DE69625714T2

DE69625714T2 - Digital gesteuertes schaltnetzteil zum laden von wiederaufladbaren batterien

Info

Publication number: DE69625714T2
Application number: DE69625714T
Authority: DE
Inventors: Jesper Michelsen; Arthur Kim ANDERSEN; Kim Rasmussen; Mygh Lars ANDERSEN
Original assignee: CHARTEC LAB AS CHARLOTTENLUND; Chartec Laboratories AS
Current assignee: CHARTEC LAB AS CHARLOTTENLUND; Chartec Laboratories AS
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: WO1998015997A1; AU7211196A; EP0931374A1; US6031359A; DE69625714D1; EP0931374B1; ATE230899T1

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines Schaltnetzteils, das zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie verwendet wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Tastgrads eines Schalters in dem Schaltnetzteil während des Ladens der Batterie auf der Grundlage der Bestimmung eines oder mehrerer charakteristischer Batterieladeparameter des Ladeverfahrens und von Vergleichen der bestimmten Parameterwerte mit gewünschten Parameterwerten.
Hintergrund der Erfindung
Wenn eine wiederaufladbare Batterie, zum Beispiel eine iCd-Batterie geladen wird, wird eine höhere elektrische Spannung als die Leerlauf-Ausgangsspannung der Batterie an die Anschlüsse der Batterie angelegt, so daß ein Stromfluß durch die Batterie erzeugt wird. Der Strom bewirkt, daß in der Batterie ein chemischer Prozeß stattfindet, durch den Energie in der Batterie gespeichert wird.
Wenn die Batterie vollständig geladen ist, hört der chemische Prozeß auf, und die an die Batterie zugeführte Energie wird im folgenden in Wärme umgewandelt. Da wiederaufladbare Batterien in verschlossenen Behältern untergebracht sind, führt die Wärmeerzeugung zu einem erhöhten Druck in der Batterie, was eine chemische Zerstörung der Batterie bewirkt, wodurch die Energiespeicherkapazität der Batterie verringert wird.
Wenn eine Batterie geladen wird, ist es somit wichtig, die Batterie vollständig zu laden und das Laden der Batterie zu beenden, bevor die Erzeugung von Wärme in der Batterie die Energiespeicherkapazität der Batterie stark verringert.
Typischerweise nimmt die Spannung an den Batterieanschlüssen während des Ladens linear zu. Wenn die Batterie jedoch nahezu vollständig geladen ist, nimmt die Spannung steiler auf ein Maximum zu, was anzeigt, daß der Zustand vollständiger Aufladung erreicht wurde. Fortgesetztes Laden führt aufgrund der Temperaturerhöhung zu einem Spannungsabfall, weil der Temperaturkoeffizient der Spannung negativ ist. Entsprechend fällt der Ladestrom typischerweise bei vollständiger Ladung auf ein Minimum und nimmt dann zu.
In WO 92/15142 ist ein Verfahren offenbart, in dem das Laden einer Batterie präzise, d. h. nachdem die Batterie vollständig geladen wurde und bevor sich die Kapazität der Batterie verringert, beendet werden kann. Das Verfahren weist die Bestimmung der restlichen Ladezeit während des Ladens auf der Grundlage bestimmter Ladeparameterwerte und gewünschter Ladeparameterwerten auf.
Ladeparameter können die Spannung an der Batterie, den an die Batterie zugeführten Ladestrom und/oder die Temperatur der Batterie umfassen. Es wurde empirisch gezeigt, daß die Kurvenformen dieser Parameter als Funktion der Zeit mit dem Abstand zu dem Zeitpunkt, zu dem es wünschenswert ist, das Laden zu beenden, korreliert. Nachdem die Kurvenformen bestimmt wurden, kann die benötigte Zeit, um die Batterie vollständig zu laden, aus dem Vergleich mit jeweiligen Referenzkurven bestimmt werden.
In US-A-5 541 490 ist eine Batteriesäule für einen tragbaren Computer offenbart, die eine Steuerung zum Steuern des Ausgangsstroms eines Batterieladgeräts aufweist. Das von der Steuerung erzeugte Steuersignal ist ein moduliertes Signal mit fester Frequenzimpulsbreite, dessen Tastgrad ansprechend auf die Spannung und die Temperatur der Batterie, die gerade geladen wird, und den an die Batterie zugeführten Ladestrom bestimmt wird. Das Steuersignal wird an dem Ladegerät tiefpaßgefiltert, um einen Gleichstromwert des Signals zu liefern, der proportional zu dem Tastgrad des Signals ist. Der Gleichstromwert wird als eine Eingabe eines Summierverstärkers eingegeben, dessen Ausgabe ein Rückkopplungssteuersignal an das Batterieladegerät liefert.
In US-A-5 359 280 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Satelliten offenbart, das Sonnenenergie nutzt. Die Ladegerätschaltung umfaßt ein Schaltnetzteil, das eine Drosselspule in Reihe mit der Batterie und ein Paar abwechselnd geschalteter Transistoren aufweist, welche als Schalter wirken. Der Stromausgang des Netzteils wird von einer Steuerung gesteuert, die Ladeparameter, einschließlich dem Stromfluß zu der Batterie, steuert. Die Steuerung erzeugt Durchschalte-Steuersignale für die Schalttransistoren, um den Tastgrad des Schaltsignals und folglich der Ausgangsspannung des Netzteils und den Stromfluß von dem Netzteil zu der Batterie zu steuern. Der Stromfluß wird durch Vergleichen des tatsächlichen Ladestroms mit einem Referenzwert gesteuert, welcher der Steuerung von einem Satellitencomputer zugeführt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist wünschenswert, eine Batterie auf optimale Weise zu laden, wobei sichergestellt wird, daß die Batterie innerhalb einer kurzen Zeitspanne vollständig geladen wird, ohne die Batterie zu schädigen. Somit ist es wünschenswert, während des Ladens verschiedene Batterieladeparameter zu überwachen und die an die Batterie während des Ladens gelieferte Leistung entsprechend überwachten Batterieladeparameterwerten zu steuern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines Batterieladegeräts und ein Batterieladegerät, das gemäß diesem Verfahren arbeitet, zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben erwähnten und andere Aufgaben durch ein Verfahren zum Laden wiederaufladbarer Batterien mit einem Schaltnetzteil gelöst, welches aufweist: das Bestimmen eines oder mehrerer Ladeparameter und
das Steuern des Spannungsausgangs des Schaltnetzteils durch digitales Erzeugen eines Durchschaltesignals zum Steuern der Öffnungsperioden und Schließperioden einer Schalteinrichtung des Schaltnetzteils, wobei jede der Zeiten für die Öffnungsperiode und die Schließperiode der Schalteinrichtung jeweils ansprechend auf den bestimmten einen oder mehrere Batterieladeparameter und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte bestimmt wird. Das Durchschaltesignal wird von einem Signalgenerator erzeugt, der aufweist:
einen Zähler, wobei der Wert des Durchschaltesignals durch den digitalen Wert der Zählerausgabe bestimmt wird, und ein erstes und
ein zweites Register, wobei ein erstes digitales Wort in dem ersten Register gespeichert wird, um die Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung zu bestimmen, und ein zweites digitales Wort in dem zweiten Register gespeichert wird, um die Dauer der Schließperiode der Schalteinrichtung zu bestimmen, wobei der Zähler abwechselnd jeweils von dem ersten Wort und dem zweiten Wort rückwärts zählt.
