DE69620929T2

DE69620929T2 - Batterieladegerät

Info

Publication number: DE69620929T2
Application number: DE69620929T
Authority: DE
Inventors: Shozo Yoshikawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: JP3303155B2; EP0723326A2; EP0723326B1; EP0723326A3; JPH08195225A; DE69620929D1; US5861733A; CN1044052C; CN1134620A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für eine Batterie wie zum Beispiel eine Lithiumionenbatterie und insbesondere ein Batterieladegerät, bei dem der Konstantstrom-Ladebereich verlängert werden kann, so dass die Gesamtladedauer verkürzt ist.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration eines herkömmlichen Batterieladegeräts zeigt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 weist ein Batterieladegerät 120 nach dem Stand der Technik auf: Eine Steuereinheit 101, die eine Spannung und einen Strom steuert; eine Spannungserfassungseinheit 102, die eine Ausgangsspannung, die als Ergebnis der Spannungsteilung von Widerständen 105 und 106 erhalten wurde, mit einer Referenzspannung Vr vergleicht und ein Steuersignal abgibt; eine Stromerfassungseinheit 103, die einen Ausgangsstrom eines Nebenschlußwiderstands 104 erfaßt und ein Steuersignal abgibt; ein Ausgangsschalter 107, der den Ausgangsstrom ein- oder ausschaltet; und Ladeanschlüsse 108, an die eine zu ladende Batterie 109 anzuschließen ist. Über die Ladeanschlüsse 108 wird der Batterie 109 ein Ladestrom zugeführt.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Ladecharakteristik einer Ladeschaltung des Batterieladegeräts nach dem Stand der Technik zeigt. Wenn die Batterie 109 an die Ladeanschlüsse 108 angeschlossen und der Ausgangsschalter 107 eingeschaltet ist, beginnt das Laden. Zu Beginn der Ladedauer steuert die Steuereinheit 101 den Ladestrom Ic' so, dass er gemäß der Rückführung des Ausgangssignals der Stromerfassungseinheit 103 auf einen konstanten Wert gedrückt wird. Während dieses Zeitraums steigt die Ladespannung Vb' der Batterie 109 von einer Ausgangsspannung Vs an, wie in der Figur gezeigt ist (Konstantstrom-Ladebereich). Nachdem die Ladespannung Vb' (voreingestellte Spannung V&sub0; - abgefallene Spannung V') (eine Spannung, die einem Spannungsabfall entspricht, der durch die Widerstände des Ausgangsschalters 107, der Ladeanschlüsse 108, der Verdrahtung etc. verursacht wird) erreicht hat, steuert die Steuereinheit 101 die Ausgangsspannung so, dass sie gemäß der Rückführung des Ausgangssignals der Spannungserfassungseinheit 102 konstant ist. Dem gemäß schwächt sich der Ladestrom Ic' mit fortschreitender Zeit ab und die Ladespannung Vb' nähert sich dem voreingestellten Wert V&sub0; der Konstantspannung an (Konstantspannungs-Ladebereich). Wenn die Steuereinheit 101 bei einem Vollladungszeitpunkt t&sub2; einen Strom I&sub0; erfasst, stellt die Steuereinheit 101 fest, dass das Laden vollendet ist und schaltet den Ausgangsschalter 107 ab, um das Laden zu beenden.
Das durch die herkömmliche Ladeschaltung ausgeführte Laden weist jedoch die folgenden Probleme auf. In einer späteren Hälfte der Ladedauer wird das Laden bei der Konstantspannung vorgenommen und somit schwächt sich der Ladestrom allmählich ab. Im Ergebnis ist die Ladevollendungsdauer t&sub2;, die zur Erreichung der vollen Aufladung der Batterie 109 vonnöten ist, verlängert. Dies ist ungünstig und der Betriebswirkungsgrad ist verschlechtert. Die Ladekapazität der Batterie 109 wird dargestellt durch (Ladestrom · Ladedauer). In dem Maße wie der Konstantstrom-Ladebereich, bei dem man den maximalen Ladestrom fließen lässt, erweitert ist, verkürzt sich die Ladevollendungsdauer t&sub2;. In der letzteren Hälfte der Ladedauer wird jedoch das Laden bei der Konstantspannung V&sub0; vorgenommen, so dass die Ladespannung Vb' die voreingestellte Spannung nicht überschreitet. Im Ergebnis verlängert sich die Ladevollendungsdauer t&sub2;.
Es gibt ein anderes Verfahren, bei dem das Laden unter Verwendung einer gepulsten Spannung erfolgt, um die Ladevollendungsdauer t&sub2; zu verkürzen. Dieses Verfahren weist jedoch dahingehend ein Problem auf, dass die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie 109 zeitweise die voreingestellte Spannung überschreitet, so dass die Lebensdauer der Batterie 109 verkürzt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde hervorgebracht, um die oben erwähnten Probleme zu überwinden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Batterieladegerät zu schaffen, bei dem die Ladevollendungsdauer durch Verlängern einer Zeitdauer zum Ausführen einer Konstantstromladung verkürzt ist, wodurch die oben erwähnten Probleme gelöst werden.