DE69922766T2

DE69922766T2 - Batterieladungsmessanordnung

Info

Publication number: DE69922766T2
Application number: DE69922766T
Authority: DE
Inventors: Geraint Palo Alto Owen; Timothy F. Myers
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: EP0997742A2; JP2000133323A; DE69922766D1; EP0997742A3; EP0997742B1; US6014014A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Batterien und insbesondere auf Batterien zum Liefern einer Leistung zu elektronischen Geräten, wie beispielsweise tragbaren Computern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Batterien, bei denen ein Ladungszustand gemessen werden kann. Die Batterien und zugeordneten Ladungszustandsmessverfahren der Erfindung sind insbesondere auf Dünnfilmbatterien anwendbar.
Es ist oft erwünscht, den „Ladungszustand" einer Batterie zu messen. Durch ein Durchführen einer derartigen Messung ist man in der Lage, die verbleibende Lebensdauer der Batterie zu bestimmen. Ein Benutzer einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Laptop-Computers z. B. möchte eventuell wissen, wann die Batterie, die die Vorrichtung mit Leistung versorgt, schwach wird, so dass die Batterie wiederaufgeladen oder mit einer vollständig geladenen Batterie ersetzt werden kann.
Ein Messen des Ladungszustands einer Batterie ist eine überraschend schwierige Sache. Ein Grund dafür ist, dass eine Batterie in der Tat keine Ladung speichert, sondern vielmehr chemische Energie speichert. Die gespeicherte chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, wenn eine Last über die Anschlüsse der Batterie verbunden ist. Die Effizienz, mit der eine Batterie eine chemische Energie in eine elektrische Energie umwandelt, ist als eine „Umwandlungseffizienz" bekannt. Mit anderen Worten gibt die Umwandlungseffizienz einer Batterie den Prozentsatz einer gespeicherten chemischen Energie an, der in eine elektrische Energie umgewandelt wird. Aufgrund bestimmter Ineffizienzen sind Batterien typischerweise nicht in der Lage, eine Umwandlungseffizienz von 100 % zu erreichen. Außerdem hängt eine Umwandlungseffizienz erheblich von der Temperatur der Batterie, der Stromableitung, die durch die Last präsentiert wird, die über die Anschlüsse verbunden ist, und dem Ladungszustand ab. Folglich kann eine Batterie in Wirklichkeit nicht einfach als ein Ladungsreservoir betrachtet werden.
Batterien entladen Energie selbst in der Abwesenheit einer Last, was die Messung eines Ladungszustands weiter verkompliziert. Die Entladung von Energie in der Abwesenheit einer Last ist als eine Selbstentladung bekannt. Abhängig von dem Batterietyp kann die Rate, mit der sich Batterien selbst entladen, zwischen weniger als 1 % pro Jahr und mehreren Prozent pro Woche schwanken. Folglich ist es schwierig, Ladungsveränderungen, die aus einer Selbstentladung resultieren, vorauszusagen und zu kompensieren.
Ein Beispiel eines herkömmlichen Ladungszustandsindikators ist ein Hydrometer, das bei einer Bleisammler-Autobatterie verwendet wird. Bei einer gegebenen Temperatur ist die Konzentration des Elektrolyts in der Batterie ein guter Indikator eines Ladungszustands. Die Elektrolytkonzentration ist direkt auf das relative Gewicht des Elektrolyts bezogen. Das Hydrometer misst das relative Gewicht. Temperaturwirkungen werden durch ein Anwenden eines Korrekturfaktors berücksichtigt, der in einer Tabelle nachgeschlagen werden muss. Die Verwendung eines Hydrometers wird allgemein als zu unsauber für eine Verwendung bei Verbraucher- oder tragbaren Produkten angesehen; folglich ist dieser Techniktyp in diesen Bereichen nicht anwendbar.
Ein herkömmliches nichtinvasives Verfahren zum Messen eines Ladungszustands einer Batterie besteht darin, die Leerlaufspannung der Batterie zu messen. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass derselbe nicht verwendet werden kann, wenn die Vorrichtung läuft, da die Messung vorgenommen wird, wenn die Batterie unbelastet ist. Zusätzlich dauert es Minuten oder sogar Stunden, bis sich die Leerlaufspannung stabilisiert, nachdem eine Last abgetrennt wurde. Außerdem ist die Leerlaufspannung vieler Typen von modernen Batterien lediglich weitläufig auf den Ladungszustand bezogen, bis gerade bevor die Batterie vollständig entladen ist. Somit ist es schwierig, unter Verwendung dieser Technik einen vernünftigen Hinweis zu erhalten, dass die Batterie schwach wird.
Ein anderes Verfahren zum Messen einer Leerlaufspannung einer Batterie betrifft erstens ein Belasten der Batterie mit einer hohen Entladung für eine kurze Länge einer Zeit unter Verwendung einer speziellen Last in einem Versuch, das Stabilisierungszeitproblem zu überwinden. Diese Technik ist jedoch nicht praktisch, falls eine Batterielebensdauer ein Problem ist.
