DE69925984T2

DE69925984T2 - Ladegerät für Batterien

Info

Publication number: DE69925984T2
Application number: DE69925984T
Authority: DE
Inventors: Naohiro Ogawa
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: DE69925984D1; EP1037358B1; EP1037358A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zum Laden von Batterien, wie z. B. Li-Ionen-Batterien.
Ein Verfahren und eine Schaltung, wie sie in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 definiert sind, die eine kontinuierliche oder lineare Ladung einer Batterie bei einer hohen Stromstärke bewirken, wenn die Batteriespannung höher als eine vorbestimmte Schwellenspannung ist, und eine kontinuierliche Pufferladung bei einer niedrigen Stromstärke bewirken, wenn die Batteriespannung niedriger als eine vorbestimmte Schwellenspannung ist, sind aus US-A-5,694, 021 bekannt.
Ladeschaltungen zum Laden von Li-Ionen-Batterien sind oftmals in Einrichtungen eingebaut, die durch solch eine Batterie stromversorgt werden. Solch eine Einrichtung kann z. B. ein Camcorder oder ein mobiler Telefonanschluss, d. h. eine mobile Station sein. Gewöhnlich regelt eine Regeleinheit der Einrichtung, z. B. ein Mikroprozessor, die Ladeschaltung zum Laden der Batterie. Für den Fall, dass die Batterie-Leistungsstärke, d. h. die Batteriespannung sehr niedrig ist, kann die Regeleinheit der Einrichtung nicht arbeiten, solange die Batteriespannung für den Betrieb des Mikroprozessors ungenügend ist. Überdies sollten Li-Ionen-Batterien und Li-Ionen-Polymerbatterien umsichtig geladen werden, wenn die Batteriespannung sehr niedrig ist, d. h. wenn sich die Batterie in einem Überentladungszustand befindet. Wenn die Li-Ionen-Batterie oder das Li-Ionen-Polymer überentladen wird, ist das Laden mit einem niedrigen Strom zu bewirken, um die Sicherheit der Li-Ionen-Batterie zu gewährleisten, um eine Beschädigung der Batterie zu verhindern und um die Schutzschaltung in der Li-Ionen-Batterie zu schützen.
Daher enthält eine Ladeschaltung für Li-Ionen-Batterien gewöhnlich ein sog. Pufferladestufe zum Laden der Batterie in dem Fall, in dem die Höhe der Batteriespannung niedriger als der vorbestimmte Schwellwert ist. Wenn die Batteriespannung höher als der Schwellwert ist, wird die Ladeschaltung durch die Regeleinrichtung (Mikroprozessor) geregelt. Gewöhnlich sind solche Pufferladestufen durch einen Spannungsbegrenzer, wie eine Zener-Diode zum Bestimmen der Pufferladeschwelle, einen Strombegrenzer (Widerstand) und eine Leistungs-Ddiode oder einen -Transistor ausgeführt. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche bekannte Pufferladestufe. Eine Zener-Diode 5 als ein Spannungsbegrenzer bestimmt die Pufferladeschwelle. Unterhalb dieser Pufferladeschwelle ist der Ladestrom durch einen Leistungstransistor 2 mittels eines Strombegrenzers (Widerstands) 4 begrenzt. Es sei angemerkt, dass der Strom in der Pufferladestufe nur durch den Widerstand 4 begrenzt und definiert ist. Toleranzen des Widerstands 4 können daher derart zu einer Änderung des Ladestroms führen, dass der Ladestrom nicht sehr genau begrenzt werden kann.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Pufferladestufe, die in 5 gezeigt ist, besteht darin, dass sie zusätzlich zu der normalen Schaltungsstufe Raum in der Einrichtung in Anspruch nimmt und überdies die Kosten steigert. Die Zener-Diode 5 bringt den Nachteil mit sich, dass sie ziemlich teuer ist, insbesondere dann, wenn sie die zuvor erwähnte Schwellenspannung zu gewährleisten hat, die innerhalb kleiner Toleranzen definiert ist. In dem Fall, in dem die Spannung der Batterie 1 die Schwellenspannung der Zener-Diode 5 übersteigt, sind der Ladestrom und die Ladespannung nicht länger durch die Pufferladestufe, jedoch durch die Regeleinheit (Mikroprozessor) 3 definiert.