Das Verfahren kann ferner jeweils das Bestimmen der Schließperioden und/oder der Öffnungsperioden in einer derartigen Weise aufweisen, daß der von dem Schaltnetzteil gelieferte Batterieladestrom oder die Batterieladespannung im wesentlichen identisch zu den entsprechenden Aufladeverfahren-Referenzwerten ist.
Ferner wird ein Batterieladegerät zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung gestellt, wobei das Batterieladegerät aufweist: ein Schaltnetzteil,
eine Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines oder mehrerer Batterieladeparameter während des Ladens der wiederaufladbaren Batterie,
eine Steuerungseinheit zum Steuern des Schaltnetzteils ansprechend auf die von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung empfangenen Batterieladeparameterwerte, wobei die Steuerungseinheit umfaßt:
eine Tastgrad-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Dauern der jeweiligen Öffnungsperioden und der Schließperioden einer Schalteinrichtung ansprechend auf mindestens einen der von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung empfangenen Batterieladeparameterwerte und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte und
einen Signalgenerator zum digitalen Erzeugen eines Durchschaltesignals zum Steuern der Öffnungs- und Schließperioden der Schalteinrichtung des Schaltnetzteils jeweils entsprechend den bestimmten Dauern, wobei die Leistungsausgabe des Batterieladegeräts ansprechend auf gemessene Batterieladeparameterwerte zum Erzielen eines gewünschten Aufladeverfahrens eingestellt wird. Die Steuerungseinheit weist ferner eine Speicherschaltung zum Speichern von Aufladeverfahren-Referenzwerten auf, und der Signalgenerator weist auf:
ein erstes Register zum Speichern eines ersten Binärwerts, der die Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung bestimmt,
ein zweites Register zum Speichern eines zweiten Binärwerts, der die Dauer der Schließperiode der Schalteinrichtung bestimmt, und
einen Zähler mit
einem ersten Eingangsport, der mit dem ersten Register verbunden ist,
einem zweiten Eingangsport, der mit dem zweiten Register verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Binärwerte jeweils abwechselnd in den Zähler geladen werden, wenn der Zähler einen dritten Binärwert erreicht, und
einem Latch mit einem Ausgang, der seinen Zustand immer ändert, wenn der Zähler den dritten Binärwert erreicht, und der mit dem Steueranschluß der Schalteinrichtung verbunden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Batterieladegerät zum Laden einer wiederaufladbaren Bat terie zur Verfügung gestellt, wobei das Batterieladegerät aufweist:
ein Schaltnetzteil,
eine Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines oder mehrerer Batterieladeparameter während des Ladens der wiederaufladbaren Batterie,
eine Steuerungseinheit zum Steuern des Schaltnetzteils ansprechend auf die von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung empfangenen Batterieladeparameterwerte, wobei die Steuerungseinheit umfaßt:
eine Tastgrad-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Dauern der jeweiligen Öffnungsperioden und der Schließperioden einer Schalteinrichtung ansprechend auf mindestens einen der von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung empfangenen Batterieladeparameterwerte und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte und
einen Signalgenerator zum, digitalen Erzeugen eines Durchschaltesignals zum Steuern der Öffnungsperioden und Schließperioden der Schalteinrichtung des Schaltnetzteils jeweils entsprechend den bestimmten Dauern, wobei die Leistungsausgabe des Batterieladegeräts ansprechend auf gemessene Batterieladeparameterwerte zum Erzielen eines gewünschten Aufladeverfahrens eingestellt wird. Die Steuerungseinheit umfaßt ferner:
eine Speicherschaltung zum Speichern von Aufladeverfahren-Referenzwerten, und der Signalgenerator weist auf:
ein erstes Register zum Speichern eines ersten Binärwerts, der die Dauer der Schließperiode oder der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung bestimmt,
ein zweites Register zum Speichern eines zweiten Binärwerts, der die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung bestimmt,
einen Zähler mit einem Eingangsport, der mit dem zweiten Register verbunden ist, wobei der zweite Binärwert in den Zähler geladen wird, wenn der Zähler einen dritten Binärwert erreicht,
einen Vergleicher zum Vergleichen des Zählerbinärwerts mit dem ersten Binärwert, der aufweist:
einen ersten Eingangsport, der mit dem ersten Register verbunden ist,
einen zweiten Eingangsport, der mit dem Zähler verbunden ist, und
einen Ausgang, der den Zustand ändert, wenn sich das Vorzeichen der Differenz zwischen dem Zählerbinärwert und dem ersten Binärwert ändert, und der mit dem Gatter der Schalteinrichtung verbunden ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung können zum Laden wiederaufladbarer Batterien aller Art, wie etwa von Nickel-Cadmium (NiCd)-Batterien, Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batterien, Li-Batterien, etc., verwendet werden.
Das Schaltnetzteil kann ein Gleichstrom-Wechselstromwandler, ein Gleichstrom-Gleichstromwandler, wie etwa ein Buck-Wandler, ein Boost-Wandler, ein Abwärts-Aufwärtswandler, ein Durchflußwandler, ein Sperrwandler, ein Gegentaktwandler, eine Halbbrücke, eine Vollbrücke, ein CuK-Wandler, etc., sein.
Das Schaltnetzteil kann ein Netz-Schaltnetzteil sein oder es kann einen Transformator zum Transformieren der Netzspannung auf eine andere Spannung, bevorzugt eine niedrigere Spannung, aufweisen.
Die Schaltfrequenz kann jede für das fragliche Batterieladegerät geeignete Frequenz sein, bevorzugt ist die Schaltfrequenz im Bereich von 10 kHz–100 kHz, besser im Bereich von 15 kHz–50 kHz, am besten 20 kHz–35 kHz.
Bevorzugt ist die Schaltfrequenz über 20 kHz, um die Erzeugung eines hörbaren Tons bei der Schaltfrequenz zu vermeiden.
Der Zustand der Batterie, die gerade geladen wird, wird während des Ladens überwacht, was ein optimales Aufladungsverfahren sicherstellt, d. h. sicherstellt, daß die Batterie in einer kurzen Zeitspanne vollständig geladen wird, ohne die Batterie zu schädigen. Verschiedene Batterieladeparameter, wie etwa der an die Batterie gelieferte Ladestrom, die Temperatur der Batteriezellen, die Spannung der Batteriezellen, die Leerlaufspannung der Batteriezellen, die Spannung an den Batterieanschlüssen, die Leerlaufspannung an den Batterieanschlüssen, etc., können während des Ladens überwacht werden.
Spezifische Werte von überwachten Batterieladeparametern können durch die direkte Messung des fraglichen Parameters oder durch eine Berechnung auf der Grundlage einer oder mehrerer Messungen des einen oder mehrerer Parameter bestimmt werden.
Die Steigung der Ladeparameter als eine Funktion der Zeit kann überwacht werden. Die Steigung kann bestimmt werden, indem vorher bestimmte Batterieladeparameterwerte gespeichert werden, so daß zu einer gegebenen Zeit tatsächliche Werte mit vorher gespeicherten Parameterwerten verglichen werden können und Steigungen berechnet werden können.
Jede Funktion der Batterieladeparameter kann während des Ladens der Batterie überwacht werden, um sie zur Bestimmung des Beendigungszeitpunkts für das Ladeverfahren zu verwenden. Zum Beispiel können spezifische Parameter Bemittelt werden oder während einer spezifischen Zeitspanne integriert werden, etc.
Das Ladeverfahren kann zu einem speziellen Beendigungszeitpunkt beendet werden, der aus den überwachten Batterieladeparametern und einem Satz erwünschter Parameterwerte bestimmt wird. Ein Endpunkt des Ladeverfahrens kann erreicht sein, wenn einer oder mehrere spezifische Parameter einen oder mehrere jeweilige erwünschte Werte erreichen.