Andere Verfahren zum Messen eines Ladungszustands umfassen eine „Ladungsabrechnung". Eine Ladungsabrechnung ist eine Technik, die auf der Annahme basiert, dass eine Batterie eine Ladung bewahrt. Kraftstoffmessgeräte, die Ladungsabrechnungstechniken verwenden, werden häufig bei einer Ausrüstung, wie beispielsweise Laptop-Computern, verwendet. Unvollkommenheiten von Batteriemodellen, die aus Schwankungen bei dem Herstellungsprozess resultieren, ermöglichen jedoch nicht, dass Kraftstoffmessgeräte sich besonders gut verhalten. Um diese ungenaue Leistungsfähigkeit zu kompensieren, wird manchmal angenommen, dass Batterien lediglich 70 % der tatsächlichen Ladungskapazität derselben halten können, um eine Sicherheitsmarge von 30 % zu ergeben. Folglich wird ein wesentlicher Abschnitt der Ladungskapazität eventuell nicht verwendet. Zusätzlich unterbinden Schwankungen bei Parametern von Batterie zu Batterie, sogar Schwankungen bei dem gleichen Batterietyp, der durch den gleichen Hersteller hergestellt wird, sowie eine Batteriealterung eine genaue Ladungsmessung durch herkömmliche Kraftstoffmessgeräte unter Verwendung einer Ladungsabrechnung.
Angesichts des Vorhergehenden ist es offensichtlich, dass es immer noch einen Bedarf nach einer Speicherungsvorrich tung oder Batterie gibt, deren Ladungszustand ohne weiteres und genau gemessen werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann als eine Speicherungsvorrichtung betrachtet werden, die ermöglicht, dass ein Ladungszustand gemessen wird. Genauer gesagt ermöglichen die Speicherungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung die genaue Messung eines Ladungszustands, so dass die aktuelle Ladungskapazität der Speicherungsvorrichtung präzise bestimmt werden kann. Durch ein genaues Messen eines Ladungszustands und ein Liefern einer Angabe des aktuellen Ladungszustands weiß ein Benutzer, wann der Speicherungsvorrichtung eine Ladung knapp wird, so dass die Speicherungsvorrichtung wiederaufgeladen oder mit einer vollständig geladenen Batterie ersetzt werden kann. Eine derartige genaue Messung eines Ladungszustands verbessert die Zweckmäßigkeit eines Verwendens von elektronischen Geräten, wie beispielsweise tragbaren Computern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Speicherungsvorrichtung eine Hauptbatterie, die mit einer Last verbindbar ist, und eine Dummy-Batterie. Die Last kann z. B. ein tragbarer Computer oder ein anderes elektronisches Gerät sein. Die Haupt- und die Dummy-Batterie weisen eine Speicherungskapazität und eine Selbstentladungsrate auf. Die Speicherungskapazität der Dummy-Batterie ist geringer als die Speicherungskapazität der Hauptbatterie; die Speicherungskapazität der Dummy-Batterie kann z. B. lediglich etwa 1 % derselben der Hauptbatterie betragen. Die Haupt- und die Dummy-Batterie sind konfiguriert, so dass die Selbstentladungsraten derselben im Wesentlichen gleich sind. Die Speicherungsvorrichtung umfasst ferner eine Entladungsschaltungsanordnung, die mit der Dummy-Batterie verbunden ist. Die Entladungsschaltungsanordnung ist konfiguriert, so dass sich die Dummy-Batterie mit einer schnelleren Rate als die Hauptbatterie entlädt, wenn eine Last mit der Hauptbatterie verbunden ist und einen Strom von derselben zieht.
Einer der Vorteile dieser Speicherungsvorrichtung der Erfindung besteht darin, dass die Spannung der Dummy-Batterie überwacht werden kann, um zu bestimmen, wann der Hauptbatterie eine Ladung knapp wird. Wenn sich die Spannung der Dummy-Batterie unter eine vorbestimmte Schwelle verringert hat, dann kann ein Signal geliefert werden, um anzugeben, dass sich die Hauptbatterie bald einem Niedrigleistungszustand nähern wird. Falls die Speicherungsvorrichtung z. B. in einem tragbaren Computer implementiert ist, wird ein Benutzer folglich wissen, wann die Speicherungsvorrichtung im Begriff ist, sich zu entladen, so dass die Speicherungsvorrichtung wiederaufgeladen oder ersetzt werden kann.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Entladungsschaltungsanordnung konfiguriert sein kann, so dass die Dummy-Batterie sich mit einer vorbestimmten Rate schneller als die Hauptbatterie entladen wird. Wenn folglich die Dummy-Batterie sich unter die vorbestimmte Schwelle entladen hat, kann man die Menge an Ladung bestimmen, die in der Hauptbatterie verbleibt, und wie viel länger die Hauptbatterie eine Leistung zu der Last liefern wird.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
1 ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Speicherungsvorrichtung gemäß der Erfindung und zeigt insbesondere ein Niedrigleistungsindikator-Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung;
2 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines tragbaren Computers, der gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
3 ist eine schematische Ansicht einer anderen exemplarischen Niedrigleistungsindikator-Speicherungsvorrichtung der Erfindung;
4 ist ein Graph, der Entladungscharakteristika der Speicherungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine schematische Ansicht einer Signalisierungsschaltungsanordnung der Erfindung zum Liefern eines Niedrigleistungssignals;
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Überwachungsprozess darstellt, um zu bestimmen, wann ein Niedrigleistungssignal geliefert werden soll;
7 ist eine schematische Ansicht noch einer anderen exemplarischen Speicherungsvorrichtung der Erfindung und stellt insbesondere zellenbasierte Dummy-Batterien dar;
8 ist eine schematische Ansicht noch einer anderen exemplarischen Niedrigleistungsindikator-Speicherungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung; und
9 ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Speicherungsvorrichtung der Erfindung und stellt insbesondere ein Kraftstoffmessgerät-Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung dar.