Hinsichtlich des Leistungstransistors der Schaltung zum Laden gibt es gemäß dem Stand der Technik zwei Techniken zum Beherrschen sowohl der Pufferladung als auch der normalen Ladung. Es sei angemerkt, dass in der Pufferladungsphase der Spannungsabfall an dem Leistungstransistor derart hoch ist, dass im Hinblick auf die Wärmeableitung ein großer Transistor mit einem großen Gehäuse benözigt wird.
Gemäß der ersten Technik wird ein erster Leistungstransistor in einem Pufferladeblock für eine Pufferladung benutzt, und ein zweiter Leistungstransistor wird in einem Normalladeblock für die Normalladephase benutzt, während welcher der Spannungsabfall an dem Transistor kleiner, der Ladestrom jedoch höher ist. Daher besteht ein Nachteil darin, dass ein zusätzlicher Transistor für die Pufferladung benötigt wird.
Gemäß der zweiten Technik, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird nur ein großer Transistor benutzt, was den Nachteil mit sich bringt, dass mehr Raum in einer elektronischen Einrichtung benötigt wird, wenn der Transistor Teil einer inneren Schaltung zum Laden ist.
Die Japanische Patentanmeldung JP-A-10/327 536 offenbart eine Schaltung zum Laden, die eine Konstantspannungsschaltung, eine Stromerfassungsschaltung, eine Spannungsregelungsschaltung, eine Regelungseinrichtung, einen Laderegelungsblock, eine Konstantspannungs-Regelungsschaltung, einen Mikrocomputer, einen Ausgangsanschluss, einen Stromversorgungsanschluss, einen Widerstand, eine Stromregelungsschaltung und einen Konstantspannungs-Regelungsanschluss hat. Die Schaltung zum Laden gemäß diesem Stand der Technik regelt die Ladespannung, benötigt keinen Wärmesenkeblock und ist besonders dazu bestimmt, verschiedene Typen von Batterien zu laden, die in eine Ladeeinrichtung eingesetzt sind. Gemäß diesem Stand der Technik werden sowohl die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannungas als auch der Stromwert der oder durch die Konstantspannungsschaltung mittels des Mikrocomputers erfasst. Dann wird die Wärmeerzeugung der Regelungseinrich tung berechnet. Dann wird eine EIN/AUS-Steuerung bewirkt, um eine Überhitzung des Steuerelements zu vermeiden. Eine solche bekannte gepulste Pufferschaltung zum Laden ist dazu bstimmt, als eine externe Ladeeinrichtung in Form einer Vielbatterie-Ladeeinrichtung für unterschiedliche elektronische Einrichtungen benutzt zu werden und ist für NiCd-Batterien und nicht für Batterien, wie Li-Ionen-Batterien optimiert, die in dem Fall, in dem sie überentladen sind, eine Pufferladung benötigen.
Eine solche Vielbatterie-Ladeeinrichtung ist jedoch nicht dazu bestimmt, als eine interne Schaltung zum Laden benutzt zu werden und kann nicht für Li-Ionen-Batterien benutzt werden, die an die sog. Pufferladung gewöhnt sind, wie dies zuvor ausgeführt wurde.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Technik zu schaffen, die dazu bestimmt ist, ein effektives und sicheres Laden von Li-Ionen-Batterien zu gewährleisten.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mittels der Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden die zentrale Idee der vorliegenden Erfindung weiter.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Laden einer Batterie mittels einer Schaltung zum Laden vorgesehen, die einen Leistungstransistor umfasst. Dabei wird die Batteriespannung erfasst. In dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt, wird eine gepulste Ladung der Batterie bewirkt. In dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich oder höher als der vorbestimmte Schwellwert ist, wird eine kontinuierliche Ladung der Batterie bewirkt. Infolge der gepulsten Pufferladung kann die mittlere Last für den Transistor verringert werden, und daher können die Abmessungen des Gehäuses des Transistors, die für die Wärmeableitung notwendig sind, verringert werden, was besonders in dem Fall, in dem der Leistungstransistor Teil einer interne Schaltung zun Laden der Batterie einer elektronischen Einrichtung, wie eines Zellular-Telefons ist, von Wichtigkeit ist. Es sei angemerkt, dass die Last für den Transistor durch Variieren des Betriebszyklus der gepulsten Ladung gesteuert werden kann. Überdies ist im Falle der gepulsten Pufferladung gemäß der vorliegenden Erfindung nur ein kleiner Transistor sowohl für die Pufferladung als auch für die normale Ladung notwendig.