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wird gemäß der Erfindung in einem Batterieladegerät, bei dem eine Ausgangsspannung bzw. ein Ausgangsstrom vom Batterieladegerät mit einer Referenzspannung verglichen wird, eine Fehlerspannung rückgeführt und zu Beginn der Ladedauer das Laden mit konstantem Strom durchgeführt und, nachdem eine Batteriespannung einen konstanten Wert erreicht, wird das Laden mit konstanter Spannung durchgeführt, es sind Additionseinrichtungen zum Addieren einer zu einem Ladestrom der Batterie proportionalen Spannung zur Referenzspannung vorgesehen, die mit der Ausgangsspannung des Batterieladegeräts zu vergleichen ist, und die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts wird gesteuert, während eine Fehlerspannung rückgeführt wird, die als Ergebnis eines Vergleiches des von den Additionseinrichtungen abgegebenen addierten Wertes mit der Ausgangsspannung des Batterieladegeräts erhalten wird.
Bei der Erfindung mit der oben beschriebenen Konfiguration wird eine Spannung, die zu einem Ladestrom der Batterie proportional ist, zu der herkömmlichen Referenzspannung addiert. Dem gemäß steigt die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts im Konstantstrom-Ladebereich auf ein Niveau an, das höher als das bei dem herkömmlichen Batterieladegerät ist, so dass die Zeitdauer des Konstantstrom-Ladebereichs verlängert werden kann. Somit geht das Laden schnell vonstatten.
Im Konstantspannungs-Ladebereich schwächt sich der Ladestrom ab. Demzufolge nähert sich der oben erwähnte addierte Wert allmählich der Referenzspannung an, und die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts läuft auf die voreingestellte Spannung der Referenzspannung zu. Wenn der Wert des Widerstands, der die zum Ladestrom proportionale Spannung erzeugt, geeignet gewählt ist, überschreitet deshalb die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie die voreingestellte Spannung schließlich nicht. Somit kann das Auftreten einer Überladung verhindert werden, so dass die Lebensdauer nicht verkürzt wird. Da das Laden schnell vonstatten geht, kann im Konstantstrom-Ladebereich die Gesamtladedauer stark verkürzt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Auslegungsbeispiel einer Ladeschaltung des Batterieladegeräts der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Ladecharakteristik des Batterieladegeräts der Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Auslegungsbeispiel einer Ladeschaltung eines Batterieladegeräts nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Ladecharakteristik des Batterieladegeräts nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Ladecharakteristik des Batterieladegeräts der Erfindung und diejenige des Batterieladegeräts nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Auslegungsbeispiel des Batterieladegeräts der Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Auslegungsbeispiel des Batterieladegeräts 20 der Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt ist, entspricht das Batterieladegerät 20 der Erfindung dem herkömmlichen Batterieladegerät insoweit, als das Batterieladegerät der Erfindung umfasst: Die Steuereinheit 1, die eine Spannung und einen Strom steuert; die Spannungserfassungseinheit 2, die eine Ausgangsspannung, die als Ergebnis der Spannungsteilung der Widerstände 5 und 6 erhalten wurde, mit der Referenzspannung Vr vergleicht und ein erstes Steuersignal abgibt; die Stromerfassungseinheit 3, die einen Ausgangsstrom des Nebenschlusswiderstands 4 erfasst und ein zweites Steuersignal abgibt; der Ausgangsschalter 7, der den Ausgangsstrom ein- oder ausschaltet; und die Ladeanschlüsse 8, an die die Batterie 9 anzuschließen ist.
Die Ladeschaltung des Batterieladegeräts 20 der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung Vg, die proportional zum Ladestrom Ic der Batterie 9 ist, durch einen Widerstand 10 erzeugt wird, dass ein Addierer 11 vorgesehen ist, der die Spannung Vg zu der Referenzspannung Vr addiert, und dass die Spannungssteuerung durchgeführt wird, während der addierte Wert (= Vr + Vg) mit der Ausgangsspannung V verglichen wird.
Fig. 2 ist ein Graph, der die Ladecharakteristik der Ladeschaltung des Batterieladegeräts der Erfindung zeigt. Wenn die Batterie 9 an die Ladeanschlüsse 8 angeschlossen und der Ausgangsschalter 7 eingeschaltet ist, beginnt das Laden. Zu Beginn der Ladedauer steuert die Steuereinheit 1 den Ladestrom Ic so, dass er gemäß der Rückführung des Ausgangssignals der Stromerfassungseinheit 3 auf einen konstanten Wert gedrückt wird. Während dieses Zeitraums steigt die Ladespannung Vb der Batterie 9 von einer Ausgangsspannung Vs an, wie in der Figur gezeigt ist.