Wenn die Spannung an den Anschlüssen der Batterie, die gerade geladen wird, während des Ladens überwacht wird, kann der Ladestrom an die Batterie während der Spannungsmessung für eine kurze Zeitspanne ausgeschaltet werden, wodurch die Erzeugung eines Spannungsabfalls an dem inneren Widerstand der Batterie durch den Ladestrom vermieden wird.
Es kann vorteilhaft sein, den Ladestrom bei der Annäherung an den Endzeitpunkt des Ladeverfahrens zu verringern, wodurch die Bestimmung des optimalen Endzeitpunkts ge nauer bestimmt werden kann. Auf diese Weise kann das Laden mit einem konstanten hohen Strom durchgeführt werden, bis einer der überwachten Parameter einen vorbestimmten Wert erreicht, und danach kann der Strom allmählich verringert werden.
Das Verfahren zur Bestimmung eines Endzeitpunkts für das Ladeverfahren kann bis kurz vor dem vollständigen Laden der Batterie nicht gestartet werden. Bis dahin kann ein einfaches Verfahren, das z. B. das Überwachen des Ladestroms oder der Spannung umfaßt, für die Entscheidung verwendet werden, wann das genauere Bestimmungsverfahren für den Endzeitpunkt gestartet werden soll.
Es kann ein Vorteil sein, als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme einige der Endekriterien zu übernehmen, die nach bisherigem Stand der Technik verwendet werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine maximale Ladedauer festgelegt werden. Das Laden wird dann spätestens zu diesem Zeitpunkt beendet, selbst wenn die anderen Endekriterien noch nicht erfüllt wurden. Es ist auch möglich, Schwellwerte für einen oder mehrere der gemessenen Parameter zu definieren, damit das Laden beendet wird, wenn einer der Parameter entsprechende Schwellwerte überschreitet oder darunter fällt.
Nach Beendigung des Ladens kann die in der Batterie gespeicherte Energiemenge mit Hilfe eines pulsierenden Stroms aufrecht erhalten werden. Dies stellt sicher, daß die Batterie vollständig geladen bleibt, wenn sie nach der Beendigung des Ladens in dem Ladegerät bleibt.
Bevor das tatsächliche Laden gestartet wird, kann zur Messung von charakteristischen Batterieparametern eine Spannung an die Batterie angelegt werden, wodurch bestimmt werden kann, ob eine Batterie der richtigen Art und ohne Fehler mit dem Ladegerät verbunden wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, findet kein Laden statt. Auf diese Weise werden Versuche, falsche Batteriearten oder defekte Batterien, in denen zum Beispiel eine Zelle falsch ausgerichtet ist, zu laden, vermieden.
Das Ladeverfahren wird gesteuert, indem ansprechend auf überwachte Batterieladeparameter die Leistungsausgabe des Schaltnetzteils eingestellt wird, welches Ladestrom an die Batterie liefert.
Die Schalteinrichtungen des Schaltnetzteils weisen einen oder mehrere Schalter, wie etwa Bipolartransistoren, FET-Transistoren, Thyristoren, etc., auf. Die Leistungsausgabe des Schaltnetzteils wird durch die Einstellung der Öffnungsperioden und der Schließperioden von Schaltern der Schalteinrichtungen eingestellt.
Zum Beispiel ist das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung des Wandlers in einem BuckWandler, der im Dauerbetrieb arbeitet, proportional zu dem Verhältnis zwischen der Schließperiode und der Gesamtperiode des Schalters.
Somit kann das Ladeverfahren gesteuert werden, indem die Dauer der Schließperiode relativ zu der Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung eingestellt wird, wodurch die an die Batterie übertragene Leistung eingestellt wird.
Typischerweise weist ein Schaltnetzteil nach bisherigem Stand der Technik eine analoge Schaltungsanordnung zum Steuern der Schaltungseinrichtung auf, wobei die Schaltungsanordnung einen Sägezahngenerator zur Erzeugung einer linear ansteigenden Spannung und einen Spannungsvergleicher zum Vergleich der linear ansteigenden Spannung mit einem spezifischen Schwellwert aufweist. Wenn die linear ansteigende Spannung die Schwelle erreicht, ändert die Steuerspannung der Schalteinrichtung den Zustand, und die Schalteinrichtung geht von einem geschlossenen (Ein-Zustand) in einen offenen (Aus-Zustand) über, und der Sägezahn wird auf null zurückgesetzt. Ein Taktsignal startet den Sägezahngenerator neu und ändert den Zustand des Steuersignals für die Schalteinrichtungen, so daß die Schalteinrichtungen von dem Aus-Zustand in den Ein-Zustand übergehen.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Schaltungsanordnung, wie im vorherigen Abschnitt be schrieben, nicht länger benötigt wird, weil die Schalteinrichtungen z. B. mit einem Signalgenerator, der einen Zähler aufweist, digital gesteuert werden, wobei der Binärwert der Zählerausgabe direkt den Zustand der Schalteinrichtungen des Schaltnetzteils steuert. Auf diese Weise werden die Kosten von Batterieladegeräten gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu entsprechenden bekannten Batterieladegeräten gesenkt.
Batterieladegeräte gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum Beispiel nützlich zum Laden von Batterien mit hohen Ladeströmen. Es kann wünschenswert sein, eine Batterie mit einem hohen Ladestrom zu laden, um in der Lage zu sein, eine Batterie in einer sehr kurzen Zeit zu laden. Jedoch führen hohe Ladeströme zu einer großen Wärmeerzeugung, was es sogar noch entscheidender macht, das Laden zur richtigen Zeit, nachdem die Batterie vollständig geladen wurde, zu beenden, so daß keine übermäßige Wärme in der Batterie erzeugt wird.
Ferner sind die Kosten des Netzteils um so höher, je größer der Nennstrom des Netzteils ist, die erniedrigten Kosten von Batterieladegeräten der vorliegenden Erfindung wirken den erhöhten Kosten eines höheren Nennstroms jedoch entgegen.
Der Signalgenerator weist ein erstes und ein zweites Register auf, wobei ein erstes digitales Wort in dem ersten Register gespeichert wird, um die Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung zu bestimmen, und ein zweites digitales Wort in dem zweiten Register gespeichert wird, um die Dauer der Schließperiode der Schalteinrichtung zu bestimmen, wobei der Zähler abwechselnd jeweils von dem ersten Wort und dem zweiten Wort nach null rückwärts zählt.
Typischerweise wird die Leistungsausgabe eines Schaltnetzteils eingestellt, indem der Tastgrad der Schalteinrichtung in einer derartigen Weise eingestellt wird, daß die Schaltfrequenz konstant gehalten wird, um den Aufbau des Schaltnetzteils zu vereinfachen und die Wirkkomponentenbelastung zu minimieren, d. h. wenn die Dauer der Schließperiode um δt erhöht wird, wird die Öffnungsperiode ebenfalls um δt verringert, wobei die Schaltfrequenz unverändert gelassen wird.
Der Tastgrad eines Schalters ist als das Verhältnis zwischen der Schließperiode des Schalters und der gesamten Schaltperiode des Schalters (d. h. die Summe der Schließperiode und der Öffnungsperiode des Schalters) definiert.
Das Konstanthalten der Schaltfrequenz kann jedoch zu zu großen Tastgradschrittweiten führen, so daß ein von dem Schaltnetzteil gelieferter Ladestrom nur in sehr großen Schrittweiten eingestellt werden kann, was zur Erreichung eines optimalen Ladeverfahrens nicht ausreichend sein kann.