Während der gepulsten Ladung der Batterie kann der Ladestrom geringfügig kleiner (Sicherheitsspielraum) als der Ladestrom der kontinuierlichen (normalen) Ladung der Batterie sein. Die Ladespannung der Impulse kann der Ladespannung der kontinuierlichen Ladung der Batterie entsprechen.
Die vorbestimmte Schwellenspannung kann dabei derart bestimmt sein, dass die Spannung der Batterie unterhalb der vorbestimmten Spannung einem Überentladungszustand entspricht, der eine Pufferladung notwendig macht. Überdies kann der vorbestimmte Schwellwert derart bestimmt sein, dass der zuvor genannte Schwellwert der Batteriespannung für den Betrieb eines Mikroprozessors einer durch die Batterie zu versorgenden elektronischen Einrichtung ausreichend ist. Oberhalb des Schwellwerts kann der Mikroprozessor daher das Laden der Batterie steuern.
Der Betriebszyklus der gepulsten Ladung kann abhängig von der Temperatur der Batterie variiert werden.
Der Leistungstransistor kann überdies zum Regeln des Ladestroms und Steuern der kontinuierlichen Ladephase benutzt werden.
Die gepulste Ladung kann durch EIN/AUS-Steuerng des Lei stungstransistors bewirkt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist überdies eine Schaltung zum Laden von Batterien vorgesehen. Diese Schaltung umfasst einen Spannungsdetektor zum Erfassen der Spannung einer Batterie und einen Ladeblock, der durch den Spannungsdetektor gesteuert wird. Der Spannungsdetektor steuert den Ladeblock derart, dass in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung liegt, der Ladeblock eine gepulste Ladung der Batterie bewirkt. In dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich oder größer als die vorbestimmte Schwellenspannung ist, bewirkt der Ladeblock eine kontinuierliche Ladung der Batterie.
Der Spannungsdetektor kann einen EIN/AUS-Block steuern, um die Strom-EIN-Funktion eines System-Mikrocomputers in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung liegt, unwirksam zu machen. In dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich oder größer als die vorbestimmte Schwellenspannung ist, wird die Strom-EIN-Funktion des System-Mikrocomputers wirksam gemacht, und der System-Mikrocomputer kann die kontinuierliche Ladung durch den Ladeblock steuern.
Der Ladeblock kann eine Ladesteuerungs-IC und eine Oszillatorschaltung umfassen, die mit dem Erdanschluss der Ladesteuerungs-IC verbunden ist, so dass die CR-Konstante (Zeitkonstante) der Oszillatorschaltung den Betriebszyklus der gepulsten Ladung bestimmt.
Es kann ein Temperaturkompensierungsmittel zum Erfassen der Umgebungstemperatur der Batterie und zum Ändern des Betriebszyklus der gepulsten Ladung abhängig von der erfassten Temperatur vorgesehen sein.
Das Temperaturkompensierungsmittel kann nur Hardware-Ele mente umfassen, da Software-definierte Elemente nicht unterhalb einer vorbestimmten Betriebsspannung arbeiten können.
Der Betriebszyklus der gepulsten Ladung kann durch Parallelschalten eines Widerstands zu einer Oszillatorschaltung geändert werden, die den Betriebszyklus der gepulsten Ladung bestimmt.
Die gepulste Ladung kann durch eine EIN/AUS-Schaltsteuerung eines Leistungstransistors bewirkt werden.
Der Leistungstransistor kann überdies zur Regelung des Ladestroms und der Ladespannung in der kontinuierlichen Ladephase vorgesehen sein.
Aus der im folgenden unter Bezugnahme auf die vorliegenden Figuren gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben derselben ersichtlich.
1 zeigt ein algemeines Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ins einzelne gehend eine Schaltungsanordnung zum Laden gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt in einzelne gehend den Aufbau eines Temperaturkompensierungsblocks gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt die gepulste Ladespannung, die in der Pufferladephase gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
5 zeigt eine bekannte Pufferladeschaltung.
Im folgenden wird das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 erklärt.