Im Folgenden wird die Veränderung der Ladespannung Vb beschrieben. Die Ausgangsspannung V wird durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt:
V = Vb + Vg + V' (1)
mit V: Ausgangsspannung,
Vb: Batteriespannung,
Vg: Spannung proportional zum Ladestrom, und
V': Betrag des Spannungsabfalls.
Im Konstantspannungs-Ladebereich führt die Steuereinheit 1 die Rückführungssteuerung so aus, dass die Eingangsspannung (Fehlerspannung e) der Spannungserfassungseinheit 2 zu Null wird. Wenn die Ausgangsspannung V unter Verwendung der Referenzspannung Vr, des Widerstands R1 des Widerstands 5 und des Widerstands R2 des Widerstands 6 ausgedrückt wird, wird die Ausgangsspannung V wie folgt ausgedrückt:
V = (Vr + Vg) (1 + R1/R2)
= Vr (1 + R1/R2) + Vg + Vg·R1/R2
= V&sub0; + Vg + Vg·R1/R2 (2)
wobei V&sub0; die Ausgangsspannung bezeichnet, wenn der Ladestrom 0 ist.
Aus den Ausdrücken (1) und (2) erhält man den folgenden Ausdruck:
Vb = V&sub0; + Vg·R1/R2 - V' (3)
Das heißt, wenn der Wert des Widerstands 10 geeignet gewählt ist (wenn der Wert von Vg geeignet gewählt ist), überschreitet im Konstantstrom-Ladebereich des Ladestroms Ic die Ladespannung Vb die voreingestellte Spannung V&sub0; und erreicht dann Vp. Im Konstantspannungs-Ladebereich nimmt der Ladestrom Ic ab, so dass die Ladespannung Vb gemäß Ausdruck (3) abnimmt.
Die Ladespannung ist durch eine durch Vb in Fig. 2 angegebene Kurve gezeigt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Ladecharakteristik des Batterieladegeräts der Erfindung und diejenige des Batterieladegeräts nach dem Stand der Technik zeigt. In der Figur bezeichnen Vb und Ic die Ladespannung bzw. den Ladestrom im Batterieladegerät der Erfindung, und Vb' und Ic' bezeichnen die Ladespannung bzw. den Ladestrom im herkömmlichen Batterieladegerät.
Wie in Fig. 5 zu sehen ist, überschreitet die Ladespannung Vb gemäß der Ladecharakteristik des Batterieladegeräts der Erfindung die voreingestellte Spannung V&sub0;, und sinkt schließlich von größeren Werten auf die voreingestellte Spannung V&sub0; ab. Wenn der Wert des Widerstands 10, der die zum Ladestrom proportionale Spannung Vg erzeugt, geeignet gewählt ist, wird daher die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie die voreingestellte Spannung nicht überschreiten. Es tritt somit kein Überladen auf und die Lebensdauer verkürzt sich nicht. Die Ladedauer im Konstantstrom-Ladebereich ist verlängert und das Laden geht schnell vonstatten. Somit ist der Konstantspannungs-Ladebereich verkürzt und die Ladevollendungsdauer ist von t&sub2; auf t&sub1; stark verkürzt.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem die Auslegung von Fig. 1 vereinfacht ist. Bei diesem Beispiel ist der im Beispiel von Fig. 1 verwendete Nebenschlusswiderstand 4 weggelassen. Anstelle des Nebenschlusswiderstands 4 ist der Widerstand 10, der die Spannung Vg erzeugt, verwendet, so dass der Ausgangsstrom vom Widerstand 10 in die Stromerfassungseinheit 3 eingegeben wird, wodurch sich die Anzahl an Bauteilen verringert.
Wie obenstehend ausführlich beschrieben ist, können gemäß der Erfindung die folgenden herausragenden Effekte erzielt werden.
Eine Spannung, die proportional zu einem Ladestrom einer Batterie ist, wird zu einer herkömmlichen Referenzspannung hinzu addiert, so dass die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts im Konstantstrom-Ladebereich auf ein Niveau ansteigt, das höher als das in einem herkömmlichen Batterieladegerät ist. Dem gemäß kann die Zeitdauer des Konstantstrom-Ladebereichs verlängert werden, so dass das Laden schnell vonstatten geht. Im Konstantspannungs- Ladebereich schwächt sich der Ladestrom ab, so dass sich das Vergleichssignal allmählich der Referenzspannung angleicht, und die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts auf die voreingestellte Spannung der Referenzspannung zu läuft. Wenn der Wert des Widerstands, der die zum Ladestrom proportionale Spannung Vg erzeugt, geeignet gewählt ist, wird daher die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie die voreingestellte Spannung nicht überschreiten. Somit tritt kein Überladen auf und die Lebensdauer wird nicht verkürzt. Darüber hinaus kann die Ladevollendungsdauer stark verkürzt werden, da das Laden im Konstantstrom-Ladebereich schnell vonstatten geht.
Wenn ein Transistorschalter oder dgl. als Ausgangsschalter verwendet wird, entsteht ein großer Verlust und die Ladedauer ist stark verlängert. Aus diesen Gründen wird im Stand der Technik ein Relais (oder ein Schalter) verwendet. Bei der Erfindung kann die Ladespannung nach Wunsch eingestellt werden, so dass sogar bei Verwendung eines Transistorschalters oder dgl. der Verlust leicht auszugleichen ist.