Somit kann der Tastgrad der Schalteinrichtung eingestellt werden, indem die Dauer der Schließperiode eingestellt wird, ohne die Dauer der Öffnungsperiode anzupassen, oder umgekehrt, oder indem die Dauer der Schließperiode und die Dauer der Öffnungsperiode eingestellt werden, wobei zugelassen wird, daß die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung ebenfalls geändert wird. Dadurch kann der Tastgrad der Schalteinrichtung in kleinen Schrittweiten eingestellt werden, welche ausreichen, um ein optimales Ladeverfahren zu erzielen.
Im allgemeinen kann jede gewünschte Auflösung des Tastgrads erreicht werden, indem die Tastgrade im Betrieb der Schalteinrichtung als eine Funktion der Zeit verändert werden, wodurch der gewünschte Tastgradwert als ein Mittel der ausgewählten Tastgrade im Betrieb über der fraglichen Zeitspanne erhalten werden kann.
Eine kleinere oder größere Anzahl von empirisch bestimmten Referenzparameterverläufen, wie etwa Werte der Referenzparameter als eine Funktion der Zeitdauer, die seit dem Beginn des Ladeverfahrens vergangen ist, kann in dem Batterieladegerät zum Beispiel mit elektronischen Speichereinrichtungen, wie etwa einem Speicher, gespeichert werden. Wenn es erwünscht ist, die wiederaufladbare Batterie schnell zu laden, ohne dieselbe wesentlich zu beeinträchtigen, hängt das ideale oder erwünschte Ladeverfahren vor allem von dem Ladezustand der Batterie vor dem Beginn des Ladeverfahrens ab. Deshalb stellen die gespeicherten Referenzparameterverläufe ideale oder wünschenswerte Ladeverfahren für verschiedene Anfangsladezustände der Batterie dar. Wenn der Ladezustand der wiederaufzuladenden Batterie bekannt ist oder bestimmt werden kann, kann der Referenzverlauf mit dem Anfangsladezustand, der dem tatsächlichen Ladezustand der wiederaufzuladenden Batterie am nächsten ist, ausgewählt werden, und das Verfahren zum Laden der Batterie kann so gesteuert werden, daß es den Verlauf des genannten mindestens einen Parameters dem ausgewählten Referenzverlauf annähert, wodurch sichergestellt werden kann, daß die Batterie in keiner Weise Schaden nimmt, z. B. indem sie übermäßig hoher Spannung oder Ladestrom, übermäßiger Erwärmung, etc., ausgesetzt wird, wodurch eine hohe Lebensdauer der Batterie erhalten wird.
Im Prinzip kann der Ladezustand der wiederaufzuladenden Batterie durch einen speziellen Meßschritt bestimmt werden, und der an diesen angepaßte entsprechende Referenzparameterverlauf oder ein ähnlicher Anfangsladezustand kann dann ausgewählt werden, indem die relevanten Informationen zum Beispiel durch geeignete Tasten an das Batterieladegerät geliefert werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird der relevante Referenzverlauf jedoch von dem Batterieladegerät automatisch ausgewählt.
Es sollte klar sein, daß das Ladeverfahren auf jede geeignete Weise gesteuert werden kann, durch die der Verlauf des Ladeparameters an den ausgewählten Referenzparameterverlauf angenähert werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Ladeverfahren jedoch durch Steuerung der an die Anschlüsse der Batterie gelieferten Energie gesteuert. Bevorzugt ist der an die Batterie gelieferte Ladestrom zu Beginn des Ladeverfahrens relativ niedrig, während der Ladestrom während einem darauf folgenden Hauptteil des Ladeverfahrens, um dieses zu beschleunigen, bevorzugt auf einem im wesentlichen konstanten Maximalwert gehalten wird.
Gegen Ende des Ladeverfahrens kann der Innenwiderstand der Batteriezelle zunehmen, wodurch die Ladespannung dazu neigt, zuzunehmen, wenn der Ladestrom auf diesem Maximalwert gehalten werden soll. Eine zu hohe Spannung kann ei- ne schädliche Temperaturzunahme innerhalb der Zellen bewirken. Deshalb wird die an die Batterieanschlüsse gelieferte Spannung bevorzugt auf ein vorbestimmtes Maximum begrenzt, wobei das Ladeverfahren nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, die beginnt, wenn die Spannung dieses Maximum erreicht hat, beendet wird. Dies bedeutet, daß die Ladespannung während dieser vorbestimmten Zeitdauer bevorzugt auf ihrem Maximalwert gehalten wird, und da der Innenwiderstand der Batteriezellen zunimmt, wird der Ladestrom normalerweise während dieser Zeitdauer, die bevorzugt derart ausgewählt wird, daß die Batterie im wesentlichen vollständig aufgeladen ist, wenn diese Zeitdauer abgelaufen ist, allmählich abnehmen. Bevorzugt hängt die vorbestimmte Zeitdauer mit dem ausgewählten Referenzverlauf zusammen, was bedeutet, daß jeder Referenzparameterverlauf nicht nur Informationen über die maximale Ladespannung enthält, welche der Batterie zugeführt werden soll, sondern auch über die Zeitdauer, über die eine derartige Maximalspannung am Ende der Ladedauer aufrechterhalten werden sollte.
Wie weiter oben erwähnt, können die Referenzparameterverläufe, die mit dem tatsächlichen Parameterverlauf verglichen werden sollen, Kurven oder Graphen sein, und das Vergleichsverfahren kann durch ein Mustererkennungsverfahren mit Hilfe einer Mustererkennungs-Schaltungsanordnung durchgeführt werden. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform wird der Ladeparameter jedoch momentan in kurzen Zeitintervallen während des Ladens gemessen, wobei die gemessenen Parameterwerte mit entsprechenden Referenzwerten der Referenzparameterverläufe verglichen werden und der relevante Referenzparameterverlauf auf der Grundlage des Vergleichs derartiger Meßwerte und Referenzwerte ausgewählt wird. Das Vergleichsverfahren kann momentan während dem Ladeverfahren durchgeführt werden, so daß die Steuerschaltung oder Steue rungseinheit von einem Referenzparameterverlauf zu einem anderen schalten kann, wenn das fortgesetzte Vergleichsverfahren zeigt, daß der zuerst gewählte Referenzparameterverlauf nicht der ist, der am nächsten zum tatsächlichen Ladeverfahren ist.
Wenn die Ladeparameterwerte mit den Referenzwerten verglichen werden, kann es vorteilhaft sein, die Steigung der Parameterwerte als eine Funktion der vergangenen Ladezeit mit entsprechenden Referenzwerten zu vergleichen. Als ein Beispiel kann die Steigung der Ladespannung als eine Funktion der vergangenen Ladezeit mit den entsprechenden Referenzwerten verglichen werden. Um die Leerlaufspannung der Batterie an den Batterieanschlüssen zu bestimmen, kann der Ladestrom für eine kurze Zeitdauer abgeschaltet werden.
Die Parameterwerte können gemessen werden, und die Steigung der Parameterwerte kann in gleichmäßigen ersten Zeitintervallen bestimmt werden, wobei jede Bestimmung der Steigung auf Parameterwerten basiert, die in zweiten Zeitintervallen gemessen werden, wobei das zweite Zeitintervall ein Vielfaches des ersten Zeitintervalls ist. Die Parameterwerte können ziemlich häufig gemessen werden, was bedeutet, daß das erste Zeitintervall relativ kurz, zum Beispiel etwa 10 Sekunden, sein kann. Die Steigung basiert jedoch bevorzugt auf Messungen mit einem Zeitabstand der einige Male größer, zum Beispiel 90 Sekunden, ist.