Wie allgemein gezeigt umfasst eine Ladeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Eingang für die Ladespannung V_DD, einen Hardware-Ladeblock 6, einen Spannungsdetektor 4, einen EIN/AUS-Block 5, eine Batterie, wie eine Li-Ionen-Batterie 1, und eine Regeleinheit (Mikrocomputer) 3 einer elektronischen Einrichtung (wie ein Zellular-Telefon), die durch die Batterie 1 mit Strom zu versorgen ist.
Es sei nun angenommen, dass die Ladeeinrichtung physikalisch angeschlossen ist (das logische Signal an einem Eingang 23 in 2 hat daher einen hohen Pegel). Daher wird die Spannung VDD von außen angelegt. Der Spannungsdetektor 4 erfasst auf seiner Eingangsseite IN die Batteriespannung. Der Spannungsdetektor 4 erfasst, ob die Batteriespannung höher oder niedriger als ein vorbestimmter Schwellwert V_THR ist.
Wenn die Batteriespannung kleiner als die vorbestimmte Schwellenspannung V_THR ist, erfasst er, dass sich die Batterie 1 in einem Überentladungszustand befindet, der eine Pufferladung notwendig macht. Überdies ist der vorbestimmte Schwellwert derart bestimmt, dass die Batteriespannung oberhalb des Schwellwerts für den Betrieb des Mikroprozessors 3 ausreichend ist. Oberhalb des Schwellwerts kann der Mikroprozessor 3 daher die Ladung der Batterie 1 steuern.
Der Spannungsdetektor 4 gibt ein erstes logisches Ausgangssignal OUT1 oder ein zweites logisches Ausgangssignal OUT2 abhängig davon aus, ob die erfasste Batteriespannung höher oder niedriger als die vorbestimmte Schwellenspannung V_THR ist. Es sei angemerkt, dass die Betriebsspannung des Spannungsdetektors 4 niedriger als die minimale Spannung der Batterie 1 ist. Daher ist die Betriebsspannung des Spannungsdetektors, wenn die minimale Spannung der Batterie 1 z. B. ungefähr 1 V beträgt (unter welcher Spannung die Batterie 1 praktisch leer ist), z. B. auf 0,6 V geetzt.
Es sei angemerkt, dass die Ladesteuerungs-IC 7 in dem Fall, in dem die Batterie praktisch leer ist, immer noch korrekt in dem gepulsten Pufferlade-Modus arbeitet. Die Batterie wird jedoch niemals geladen, da eine Batterie-Schutzschaltung (nicht gezeigt) stets abgeschaltet ist, so dass die Spannung niemals an die Batteriezelle gelegt wird.
In dem Fall, in dem der Spannungsdetektor 4 erfasst, dass die Batteriespannung 1 kleiner als die Schwellenspannung V_THR ist, liegt das logische Ausgangssignal OUT2 des Spannungsdetektors 4 z. B. auf einem niedrigen Pegel, so dass der EIN/AUS-Block 5 derart gesteuert wird, dass er den System-Mikrocomputer 3 in einem Zustand hält, in dem die Strom-EIN-Funktion unwirksam gemacht ist. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem die Batteriespannung 1 unterhalb der Schwellenspannung V_THR liegt, die Spannung der Batterie 1 für einen Betrieb des System-Mikrocomputers 3 nicht ausreichend ist, so dass der System-Mikrocomputer 3 nicht die Ladung der Batterie 1 steuern kann, wenn sich die Batterie 1 in einem Überentladungszustand befindet.
Solange der Spannungsdetektor 4 erfasst, dass die Batteriespannung kleiner als die Schwellenspannung V_THR ist, liegt das erste logische Ausgangssignal OUT1 des Spannungsdetektors 4 z. B. auf einem niedrigen Pegel, um den Ladeblock 6 zu aktivieren. Es sei angemerkt, dass der Hardware-Ladeblock 6 keine vorbestimmte Spannungshöhe für seinen Betrieb benötigt. Daher kann der Hardware-Ladeblock 6 in dem Fall, in dem die Batteriespannung kleiner als die Schwellenspannung V_THR ist, die Ladespannung und den Ladestrom für die Batterie 1 regeln.