Claims

1. Batterieladegerät zur Versorgung einer zu ladenden Batterie mit einem Ladestrom (Ic) und einer Ausgangsspannung (V), mit

ersten und zweiten Batterieanschlussklemmen (8) zum Anschluss der Batterie während des Ladens,

einem Spannungsdetektor (2), der die Ausgangsspannung (V) des Ladegeräts, die als Ergebnis der Spannungsteilung zweier, zwischen einer ersten Batterieanschlussklemme und dem Erdungsanschluss angeschlossenen Widerstände (5, 6) erhalten wurde, mit einer Referenzspannung (Vr) vergleicht und ein erstes Steuersignal an eine Steuereinheit (1) abgibt,

einem Stromdetektor (3), der den Ausgangsstrom (Ic) des Ladegeräts aus einem Parallelwiderstand (4) erfasst und ein zweites Steuersignal an die Steuereinheit abgibt,

einer Steuereinheit (1) zur Steuerung der Ausgangsspannung (V) und des Ladestroms (Ic) im Ansprechen auf das erste und zweite Steuersignal, indem sie in einem Anfangszeitraum eine Konstantstromladung durchführt und eine Konstantspannungsladung, nachdem die Batterie einen konstanten Wert erreicht hat, und

einen von der Steuereinheit gesteuerten Ausgangsschalter (7), der den Ausgangsstrom ein- und ausschaltet,

dadurch gekennzeichnet, dass

Additionseinrichtungen (10, 11) vorgesehen sind, die einen mit der zu ladenden Batterie zwischen der zweiten Batterieanschlussklemme (8) und der Masse in Reihe geschalteten Widerstand (10) umfassen, um eine Spannung (Vg) zu erzeugen, die proportional zu dem Ladestrom (Ic) in dem Widerstand (10) ist, und

einen an den Widerstand (10) und den Spannungsdetektor angeschlossenen Addierer (11) umfassen, bei dem

die zum Ladestrom proportionale Spannung (Vg) im Addierer (11) zu der Referenzspannung (Vr) addiert und der Additionswert mit der Ausgangsspannung verglichen wird.

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die im Widerstand (10) erzeugte Proportionalspannung (Vg) an den Stromdetektor (3) angelegt wird.