Die Bestimmung der Steigung kann am Anfang des Ladeverfahrens gestartet werden. Die Bestimmung der Steigung kann jedoch vorteilhafterweise verschoben werden, bis ein Meßwert der charakteristischen Parameter einen vorbestimmten Wert überschreitet, wenn es offensichtlich ist, daß die am besten unterscheidbaren Steigungen festgestellt werden, nachdem ein derartiger vorbestimmter Wert des Parameters überschritten wurde.
Die gespeicherten Referenzparameterverläufe können nicht nur Verläufe aufweisen, die Ladeverfahren darstellen, welche für ein und dieselbe Batterieart ideal oder wünschenswert sind, sondern sogar mehrere Referenzparameterver läufe für jede von zwei oder mehr unterschiedlichen Batteriearten. In einem derartigen Fall kann es der erste Verfahrensschritt sein, die zu ladende Batterieart zu bestimmen und die mit dieser Batterieart zusammenhängenden Referenzparameterverläufe auszuwählen. Danach kann das Verfahren wie weiter oben beschrieben weitergehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen weiter beschrieben, wobei:
1 ein Blockschaltbild ist, das die Arbeitsprinzipien einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ein Blockschaltbild eines Signalgenerators ist, der gemäß der Erfindung arbeitet;
3 ein Blockschaltbild eines anderen Signalgenerators ist, der gemäß der Erfindung arbeitet;
4 ein Flußdiagramm ist, das den Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 ein Flußdiagramm zur Modulation des Tastgrads ist;
6 ein Flußdiagramm zur Berechnung der Schließzeit und der Öffnungszeit des Schalters ist; und
7 eine Kurvendarstellung des Ladeverfahrens einer NiCd-Batterie ist.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die grundlegenden Betriebsprinzipien eines Batterieladegeräts gemäß der Erfindung sind in 1 dargestellt. Wie gezeigt, weist das Batterieladegerät 10 auf: einen Buck-Wandler 12, der aufweist: einen Eingangskondensator 14 zur Energiespeicherung, eine Drossel 16 zur Energiespeicherung, einen Stromschalter 18 zum intermittierenden Übertragen von Energie von dem Eingangskondensator 14 an die Drossel 16, einen Ausgangskondensator 20, eine Diode 21 zum Leiten des durch die Drossel 16 fließenden Stroms während den Öffnungsperioden des Stromschalters 18, einen Schalter 22 zum Trennen des Batterieladegeräts 10 von der Batterie 24, die gerade geladen wird, während der Messung der Leerlaufspannung der Batterie, einen Meßwiderstand 26 zum Messen des an die Batterie 24 gelieferten Ladestroms und einen Mikrocontroller 28 zum Empfangen von Spannungssignalen 30, 32, 34, welche die Spannung an den Batterieanschlüssen 24, den von dem Ladegerät 10 an die Batterie 24 gelieferten Ladestrom und die Temperatur der Batterie 24 anzeigen und zum Erzeugen eines Steuersignals 36 dienen, welches die Öffnungsperioden und die Schließperioden des Schalters 18 ansprechend auf die Spannungssignale 30, 32, 34 steuert.
Der Schalter 22 kann nicht in der Schaltungsanordnung enthalten sein, weil die Leerlaufspannung an den Batterieanschlüssen gemessen werden kann, indem der Stromschalter 18 geöffnet wird und es dem Ausgangskondensator 20 ermöglicht wird, sich vor der Messung der Leerlaufspannung über die Batterie 24 zu entladen.
Der Mikrocontroller 28 weist auf: einen Mikroprozessor 38 zum Steuern des Mikrocontrollerbetriebs, einschließlich der Bestimmung der Dauern der Öffnungs- und Schließperioden des Stromschalters 18 ansprechend auf die Spannungssignale 30, 32, 34, einen Analog-Digitalwandler 40 zum Umwandeln der Spannungssignale 30, 32, 34 in Binärwerte, Ausgangsports zur Erzeugung von Hilfssteuersignalen, wie etwa einem Steuersignal für den Ausgangsschalter 22, der steuert, ob der Schalter 22 geöffnet oder geschlossen ist, und einen Signalgenerator 44 zur Erzeugung des Steuersignals für den Stromschalter 18. Der Betrieb des Signalgenerators wird weiter unten detaillierter diskutiert.
Der Betrieb eines Buck-Wandlers 12 ist auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Die Eingangsleistung wird an die Anschlüsse 46, 48 des Batterieladegeräts 10 zugeführt. Typischerweise wird die Eingangsleistung von einer einfachen mit der Netzspannung verbundenen linearen Stromversorgung geliefert, die aufweist: einen Transformator, der die Netzspannung auf eine niedrige Wechselspannung, z. B. etwa 24 V Spitze-Spitze, transformiert, und einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung, die mit dem Eingangskondensator 14 des Buck-Wandlers 12 in eine Gleichspannung, z. B. etwa 12 V Gleichspannung, gefiltert werden soll. Wenn der Stromschalter 18 geschlossen wird, wird eine Spannung gleich der Eingangsspannung minus der Ausgangsspannung an dem Ausgangskondensator 20 an die Drossel 16 angelegt, und auf diese Weise nimmt der Strom durch die Drossel linear zu, während in dem Magnetfeld der Drossel 16 Energie gespeichert wird. Wenn der Stromschalter 18 geöffnet wird, wird die Diode 21 angeschaltet, und eine Spannung gleich der Ausgangsspannung mit entgegengesetzter Polarität wird an die Drossel 16 angelegt, und auf diese Weise nimmt der Strom durch die Drossel 16 linear ab, während von dem Magnetfeld der Drossel 16 Energie geliefert wird. Es ist auch wohlbekannt, daß das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung, d. h. die Spannung an dem Ausgangskondensator 20, und der Eingangsspannung, d. h. der Spannung an dem Eingangskondensator 14, gleich dem Tastgrad des Schalters 18 ist, d. h. dem Verhältnis zwischen der Dauer der Öffnungsperiode des Stromschalters 18 und der Dauer der Öffnungsperiode plus der Schließperiode des Schalters 18. Der Ladestrom kann eingestellt werden, indem der Tastgrad des Stromschalters 18 eingestellt wird, da der an die Batterie 24 gelieferte Ladestrom gleich dem Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung des Wandlers 12 und dem Innenwiderstand der Batterie 24 (nicht gezeigt) plus dem Widerstand des Meßwiderstands 26 ist.
Ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäß arbeitenden Signalgenerators 44 ist in 2 gezeigt. Der gezeigte Signalgenerator 44 weist auf: einen Rückwärtszähler 50 zum Rückwärtszählen von einem durch Eingaben 51, 53 in den Zähler definierten Binärwert bis null, ein erstes Register 52 und ein zweites Register 54, wobei ein erstes digitales Wort in dem ersten Register 52 gespeichert wird, um die Dauer der Öffnungsperiode des Stromschalters 18 zu bestimmen, und ein zweites digitales Wort in dem zweiten Register 54 gespeichert wird, um die Dauer der Schließperiode des Schalters 18 zu bestimmen.