Die vorliegende Erfindung ist in einer Speicherungsvorrichtung ausgeführt, wobei ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eine Dünnfilmspeicherungsvorrichtung ist. Die Speicherungsvorrichtung kann bei einer Anzahl von Anwendungen verwendet werden. Die Dünnfilmspeicherungsvorrichtung kann z. B. verwendet werden, um eine Leistung zu einem tragbaren Computer zu liefern, wie beispielsweise einem Laptop-, Palmtop- oder Notebook-Computer. Die Speicherungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine genaue Messung eines Ladungszustands. Folglich kann man bestimmen, wann eine Ladung niedrig wird, so dass die Speicherungsvorrichtung wiederaufgeladen oder mit einer vollständig geladenen Batterie ersetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung stellt diese Funktion bereit, während eine Speicherungskapazität maximiert wird und ein Messfehler minimiert oder im Wesentlichen eliminiert wird. Während die vorliegende Erfindung hierin unter Verwendung einer Dünnfilmtechnologie veranschaulicht ist, ist Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich, dass eine andere Speicherungsvorrichtungstechnologie verwendet werden kann, wie beispielsweise NiMHy-, Li-Ionen-, Ni-Cad-, Zink-Luft-, Lithium-Polymer- und Bleisammeltechnologien.
Unter genauerer Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 schematisch ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Speicherungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Speicherungsvorrichtung 10 ist bei einer exemplarischen Anwendung in einem tragbaren Computer 11 in 2 gezeigt. Die exemplarische Speicherungsvorrichtung 10 umfasst eine Hauptbatterie 12 und eine Dummy-Batterie 14. Die Hauptbatterie 12 kann ein Paar von Anschlüssen 16a und 16b aufweisen, mit denen eine Last 18 verbindbar ist. Die Dummy-Batterie 14 kann ein Paar von Anschlüssen 20a und 20b aufweisen, mit denen eine Entladungsschaltungsanordnung 22 verbindbar ist.
Die exemplarische Speicherungsvorrichtung 10 ist konfiguriert, so dass die Dummy-Batterie 14 sich schneller als die Hauptbatterie 12 entlädt, wenn eine Last mit der Hauptbatterie 12 verbunden ist und einen Strom von derselben zieht. Eine derartige Konfiguration der Speicherungsvorrichtung 10 resultiert darin, dass der Ladungszustand der Dummy- Batterie 14 den Ladungszustand der Hauptbatterie 12 angibt. Folglich kann man durch ein Überwachen des Ladungszustands der Dummy-Batterie 14 bestimmen, wann der Ladungszustand der Hauptbatterie 12 bei einem niedrigen Pegel ist, was man sich als einen „Niedrigleistungsindikator" vorstellen kann. Wenn bestimmt wird, dass die Hauptbatterie 12 sich bei einem niedrigen Pegel befindet, kann ein Niedrigleistungssignal geliefert werden, um einen Benutzer zu warnen, was unten detaillierter erörtert werden wird. Zusätzlich dazu, dass dieselben auf das Niedrigleistungsindikator-Ausführungsbeispiel anwendbar sind, das in 1 gezeigt ist, sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenfalls auf „Kraftstoffmessgeräte" zum Messen des Ladungspegels der Hauptbatterie 12 anwendbar, die unten detaillierter erörtert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung 10, das in 1 gezeigt ist, ist die Dummy-Batterie 14 in der Form eines Streifens, der die Hauptbatterie 12 im Wesentlichen in zwei Abschnitte teilt. Alternativ kann die Dummy-Batterie 14 in der Form einer Zelle sein, die durch die Hauptbatterie 12 umgeben ist. Ungeachtet der spezifischen Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Dummy-Batterie 14 physisch kleiner als die Hauptbatterie 12 ist. Mit anderen Worten weist die Dummy-Batterie 14 ein Volumen auf, das geringer als dasselbe der Hauptbatterie 12 ist, und deshalb eine kleinere Ladungskapazität. Wenn die Batterien 12 und 14 vorzugsweise Dünnfilmbatterien mit im Wesentlichen der gleichen Dicke sind, wird die Dicke der Batterien 12 und 14 für Zwecke dieser Beschreibung ignoriert und die relativen Größen der Batterien 12 und 14 werden mit Bezug auf eine jeweilige physische Fläche von jeder beschrieben.
Es ist ferner bevorzugt, dass die zwei Batterien 12 und 14 durch im Wesentlichen identische Prozesse hergestellt werden, um Herstellungstoleranzen zwischen denselben zu minimieren oder im Wesentlichen zu eliminieren. Zusätzlich sind die Batterien 12 und 14 vorzugsweise angeordnet, um im Wesentlichen die gleiche umgebende Umwelt gemeinschaftlich zu verwenden. Folglich weisen die Haupt- und die Dummy-Batterie 12 und 14 im Wesentlichen die gleichen Selbstentladungsraten auf. Die Selbstentladungsrate für eine Batterie ist die Rate, mit der sich die Batterie bei Abwesenheit einer Last entlädt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 weist die Hauptbatterie 12 eine physische Fläche A und eine Ladungskapazität Q_M auf und die Dummy-Batterie 14 weist eine Ladungskapazität Q_D auf. Die physische Fläche der Dummy-Batterie 14 ist wesentlich geringer als die Fläche der Hauptbatterie 12 und ist durch A/x angegeben, wobei x eine Zahl größer 1 ist. Falls z. B. x 100 ist, dann ist die Fläche der Dummy-Batterie 14 1 % der Fläche A der Hauptbatterie 12. Es folgt, dass die Ladungskapazität Q_D der Dummy-Batterie 14 wesentlich geringer als die Ladungskapazität Q_M der Hauptbatterie 14 ist. Mit anderen Worten ist die Ladungskapazität Q_D der Dummy-Batterie 12 ein Bruchteil der Ladungskapazität Q_M der Hauptbatterie 12, wobei der Bruchteil durch α angegeben ist. Somit sind die Ladungskapazitäten der Haupt- und der Dummy-Batterie 12 und 14 aufeinander bezogen durch: QD = αQM.
