordnung von Lumineszenzdioden (286) treibt.

9. Batteriesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenanordnung von Lumineszenzdioden (286) zehn Lumineszenzdioden umfaßt.