Nachdem der Zähler 50 von dem ersten Wort bis null rückwärts gezählt hat, gibt der Zähler 50 einen Impuls an das Latch 56 auf der Leitung 58 aus, und das Latch 56 schaltet seine Ausgabe 36 von hoch auf niedrig, wodurch der Stromschalter 18 ausgeschaltet wird. Gleichzeitig wird das zweite Wort aus dem zweiten Register 54 in den Zähler 50 geladen, und das Rückwärtszählen von dem zweiten Wort wird begonnen. Nachdem der Zähler 50 von dem zweiten Wort bis null rückwärts gezählt hat, gibt er ebenso einen Impuls an das Latch 56 auf der Leitung 58 aus, und das Latch schaltet seine Ausgabe 36 von niedrig auf hoch, wodurch der Stromschalter 18 angeschaltet wird. Gleichzeitig wird das erste Wort aus dem ersten Register 52 in den Zähler 50 geladen, und das Rückwärtszählen von dem ersten Wort wird begonnen. Der Rückwärtszähler 50 wird von einem Taktsignal 60 getaktet, das von einem programmierbaren Prescaler 62 geliefert wird, welcher von dem Mikroprozessor 38 programmiert wird und von einem Taktgenerator 64 getaktet wird. Es zeigt sich, daß die Schaltfrequenz des Stromschalters 18 durch die Summe aus dem ersten und dem zweiten Wort bestimmt wird.
Ein Blockschaltbild einer anderen beispielhaften Ausführungsform eines Signalgenerators 66, der erfindungsgemäß arbeitet, ist in 3 gezeigt. Der gezeigte Signalgenerator 66 weist auf: einen Vorwärtszähler 68 zum Hochzählen von einem durch die Eingaben 70 in den Zähler definierten Binärwert, ein erstes Register 72 und ein zweites Register 74, wobei ein erstes digitales Wort in dem ersten Register 72 gespeichert wird, um die Dauer der Öffnungsperiode des Stromschalters 18 zu bestimmen, und ein zweites digitales Wort in dem zweiten Register 74 gespeichert wird. Die Dauer der Schließperiode des Schalters 18 wird durch die Differenz zwischen dem ersten Wort und dem zweiten Wort bestimmt. Ein Vergleicher 76 vergleicht den Inhalt des ersten Registers 72 mit dem Inhalt des Zählers 68, und wenn der Zählerinhalt kleiner oder gleich dem Inhalt des ersten Registers 72 ist, ist die Ausgabe 36 des Vergleichers hoch und andernfalls ist sie niedrig. Wenn der Inhalt des Zählers 68 sich während des Hochzählens von lauter Einsen in lauter Nullen ändert, ändert sich auf diese Weise die Ausgabe 36 des Vergleichers von niedrig auf hoch, wodurch der Stromschalter 18 angeschaltet wird. Gleichzeitig wird das zweite Wort aus dem zweiten Register 74 in den Zähler 68 geladen, und das Hochzählen von dem zweiten Wort wird begonnen. Wenn der Inhalt des Zählers 68 den Inhalt des ersten Registers 72 überholt, geht der Ausgang des Vergleichers 76 von hoch auf niedrig, wodurch der Stromschalter 18 ausgeschaltet wird. Die Ausgabe 36 bleibt niedrig, bis der Zählerinhalt sich von lauter Einsen in lauter Nullen ändert, und der Zählzyklus wird wiederholt. Der Vorwärtszähler 68 wird von einem Taktsignal 60 getaktet, das von einem programmierbaren Prescaler 62 geliefert wird, welcher von dem Mikroprozessor 38 programmiert wird und von einem Taktgenerator 64 getaktet wird. Es zeigt sich, daß die Schaltfrequenz des Schalters 18 durch das zweite Wort bestimmt wird, da das Hochzählen von dem zweiten Wort begonnen wird und fortgesetzt wird, bis der Zählerinhalt lauter Einsen erreicht. Es wird bevorzugt, die Schaltfrequenz konstant zu halten und den Tastgrad durch Änderung des ersten Worts zu ändern, ohne das zweite Wort zu ändern.
Die in 2 und 3 jeweils gezeigten Signalgeneratoren 44, 66 können unter Verwendung im Handel erhältlicher Mikrocontroller einschließlich von bereits beschriebenen Registern und Zählern implementiert werden. Zum Beispiel kann die in 3 gezeigte Schaltung mit einem von SGS Thompson hergestellten ST62E60B- oder ST62E65B-Mikrocontroller implementiert werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden diese Mikrocontroller von einem 6 MHz-Quarzoszillator gesteuert, was zu einer Schaltfrequenz von 23,4375 kHz bei einer 8-Bit-Auflösung des Tastgrads der Schalteinrichtung führt. Wie weiter unten weiter erklärt wird, sind die Auflösung des Tastgrads und die Schaltfrequenz umgekehrt zueinander proportional, z. B. ist die Schaltfrequenz bei einer 7-Bit-Auflösung des Tastgrads 46,8750 kHz.
Ferner kann die in 2 gezeigte Schaltung mit einem von National Semiconductors hergestellten COP8ACC-Mikrocontroller implementiert werden. Typischerweise arbeitet der Taktgenerator 64 eines im Handel erhältlichen Mikrocontrollers bei einer ziemlich niedrigen Taktfrequenz, z. B. bei 1 MHz, was zu einer niedrigen Auflösung des Tastgrads des Steuersignals 36 führt. Wenn die Taktfrequenz zum Beispiel 1 MHz ist und die Summe der Inhalte des ersten Registers und des zweiten Registers (R₁ + R₂) gleich 32 ist, wird die Schaltfrequenz 1 MHz durch 32 zu 31,25 kHz dividiert, und die Auflösung des Tastgrads ist 1/32. Die Auflösung des Tastgrads kann erhöht werden, indem die Summe der Inhalte des ersten Registers und des zweiten Registers (R₁ + R₂) z. B. auf 64 erhöht wird. Dann wird die Schaltfrequenz jedoch z. B. auf 15,6 kHz verringert, was im hörbaren Bereich liegt. Auf diese Weise bestimmen die Taktfrequenz des Taktgenerators 64 und die Notwendigkeit, die Schaltfrequenz über einer gewissen Frequenz, z. B. dem hörbaren Frequenzbereich, zu halten, die Auflösung des Tastgrads, wenn die Schaltfrequenz konstant gehalten wird.
Da die Ausgangsspannung des Batterieladegeräts proportional zum Tastgrad ist und der Innenwiderstand der Batterie bei einer niedrigen Auflösung des Tastgrads niedrig ist, führt eine niedrige Auflösung des Tastgrads zu großen Schrittweiten des eingestellten Ladestroms, die typischerweise zu groß sind, um ein optimales Ladeverfahren zu erzielen. Wenn sich die Schaltfrequenz jedoch in einem vorbestimmten Bereich ändern darf, können, wie in der Tabelle weiter unten gezeigt, kleinere Schrittweiten des Tastgrads erreicht werden, wobei:
R₁ der Inhalt des ersten Registers ist,
R₂ der Inhalt des ersten Registers ist,
f die Schaltfrequenz in kHz ist,
RDuCy geteilt durch 64 der sich ergebende Tastgrad ist, und
DDuCy geteilt durch 64 der gewünschte Tastgrad ist.
In dem in der obigen Tabelle gezeigten Beispiel ist die Auflösung des Tastgrads um einen 50%-Tastgrad
. Wenn die Schaltfrequenz sich über einen größeren Frequenzbereich ändern darf, kann die Auflösung des Tastgrads verringert werden.
Im allgemeinen kann jede gewünschte Tastgrad-Auflösung erhalten werden, indem festgelegte Tastgrade, wie durch die ersten und zweiten Registerinhalte definiert, als eine Funktion der Zeit verändert werden, wodurch der gewünschte Tastgradwert als ein Mittel der festgelegten Tastgrade erhalten wird.