Es ist bevorzugt, die Fläche A der Hauptbatterie 12 maximieren, wodurch die Ladungskapazität Q_M der Hauptbatterie 12 maximiert wird, um ein elektronisches Gerät mit Leistung zu versorgen. Folglich ist die Fläche A/x der Dummy-Batterie 12 mit Bezug auf die Fläche A der Hauptbatterie 14 minimiert, um so viel Kapazität wie möglich in der Hauptbatterie 14 zu reservieren, um eine Leistung zu der Last 18 zu liefern. Obwohl relativ große Prozentsätze möglich sind, ist die Fläche der Dummy-Batterie 14 vorzugsweise geringer als etwa 5 % der Fläche der Hauptbatterie 12 und noch bevorzugter geringer als etwa 1 % der Fläche der Hauptbatterie. Folglich ist die Ladungskapazität Q_D der Dummy-Batterie 14 vorzugsweise geringer als etwa 5 % oder noch bevorzugter geringer als etwa 1 % der Ladungskapazität Q_M der Hauptbatterie 12. Mit anderen Worten ist α vorzugsweise geringer als etwa 0,01, um die Speicherungskapazität Q_M der Hauptbatterie 12 mit Bezug auf die Speicherungskapazität Q_D der Dummy-Batterie 14 zu maximieren.
Mit Bezug auf 3 ist eine schematische Darstellung der Speicherungsvorrichtung 10 gezeigt, die die Dummy-Batterie 14 und die Hauptbatterie 12 umfasst. Auf diese schematische Darstellung wird Bezug genommen, um Betriebsprinzipien der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, die dann auf das exemplarische Ausführungsbeispiel der Niedrigleistungsindikator-Speicherungsvorrichtung 10 von 1 angewendet werden.
Die Entladungsschaltungsanordnung 22 zieht einen Strom I_D von der Dummy-Batterie 14, wobei der Strom ein fester Bruchteil β eines Stroms I_M ist, der von der Hauptbatterie 12 gezogen wird. Die Entladungsschaltungsanordnung 22 kann einen Operationsverstärker (oder „op amp" = operation amplifier = „OV") 24 umfassen, der eine Eingangsimpedanz und eine Verstärkung aufweist, die tatsächlich unendlich sind; folglich ist die Spannung über den Differenzeingang des OV 24 tatsächlich Null. Der OV 24 ist gewählt, so dass der Ruheversorgungsstrom, der durch denselben gezogen wird, im Vergleich zu dem Strom I_D vernachlässigbar ist. Somit gilt unter diesen Umständen: β = ID/IM = RM/RD,wobei R_M und R_D die Werte von Erfassungswiderständen 26 und 28 sind, die der Haupt- bzw. Dummy-Batterie 12 bzw. 14 zugeordnet sind.
Mit Bezug auf 4 sind die Entladungscharakteristika der Batterien 12 und 14 dargestellt. Die Anschlussspannungen der Batterien 12 und 14 verringern sich langsam mit einem Ladungszustand während des nützlichen Teils des Batterie entladungszyklus. Schließlich fällt die Spannung dramatisch ab. Der Wert von V_end ist ausgewählt, um die niedrigste Spannung zu sein, bei der die Vorrichtung, die die Hauptbatterie 12 lädt, zuverlässig arbeitet. Wenn sich somit die jeweiligen Anschlussspannungen der Batterien 12 und 14 auf V_end verringert haben, hat sich die Batterie für praktische Zwecke vollständig entladen.
Wie es oben erwähnt ist, ist es bevorzugt, die Haupt- und die Dummy-Batterie 12 und 14 soviel wie möglich bei der gleichen Temperatur beizubehalten (wobei die Temperatur sich mit der Zeit verändern kann) und die Batterien 12 und 14 aus im Wesentlichen den gleichen Chemien zu bilden. Falls α = β, dann verfolgen sich folglich die Hauptbatterie und die Dummy-Batterie 14, während sich dieselben entladen. Ferner sind die Selbstentladungsraten der Batterien 12 und 14 im Wesentlichen die gleichen. Außerdem sind die normierten Lastströme der Batterien 12 und 14 gezwungen, gleich zu sein. Falls sowohl die Hauptbatterie 12 als auch die Dummy-Batterie 14 vollständig geladen beginnen, sind folglich dann die Anschlussspannungen V_M und V_D der Batterien 12 bzw. 14 im Wesentlichen gleich, wenn sich die Batterien entladen. Insbesondere verringern sich die, jeweiligen Anschlussspannungen V_M und V_D der Batterien 12 und 14 zu im Wesentlichen der gleichen Zeit auf V_end.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Entladungsschaltung 22 sicher, dass sich die Dummy-Batterie 14 mit einer schnelleren Rate (z. B. etwa 10 % schneller) als die Hauptbatterie 12 entlädt. Diese Entladungsrate ist gegenüber der Selbstentladungsrate die Rate, mit der sich die Batterien 12 und 14 entladen, wenn die Last 18 einen Strom von denselben zieht. Diese beschleunigte Entladungsrate kann durch ein Setzen von β = 1,1 α erzielt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel verringert sich die Anschlussspannung V_D der Dummy-Batterie 14 schneller auf V_end als die Anschlussspannung V_M der Hauptbatterie 12. Durch ein Überwachen der Anschlussspannung V_D der Dummy-Batterie 14 wird folglich, wenn sich die Anschlussspannung V_D auf V_end verringert hat, dann die Hauptbatterie 12 in einer relativ kurzen Zeitperiode erschöpft sein. Falls die Selbstentladungsrate der Batterien 12 und 14 vernachlässigbar ist (verglichen mit den Entladungsraten, wenn dieselben mit der Last verbunden sind), dann kann geschätzt werden, dass, wenn die Anschlussspannung V_D der Dummy-Batterie 14 sich auf V_end verringert hat, die Hauptbatterie 12 1,0/1,1 × 100 = 91 % der anfänglichen Ladung derselben verloren hat. Somit kann bei dem tragbaren Computer 11 mit projizierter Batterielebensdauer von in etwa drei Stunden ein Niedrigleistungssignal etwa 180 × 0,09 = 16,2 Minuten davor geliefert werden, dass der Hauptbatterie 12 eine Ladung ausgeht (oder bevor V_M im Wesentlichen gleich V_end ist).
Im Hinblick auf ein Liefern eines Niedrigleistungssignals wird Bezug auf 5 genommen, die eine Signalisierungsschaltungsanordnung 32 darstellt. Die Signalisierungsschaltungsanordnung 32 kann einen Komparator 34 umfassen, der den Pegel der Anschlussspannung V_D der Dummy-Batterie 14 mit Bezug auf die vorbestimmte Schwellenspannung V_end überwacht, wie es in 6 gezeigt ist. Wenn die Anschlussspannung der Dummy-Batterie 14 größer als die Schwellenspannung V_end ist, dann wird kein Niedrigleistungssignal geliefert. Wenn die Anschlussspannung V_D der Dummy-Batterie 14 sich auf einen Wert verringert, der geringer als die Schwellenspannung V_end ist, dann liefert der Komparator 34 ein Niedrigleistungssignal 36 zu einer Signalisierungsvorrichtung 38. Das Niedrigleistungssignal 36 gibt an, dass der Hauptbatterie 14 in einer vorbestimmten Zeitperiode eine Ladung im Wesentlichen ausgehen wird, z. B. in etwa 15 Minuten bis 20 Minuten bei dem oben erörterten exemplarischen Ausführungsbeispiel.
Die Signalvorrichtung 38 kann als irgendeine erwünschte Warnvorrichtung konfiguriert sein, z. B. eine hörbare Vorrichtung, wie beispielsweise ein Lautsprecher, oder eine visuelle Vorrichtung, wie beispielsweise ein Warnlicht, oder eine Kombination von beidem. Bei dem Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung 10 der Erfindung z. B., die den tragbaren Computer 11 von 2 mit Leistung versorgt, kann der Komparator 34 das Niedrigleistungssignal 36 zu einem Lautsprecher 40 des Computers 11 liefern, um ein hörbares Niedrigleistungssignal zu emittieren. Alternativ kann der Komparator 34 das Niedrigleistungssignal 36 zu der Anzeige des Computers 11 oder zu einem Abschnitt der Anzeige liefern, wie es durch ein Bezugszeichen 42 angegeben ist, um den Benutzer visuell vor einer niedrigen Leistung zu warnen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Komparator 34 eine zweckgebundene Komponente sein oder die Funktion des Komparators 34 kann durch den Prozessor des Computers 11 ausgeführt werden.
Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Entladungsschaltungsanordnung 22 von 3 wird nun geliefert. Zusätzlich zu dem OV 24 kann die exemplarische Entladungsschaltungsanordnung 22 einen Transistor 30 umfassen, dessen Basis mit einem Ausgang des OV 24 verbunden ist und dessen Kollektor und Emitter über die Dummy-Batterie 14 verbunden sind. Der Transistor 30 liefert eine Stromverstärkung, um den Dummy-Erfassungswiderstand 28 zu treiben. Der Haupterfassungswiderstand 26 kann einen Wert von R_M = 1 Ω aufweisen und der Dummy-Erfassungswiderstand 28 kann einen Wert von R_D = 10 Ω aufweisen. Folglich ist ein Verhältnis, das als der Hauptstrom I_M zu dem Dummy-Strom I_D definiert ist, in etwa 10:1. Irgendwelche anderen erwünschten Werte der Erfassungswiderstände 26 und 28 können ausgewählt sein, um in irgendeinem erwünschten Verhältnis zwischen dem Haupt- und dem Dummy-Strom I_M und I_D zu resultieren. Ein Beispiel eines im Handel erhältlichen Operationsverstärkers für eine Verwendung als dem OV 24 ist ein Eine-Versorgung-Schiene-zu-Schiene-Eingang/Ausgang-Mikroleistungsoperationsverstärker, der durch Analog Devices hergestellt wird, Modell OP291.
Mit weiterem Bezug auf 1 werden nun exemplarische Werte der verschiedenen Komponenten der Speicherungsvor richtung 10 bereitgestellt. Wie es erwähnt ist, ist die Fläche der Hauptbatterie 12A und ist die Fläche der Dummy-Batterie 14 A/x, wobei x z. B. etwa gleich 100 sein kann. Somit ist die Fläche der Dummy-Batterie 14 0,01 A. Folglich ist das Verhältnis der Kapazitäten der Haupt- und der Dummy-Batterie 12 und 14, das durch α dargestellt ist, α = 0,01. Exemplarische Werte für die Erfassungswiderstände 26 und 28 für die Haupt- bzw. die Dummy-Batterie 12 bzw. 14 können R_M = 0,11 Ω und R_D = 10 Ω sein. Folglich ist das Verhältnis β von Strömen I_M und I_D, die aus der Haupt- bzw. der Dummy-Batterie 12 bzw. 14 fließen, β = R_M/R_D = 0,11/10 = 0,011. Somit sind bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, das in 1 gezeigt ist, α = 0,01 und β = 0,011, wobei β/α = 1,1. Folglich wird die Dummy-Batterie 14 näherungsweise 10 % schneller als die Hauptbatterie 12 verbraucht sein.