Wenn für das Steuersignal 36 zum Beispiel Tastgrade 10/64 und 11/64 festgelegt werden können, kann jeder Tastgradwert im Bereich von 10/64 bis 11/64 ausgewählt werden, indem für eine erste ausgewählte Zeitdauer P₁ der Tastgrad 10/64 und für eine zweite ausgewählte Zeitdauer P₂ der Tastgrad 11/64 ausgewählt wird, was einen mittleren Tastgrad ergibt.
Zum Beispiel können Schrittweiten von 1/256 erzielt werden, indem ein bestimmtes Zeitintervall in vier Teilintervalle geteilt wird und in den Teilintervallen Tastgrade ausgewählt werden wie weiter unten angegeben:
Mittel[10/64, 10/64, 10/64, 10/64] = 40/256
Mittel[10/64, 10/64, 10/64, 11/64] = 41/256
Mittel[10/64, 10/64, 11/64, 11/64] = 42/256
Mittel[10/64, 11/64, 11/64, 11/64] = 43/256
Der Betrieb einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Flußdiagramm von 4 dargestellt. Die Kästchen 100 und 101 bilden eine Warteschleife. 32 mal in der Sekunde wird die Warteschleife verlassen, und die Programmsteuerung wird für die Messung der Batterieladeparameter, wie etwa die Ladespannung, den Ladestrom, die Batterietemperatur, etc., dem Kästchen 102 und ferner dem Kästchen 103 übergeben. Jede halbe Sekunde wird die Programmsteuerung von dem Kästchen 102 an das Kästchen 104 übergeben, um die 16 vorherigen Messungen zu mitteln. Batterietemperaturen oder Temperaturgradienten werden über längere Zeitdauern, typischerweise über ½ bis 1 Minute Bemittelt. Die Bemittelten Werte werden im Kästchen 105 mit entsprechenden aktualisierten Referenzwerten verglichen, und der gewünschte Tastgrad wird in den Kästchen 106 oder 107 entsprechend eingestellt. Wie weiter oben erklärt und unter Bezug auf 5 weiter erklärt, kann der gewünschte Tastgrad durch Verändern des tatsächlichen Tastgrads über die Zeit erzielt werden. Dies wird im Kästchen 108 durchgeführt, in dem der tatsächliche Tastgrad entweder nach dem Vergleich der Mittelwerte der Batterieladeparameter mit Referenzwerten oder nach jeder Messung der Batterieladeparameter festgelegt wird. Nach der Berechnung des tatsächlichen Tastgrads im Kästchen 108 wird die Programmsteuerung zur Berechnung der entsprechenden Binärwerte t_ein und t_aus, welche jeweils die Öffnungs- und Schließperioden der Schalteinrichtung bestimmen, an das Kästchen 109 übergeben, und im Kästchen 110 werden diese Werte in die entsprechenden in 2 gezeigten Register 52, 54 geladen.
Die im Kästchen 108 in 4 durchgeführte Modulation des Tastgrads ist ferner in dem Flußdiagramm von 5 dargestellt. In dem in 5 gegebenen Beispiel stehen in den in 2 gezeigten Registern 52, 54 zur Bestimmung der Öffnungsperioden und der Schließperioden der Schalteinrichtung 5 Bits zur Verfügung. Die 5-Bit-Auflösung wird, wie unter Bezug auf die obige Tabelle und ferner weiter unten unter Bezug auf 6 beschrieben, auf eine 6-Bit-Auflösung verbessert.
In 5 wird die 6-Bit-Auflösung des Tastgrads auf eine 8-Bit-Auflösung verbessert, indem die Zeit in vier Zeitintervalle mit identischer Länge geteilt wird und indem der tatsächliche Tastgrad, wie bereits erklärt, in jedem der vier Zeitintervalle verändert wird. Wenn der gewünschte Tastgrad zum Beispiel 42/256 ist, kann dieser Tastgrad erzielt werden, indem der tatsächliche Tastgrad während der ersten zwei Zeitintervalle auf 10/64 und während der restlichen zwei Zeitintervalle auf 11/64 festgelegt wird.
Im Kästchen 120 wird der gewünschte 8-Bit-Tastgrad d₂₅₆ (42 in dem Beispiel weiter oben) durch 4 geteilt, um den 6-Bit-Tastgrad d₆₄ des ersten Zeitintervalls (Zeit = 0) zu berechnen, und der Rest r der Division der ganzen Zahlen wird im Kästchen 121 berechnet. Wenn d₂₅₆ zum Beispiel 42 ist, ist d₆₄ 10 und r ist 2. Im Kästchen 125 wird d₆₄ erhöht, wenn r in dem zweiten Zeitintervall (Zeit = 1) nicht gleich 0 ist (Kästchen 122) oder wenn r in dem dritten Zeitintervall (Zeit = 2) gleich 3 ist (Kästchen 123) oder wenn r in dem vierten Zeitintervall (Zeit = 3) gleich 2 oder 3 ist (Kästchen 124). Wenn d₂₅₆ zum Beispiel 42 ist, ist d₆₄ im ersten und dritten Zeitintervall 10 und im zweiten und vierten Zeitintervall 11.
Die im in 4 gezeigten Kästchen 109 durchgeführte Berechnung der 5-Bit-Binärwerte t_ein und t_aus ist ferner in dem Flußdiagramm von 6 dargestellt. Im Kästchen 140 werden Startwerte tein und taus berechnet und wenn d₆₄ gerade ist, brauchen keine weiteren Berechnungen durchgeführt zu werden. Wenn d₆₄ ungerade ist, wird tein im Käst chen 141 erhöht, und wenn d₆₄ größer als 42 ist, wird tein im Kästchen 142 nochmals erhöht, während taus um eins erhöht wird, wenn d₆₄ kleiner als 22 ist. Wie bereits erklärt, ermöglicht dieses Verfahren, daß sich die Schaltfrequenz der Schaltfrequenz ändert. Da jedoch der von dem Batterieladegerät gelieferte Ladestrom proportional zum Tastgrad der Schalteinrichtung ist, führt eine verbesserte Auflösung des Tastgrads zu geringeren Wellenströmen. In dem vorliegenden Beispiel entspricht eine 5-Bit-Auflösung des Tastgrads zum Beispiel typischerweise einem 100-mA-Wellenstrom, und eine 6-Bit-Auflösung entspricht typischerweise einem 50-mA-Wellenstrom.
7 ist eine Kurvendarstellung, die das Ladeverfahren einer NiCd-Batterie darstellt, die bis zu einer Kapazität von 1250 mAh geladen wird. Die Kurvendarstellung zeigt den Ladestrom 200, die Leerlaufspannung 201 der Batterie und die Temperatur 202 der Batterie als Funktion der Zeit. Die Einheiten der Ladeparameter sind entlang der vertikalen Achse der Kurvendarstellung jeweils in Volt 203, in Ampere 204 und in °C 205 gezeigt. Die Einheit der Zeit 206 sind Minuten. Es ist zu erkennen, daß die Batterie in weniger als 60 Minuten vollständig geladen ist. Es ist auch zu erkennen, daß die Leerlaufspannung der Batterie während des Ladens zunimmt und daß der Ladestrom gesenkt wird, wenn die Leerlaufspannung bei 207 einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Der Innenwiderstand der Batterie nimmt während dem fortgesetzten Ladeverfahren zu, und somit wird der Ladestrom als eine Funktion der Zeit gesenkt, um die Leerlaufspannung auf dem vorbestimmten Wert zu halten. Das Laden wird nach einer vorbestimmten Zeitdauer mit einem gesenkten Ladestrom beendet.