Wie es gezeigt ist, wird der OV 24 durch die Dummy-Batterie 14 mit Leistung versorgt. Der durch den OV 24 gezogene Strom, der durch I_OP dargestellt ist, liegt bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, zwischen etwa 200 μA und etwa 500 μA. Der OV-Strom I_OP präsentiert eine zusätzliche Last an der Dummy-Batterie 14. Diese zusätzliche Last an der Dummy-Batterie 14 beschleunigt die Rate, mit der die Dummy-Batterie 14 entladen wird. Alternativ kann der OV 24 durch die Hauptbatterie 12 mit Leistung versorgt werden. Eine weitere Alternative besteht darin, den OV 24 durch eine getrennte Batterie mit Leistung zu versorgen, wie beispielsweise eine primäre Batterie mit niedriger Kapazität, die eine niedrige Selbstentladungsrate aufweist, z. B. eine Echtzeittaktbatterie, die typischerweise in Notebook-Computern und anderen elektronischen Vorrichtungen zu finden ist.
Eine Leistung von der Dummy-Batterie 14 tritt nicht in die Last 18 ein, sondern wird in dem OV 24, dem Dummy-Erfassungswiderstand 28 und dem Transistor 30 dissipiert.
Folglich wird die Fläche A/x, die durch die Dummy-Batterie 14 eingenommen wird, eventuell nicht notwendigerweise durch die Last 18 verwendet. Zusätzlich kann die Gesamtkapazität der Speicherungsvorrichtung 10, die in 1 gezeigt ist, auf etwa 99 % (d. h. 100/101) dessen reduziert sein, was die Kapazität der Speicherungsvorrichtung ohne die Implementierung des Niedrigleistungsindikators wäre.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung 10' der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die exemplarische Speicherungsvorrichtung 10' anstelle eines Konfigurierens der Dummy-Batterie 14 in der Form eines Streifens eine Hauptbatterie 12' und zumindest eine Dummy-Batterie 14' in der Form einer Zelle, die entweder innerhalb der Hauptbatterie 12' oder bei einer Kante derselben verschachtelt ist. Alternativ kann die Speicherungsvorrichtung 10' eine Mehrzahl von Dummy-Batterien 14a, 14b, 14c, ..., 14n umfassen, die entweder in einer vorbestimmten Anordnung oder in einer im Wesentlichen zufälligen Anordnung verteilt sind. In jedem Fall sind die Dummy-Batterien 14a – 14n vorzugsweise elektrisch getrennt bzw. isoliert, aber nicht thermisch getrennt bzw. isoliert von der Hauptbatterie 12'. Mit anderen Worten verwenden die Dummy-Batterien 14 im Wesentlichen die gleiche umgebende Umwelt wie die Hauptbatterie 12' gemeinschaftlich, um im Wesentlichen die gleichen Selbstentladungsraten sicherzustellen, aber können einzeln elektrisch verbunden sein, um jeweils eine Anschlussspannung aufzuweisen, die von derselben der Hauptbatterie 12' getrennt ist.
Die kombinierten Flächen der Dummy-Batterien 14a – 14n nehmen einen vorbestimmten Prozentsatz der Gesamtfläche der Speicherungsvorrichtung 10' ein, z. B. weniger als etwa 5 oder noch bevorzugter weniger als oder gleich etwa 1 % der Gesamtfläche. Die Anschlussspannung einer Signal-Dummy-Batterie 14a – 14n kann bei einem Bestimmen überwacht werden, wann ein Niedrigleistungssignal geliefert werden soll. Alternativ können die Anschlussspannungen der Dummy-Batterien 14a – 14n kollektiv überwacht werden oder ein Durchschnitt der Anschlussspannungen der Dummy-Batterien 14a – 14n kann bei einem Bestimmen überwacht werden, wann das Niedrigleistungssignal ausgegeben werden soll.
Ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 8 gezeigt. Eine exemplarische Speicherungsvorrichtung 10'' umfasst eine Entladungsschaltungsanordnung 22'', die zwischen die Hauptbatterie 12 und die Last 18 geschaltet ist. Die Last 18 zieht einen Strom I_M von der Hauptbatterie 12 durch einen Kollektor eines Transistors 44 und einen Strom I_D von der Dummy-Batterie 12 durch eine Basis des Transistors 44. Wie es bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel oben erörtert ist, kann die Fläche A/x der Dummy-Batterie 14 in etwa 1 % der Fläche A der Hauptbatterie 12 sein. Falls der Transistor 44 eine Stromverstärkung von h_fe = 1/0,011 ≈ 90,91 (d. h. das Verhältnis des Kollektors zu Basisströmen) aufweist, dann ist das Verhältnis der Ströme I_M und I_D, die von der Haupt- bzw. der Dummy-Batterie 12 bzw. 14 gezogen werden, β = 1/h_fe = 0,011. Die Entladungsschaltungsanordnung 22'' kann eine Diode 46 umfassen, die zwischen die Dummy-Batterie 14 und den Transistor 44 geschaltet ist, um zu verhindern, dass sich der Transistor 44 sättigt. Die Stromverstärkung h_fe des Transistors 44 ist gewählt, um eine einfache Steuerung von β zu ermöglichen.