Claims

Verfahren zum Laden von wiederaufladbaren Batterien (24) mit einem Schaltnetzteil (12), das aufweist: Bestimmen eines oder mehrerer Batterieladeparameter und Steuern des Spannungsausgangs des Schaltnetzteils (12) durch digitales Erzeugen eines Durchschaltesignals zum Steuern der Öffnungsperioden und Schließperioden einer Schalteinrichtung (18) des Schaltnetzteils (12), wobei jede der Zeiten für die Öffnungsperiode und die Schließperiode der Schalteinrichtung (18) jeweils ansprechend auf den bestimmten einen oder mehrere Batterieladeparameter und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchschaltesignal von einem Signalgenerator (44) erzeugt wird, der aufweist: einen Zähler (50), wobei der Wert des Durchschaltesignals durch den digitalen Wert der Zählerausgabe bestimmt wird, und ein erstes und ein zweites Register (52, 54), wobei ein erstes digitales Wort in dem ersten Register (52) gespeichert wird, um die Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung (18) zu bestimmen, und ein zweites digitales Wort in dem zweiten Register (54) gespeichert wird, um die Dauer der Schließperiode der Schalteinrichtung (18) zu bestimmen, wobei der Zähler (50) abwechselnd jeweils von dem ersten Wort und dem zweiten Wort rückwärts zählt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schließperioden und/oder die Öffnungsperioden jeweils auf eine derartige Weise bestimmt werden, daß der von dem Schaltnetzteil (12) gelieferte Batterieladestrom oder die Batterieladespan nung im wesentlichen identisch zu entsprechenden Aufladeverfahren-Referenzwerten sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches die Einstellung der Schließperioden und der Öffnungsperioden der Schalteinrichtung (18) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schließperioden und die Öffnungsperioden in einer derartigen Weise eingestellt sind, daß die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung (18) in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schaltfrequenz im Bereich von 10 kHz–100 kHz, bevorzugt 15 kHz–50 kHz, am meisten bevorzugt 20 kHz bis 35 kHz ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Schaltfrequenz im wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltnetzteil (12) ein Abwärtsschaltnetzteil, bevorzugt ein Buck-Wandler ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Referenzwerte einen maximalen Ladestromwert umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Referenzwerte einen maximalen Batteriespannungswert umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einer oder mehrere Referenzwerte zu bestimmten Zeitpunkten eines Aufladeverfahrens auf der Grundlage von gemessenen Werten von Aufladeparametern, wie etwa dem Ladestrom, der Batteriespannung und/oder der Batterietemperatur, während des Aufladeverfahrens, bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriespannung (30) an der Batterieanschlußspannung gemessen wird, während im wesentlichen kein Ladestrom an die Batterie geliefert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauern der Öffnungsperiode und der Schließperiode jeweils in einer derartigen Weise bestimmt werden, daß für eine spezifische Frequenz des Taktsignals (60) an den Zähler (50) und spezifische Wortlängen der ersten und zweiten Register der Absolutwert der Differenz zwischen dem sich ergebenden Tastgrad des Durchschaltesignals und dem gewünschten Tastgrad so klein wie möglich ist.
Batterieladegerät (10) zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie (24), welches aufweist: ein Schaltnetzteil (12), eine Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) zum Bestimmen eines oder mehrerer Batterieladeparameter während des Ladens der wiederaufladbaren Batterie (24), eine Steuerungseinheit (28) zum Steuern des Schaltnetzteils (12) ansprechend auf die von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) empfangenen Batterieladeparameterwerte, wobei die Steuerungseinheit (28) aufweist: eine Tastgrad-Bestimmungseinrichtung (38) zum Bestimmen der Dauern der jeweiligen Öffnungsperioden und der Schließperioden einer Schalteinrichtung (18) ansprechend auf mindestens einen der von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) empfangenen Batterieladeparameterwerte und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte und einen Signalgenerator (44) zum digitalen Erzeugen eines Durchschaltesignals (36) zum Steuern der Öffnungs- und Schließperioden der Schalteinrichtung (18) des Schaltnetz teils (12) jeweils entsprechend den bestimmten Dauern, wobei die Leistungsausgabe des Batterieladegeräts (10) ansprechend auf gemessene Batterieladeparameterwerte zum Erzielen eines gewünschten Aufladeverfahrens eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (28) ferner aufweist: eine Speicherschaltung zum Speichern von Aufladeverfahren-Referenzwerten und wobei der Signalgenerator (44) aufweist: ein erstes Register (52) zum Speichern eines ersten Binärwerts, der die Dauer der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung (18) bestimmt, ein zweites Register (54) zum Speichern eines zweiten Binärwerts, der die Dauer der Schließperiode der Schalteinrichtung (18) bestimmt, und einen Zähler (50) mit einem ersten Eingangsport (51), der mit dem ersten Register (52) verbunden ist, einem zweiten Eingangsport (53), der mit dem zweiten Register (54) verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Binärwerte jeweils abwechselnd in den Zähler (50) geladen werden, wenn der Zähler einen dritten Binärwert erreicht, und einem Latch (56) mit einem Ausgang, der seinen Zustand immer ändert, wenn der Zähler (50) den dritten Binärwert erreicht, und der mit dem Steueranschluß der Schalteinrichtung (18) verbunden ist.
Batterieladegerät (10) zum Laden einer aufladbaren Batterie (24), das aufweist: ein Schaltnetzteil (12), eine Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) zum Bestimmen eines oder mehrerer Batterieladeparameter während des Ladens der wiederaufladbaren Batterie (24), eine Steuerungseinheit (28) zum Steuern des Schaltnetzteils (12) ansprechend auf die von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) empfangenen Batterie ladeparameterwerte, wobei die Steuerungseinheit (28) aufweist: eine Tastgrad-Bestimmungseinrichtung (38) zum Bestimmen der Dauern der jeweiligen Öffnungsperioden und der Schließperioden einer Schalteinrichtung (18) ansprechend auf mindestens einen der von der Batterieparameter-Bestimmungsvorrichtung (40) empfangenen Batterieladeparameterwerte und einen oder mehrere Aufladeverfahren-Referenzwerte und einen Signalgenerator (44) zum digitalen Erzeugen eines Durchschaltesignals (36) zum Steuern der Öffnungs- und Schließperioden der Schalteinrichtung (18) des Schaltnetzteils (12) jeweils entsprechend den bestimmten Dauern, wobei die Leistungsausgabe des Batterieladegeräts (10) ansprechend auf gemessene Batterieladeparameterwerte zum Erzielen eines gewünschten Aufladeverfahrens eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (28) ferner aufweist: eine Speicherschaltung zum Speichern von Aufladeverfahren-Referenzwerten und wobei der Signalgenerator (44) aufweist: ein erstes Register (72) zum Speichern eines ersten Binärwerts, der die Dauer der Schließperiode oder der Öffnungsperiode der Schalteinrichtung (18) bestimmt, ein zweites Register (74) zum Speichern eines zweiten Binärwerts, der die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung (18) bestimmt, einen Zähler (68) mit einem Eingangsport (70), der mit dem zweiten Register (74) verbunden ist, wobei der zweite Binärwert in den Zähler (68) geladen wird, wenn der Zähler einen dritten Binärwert erreicht, einen Vergleicher (76) zum Vergleichen des Zählerbinärwerts mit dem ersten Binärwert, der aufweist: einen ersten Eingangsport, der mit dem ersten Register (72) verbunden ist, einen zweiten Eingangsport, der mit dem Zähler (68) verbunden ist, und einen Ausgang, der den Zustand ändert, wenn sich das Vorzeichen der Differenz zwischen dem Zählerbinärwert und dem ersten Binärwert ändert, und der mit dem Gatter der Schalteinrichtung (18) verbunden ist.