Eine Spannungsdifferenz ΔV tritt zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 44 auf. Bei typischen Siliziumtransistoren ist ΔV = 1,4 V. Dies entspricht einer Leistungsdissipation von in etwa I × ΔV in dem Transistor 44. Die Leistung, die von der Haupt- und der Dummy-Batterie 12 und 14 gezogen wird, ist etwa I × V. Deshalb ist die Leistungseffizienz der Schaltung näherungsweise (V – ΔV)/V. Falls z. B. V = 9 V und ΔV = 1,4 V, dann weist die Leistungseffizienz einen Wert von 84 % auf. Bei einem kommerziellen Ausführungsbeispiel der Speicherungsvorrichtung 10'' von 8 kann die Entladungsschaltungsanordnung 22'' einen 2N3053-Transistor und eine 1N4150-Diode umfassen. Eine alternative Halbleitertechnologie, die bei den exemplarischen Ausführungsbeispielen der Entladungsschaltungsanordnung verwendet werden kann, insbesondere um eine Leistungseffizienz zu verbessern, umfasst z. B. Schottky-Dioden und Germanium-Dioden und -Transistoren.
Anstatt als ein Niedrigleistungsindikator konfiguriert zu sein, wie es oben erörtert ist, kann die Speicherungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung als ein Kraftstoffmessgerät konfiguriert sein, das eine Angabe der Menge an Ladung liefert, die in der Speicherungsvorrichtung verfügbar ist, um ein elektrisches Gerät mit Leistung zu versorgen. In dieser Hinsicht wird auf 9 Bezug genommen, die eine Speicherungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt, die als ein Kraftstoffmessgerät 50 konfiguriert ist. Das Kraftstoffmessgerät 50 umfasst eine Hauptbatterie 52 und eine Mehrzahl von Dummy-Batterien 54a, 54b, 54c, ..., 54m sowie eine Entladungsschaltungsanordnung 60. Die Hauptbatterie 52 weist Anschlüsse 56 auf, die mit einer Last 18 verbindbar sind, wie beispielsweise einem tragbaren elektronischen Gerät, z. B. einem tragbaren Computer. Die Entladungsschaltungsanordnung 60 ist mit den Dummy-Batterien 54a – 54m verbunden. Wie es oben erörtert ist, sind die Hauptbatterie 12 und die Dummy-Batterien 54a – 54m konfiguriert, um im Wesentlichen die gleichen Selbstentladungsraten aufzuweisen. Die Entladungsschaltungsanordnung 60 entlädt die Dummy-Batterien 54a – 54m schneller als die Hauptbatterie 52, wenn eine Last mit der Hauptbatterie 52 verbunden ist.
Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel, das in 9 dargestellt ist, umfasst das Kraftstoffmessgerät 50 vier Dummy-Batterien 54a – 54m. Folglich kann das Kraftstoffmessgerät 50 eine abgestufte Angabe davon liefern, wann der Ladungszustand der Hauptbatterie 52 z. B. voll, ¾ voll, ½ voll und ¼ voll ist. Die Fläche A/x und daher die Kapazität jeder Dummy-Batterie 54a – 54m kann z. B. etwa 1 % der Kapazität der Hauptbatterie 52 sein.
Die Entladungsschaltungsanordnung 60 kann eine Mehrzahl von OVs 62a – 62m, eine Mehrzahl von Transistoren 64a – 64m und eine Mehrzahl von Erfassungswiderständen 66a – 66m umfassen, die jeweils als eine Mehrzahl von Stromspiegeln konfiguriert sind, analog zu demselben, der in 1 gezeigt und beschrieben ist. Jede der Dummy-Batterien 54 ist für einen der Stromspiegel verbunden. Die Entladungsschaltungsanordnung 60 kann ferner einen Erfassungswiderstand 68 der Hauptbatterie 52 umfassen.
Für die Zwecke dieser Beschreibung ist ein spezifisches exemplarisches Ausführungsbeispiel des Kraftstoffmessgeräts 50 mit Werten für die Erfassungswiderstände 66a – 66m und 68 versehen. Der Haupterfassungswiderstand 68 kann einen Wert von z. B. R_M = 0,11 Ω aufweisen. Für die Dummy-Batterie 54m kann der Erfassungswiderstand 66m einen Wert von R_D = 10 Ω aufweisen. Deshalb ist für die Dummy-Batterie 54m β = R_M/R_D = 0,11/10 = 0,011 und ist β/α = 1,1. Somit wird die Dummy-Batterie 54m mit einer Rate gleich 1,1 derselben der Hauptbatterie 52 entladen. Wenn somit die Dummy-Batterie 54m entladen wurde, wird die Hauptbatterie 52 einen vorbestimmten Prozentsatz einer vollen Kapazität aufweisen, genauer gesagt (1 – 1,0/1,1) oder 9 % einer vollen Kapazität.
Bei den exemplarischen Werten von R_D der Erfassungswiderstände 66a – 66m, die in 9 gezeigt sind, werden sich die Dummy-Batterien 54c, 54b und 54a entladen, wenn die Hauptbatterie 52 etwa zu 25 %, 50 % bzw. 75 % voll ist, wie es in der folgenden Tabelle dargestellt ist. Fachleuten auf dem Gebiet ist klar, dass andere Werte der Erfassungswiderstände ähnliche Ergebnisse oder andere erwünschte Ergebnisse erreichen können. TABELLE I
Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist, da es vier Dummy-Batterien 54a – 54m jeweils mit einer Fläche von etwa 1 % derselben der Hauptbatterie 52 gibt, die Kapazität des Kraftstoffmessgeräts 50 auf etwa 100/104 ≈ 96 % davon reduziert, was dieselbe betragen würde, wenn dieselbe nicht als ein Kraftstoffmessgerät konfiguriert wäre.
Angesichts des Vorhergehenden opfert die Speicherungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 1 % bis 5 %) der Fläche und deshalb einer Kapazität einer Dünnfilm-Feststoff-Elektrolytbatterie für eine Verwendung als ein Kraftstoffmessgerät. Eine Leistung zu der Last 18 wird durch die verbleibende Kapazität (z. B. 95 % bis 99 %) der Speicherungsvorrichtung geliefert. Der Laststrom wird in einem Stromspiegel reflektiert, der die Dummy-Batterie mit einer etwas größeren Rate als der Rate entlädt, mit der die verbleibende Batterie entladen wird. Deshalb wird die Dummy-Batterie früher als die Hauptbatterie entladen sein. Wenn die Dummy-Batterie entladen wurde, kann eine Warnung ausgegeben werden, um anzugeben, dass die Batterie sich dem Ende der Kapazität derselben nähert.
Die Batterien (allgemein die Haupt- und die Dummy-Batterie) der Speicherungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise lithiumbasierte Feststoff-Elektrolyt-Dünnfilm-Batterien. Die Batterien können nichtaufladbar (d. h. primäre Zellen) oder wiederaufladbar (d. h. sekundäre Zellen) sein. Die Batterien können in irgendeiner Form (z. B. rechteckig, kreisförmig, dreieckig, trapezförmig, regelmäßig oder unregelmäßig), irgendeiner Größe (z. B. 2 cm mal 4 cm oder 15 cm mal 20 cm) oder irgendeiner Dicke (z. B. 1 mm bis 2 mm) konfiguriert sein. Die Batterien können flexibel und faltbar sein. Zusätzlich zu dem tragbaren Computer 11, der in 2 dargestellt ist, können die Speicherungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung irgendeinen Typ eines elektronischen Geräts mit Leistung versorgen, das eine Leistung benötigt, einschließlich tragbarer und stationärer Vorrichtungen. Derartige Vorrichtungen können z. B. Bildaufzeichnungsvorrichtungen (einschließlich Digitalkameras, Videokameras usw.), tragbare Instrumente und medizinische Instrumente umfassen.
Die Entladungsschaltungsanordnung der Speicherungsvorrichtungen kann permanent mit der Haupt- und der Dummy-Batterie verbunden sein oder kann abnehmbar mit einer Sockeltyp-Anordnung verbunden sein; d. h. die Entladungsschaltungsanordnung kann eine integrierte Komponente oder eine anbringbare Komponente der Speicherungsvorrichtung bilden. Alternativ kann die Entladungsschaltungsanordnung eine Komponente der Vorrichtung sein, die durch die Hauptbatterie mit Leistung versorgt wird; z. B. kann die Entladungsschaltungsanordnung ein Element des tragbaren Computers 11 sein (d. h. eingebaut).
Fachleuten auf dem Gebiet ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifisch oben dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ausdrücke der beigefügten Ansprüche bestimmt.

Claims

Eine Speicherungsvorrichtung (10) zum Liefern einer Leistung zu einer Last, wobei die Speicherungsvorrichtung (10) folgende Merkmale aufweist: eine Hauptbatterie (12), die mit der Last verbindbar ist, wobei die Hauptbatterie (12) eine Speicherungskapazität und eine Selbstentladungsrate aufweist; eine Dummy-Batterie (14), die eine Speicherungskapazität und eine Selbstentladungsrate aufweist, wobei die Speicherungskapazität der Dummy-Batterie (14) geringer als die Speicherungskapazität der Hauptbatterie (12) ist, wobei die Selbstentladungsrate der Dummy-Batterie (14) im Wesentlichen gleich der Selbstentladungsrate der Hauptbatterie (12) ist; und eine Entladungsschaltungsanordnung (22) zum Entladen der Dummy-Batterie (14) mit einer schnelleren Rate als die der Hauptbatterie (12), wenn die Last einen Strom von der Hauptbatterie (12) zieht.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der die Fläche der Dummy-Batterie (14) etwa 5 % der Fläche der Hauptbatterie (12) beträgt.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Entladungsschaltungsanordnung (22) bewirkt, daß sich die Dummy-Batterie (14) etwa 10 % schneller als die Hauptbatterie (12) entlädt.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Speicherungska pazität der Dummy-Batterie (14) geringer als etwa 5 % der Speicherungskapazität der Hauptbatterie (12) ist.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Batterien (12 und 14) Dünnfilmbatterien sind, wobei die Dummy-Batterie (14) als ein Streifen konfiguriert ist.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Haupt- und die Dummy-Batterie (12 und 14) Dünnfilmbatterien sind, wobei die Dummy-Batterie (14) als eine Zelle konfiguriert ist.
Eine Speicherungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Signalisierungsschaltungsanordnung (32) zum Liefern eines Signals aufweist, wenn die Dummy-Batterie (14) sich unter eine vorbestimmte Schwelle entladen hat.
Ein elektronisches Gerät, das eine Speicherungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Liefern eines Ladungszustands einer Speicherungsvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Entladen einer Hauptbatterie mit einer ersten Entladungsrate; Entladen einer Dummy-Batterie mit einer zweiten Entladungsrate, wobei die zweite Entladungsrate größer als die erste Entladungsrate ist; Überwachen eines Ladungszustands der Dummy-Batterie; und Signalisieren, wenn der Ladungszustand der Dummy-Batterie unter einem vorbestimmten Pegel ist.