Die Schwellenspannung kann z. B. auf ungefähr 3,2 V gesetzt sein. Es sei angemerkt, dass der Spannungsdetektor 4 eine Hysteresis zwischen 3,2 V und 3,3 V haben kann. Solange die Batteriespannung kleiner als 3,2 V ist, ist die Strom-EIN-Funktion des System-Mikrocomputers 3 durch den EIN/AUS-Block 5 unwirksam gemacht, der in dem Fall, in dem eine Ladeeinrichtung physikalisch angeschlossen ist, durch das logische Ausgangssignal OUT2 des Spannungsdetektors 4 gesteuert wird. Daher wird in diesem Fall eine gepulste Pufferladung bewirkt, die durch Hardware gesteuert wird.
In dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung 3,3 V übersteigt, wird der EIN/AUS-Block 5 durch das logische Ausgangssignal OUT2 des Spannungsdetektors 4 gesteuert, um die Regeleinheit (Mikrocomputer) 3 zu aktivieren, so dass die Ladung in diesem Fall durch den Mikrocomputer 3 gesteuert wird.
Die Schaltung zum Laden, die ins einzelne gehend in 2 gezeigt ist, ist besonders als eine interne Ladeschaltung, z. B. für Zellular-Telefone mit Li-Ionen-Batterien, ausgelegt.
Wie in 2 gezeigt wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein pnp-Leistungstransistor 2 in einer Schaltung zum Laden benutzt, um eine Li-Ionen-Batterie 1 zu laden. Der pnp-Leistungstransistor 2 wird sowohl während einer Pufferladung, d. h. wenn die Batteriespannung nicht höher als eine vorbestimmte Schwelle ist, als auch für eine normale Ladung benutzt, d. h. wenn die Batteriespannung höher als diese vorbestimmte Schwellenspannung V_THR ist.
Es ist eine Ladesteuerungs-IC 7 vorgesehen, die durch die Stromversorgungsspannung V_DD versorgt wird, die ungefähr 5 V betragen kann. Die Ladesteuerungs-IC 7 hat sowohl einen Eingang für eine Stromerfassung des Stroms, der durch einen Strombegrenzer (Widerstand) 14 und den pnp-Leistungstransistor 2 fließt, als auch einen Spannungserfassungseingang zum Erfassen der Batteriespannung.
Da die Spannungsdifferenz zwischen einem Stromversorgungseingang 24 und der Batteriespannung im Falle einer Pufferladungw sehr hoh ist, muss der pnp-Leistungstransistor 2 als eine größere, temperaturresistentere Baueinheit für die Pufferladung als in dem Fall, in dem der Leistungstransistor nur in einer normalen Ladesituation benutzt wird, ausgelegt sein.
Der Spannungsdetektor 4 erfasst die Spannung der Batterie 1, die ein Tiefpassfilter 27 durchlaufen hat und dann einem Anschluss IN des Spannungsdetektors 4 eingegeben ist. Das Tiefpassfiltern durch das Tiefpassfilter 27 sorgt für eine reibungslöse Erfassung der Batteriespannung. Der Spannungsdetektor 4 gibt ein logisches Signal OUT aus, das als ein erstes logisches Signal OUT1 einem npn-Transistor 28 zugeführt wird und das überdies als ein zweites logisches Ausgangssignal OUT2 zu dem EIN/AUS-Block 5 übertragen wird. Solange die Spannung, die durch den Spannungsdetektor 4 erfasst ist, kleiner als die vorbestimmte Schwellenspannung V_THR ist, liegt das Ausgangssignal OUT des Spannungsdetektors 4 auf einem niedrigen Pegel, so dass der EIN/AUS-Block 5 (s. 1) den System-Mikrocomputer 3 in einem Zustand hält, in dem der Zustand "Stromversorgung EIN" unwirksam gemacht ist.
Solange das Ausgangssignal OUT des Spannungsdetektors 4 niedrig ist, ist der npn-Transistor 28 ausgeschaltet. In diesem Zustand ist der Lademodusanschluss der Ladesteuerungs-IC 7 über eine Oszillatorschaltung 8, die einen parallelgeschalteten Widerstand 9 und einen Kondensator 10 umfasst, auf Erde gelegt. In diesem Zustand hat das Signal an dem Lademoduseingang der Ladesteuerungs-IC 7 eine Dreieckwellenform, die dem Laden/Entladen des Kondensators 10 entspricht. Entsprechend hat das Steuerausgangssignal der Ladesteuerungs-IC, das an den pnp-Leistungstransistor 2 gelegt wird, eine Impulswellenform.
Es sei angemerkt, dass die Ladesteuerungs-IC 7 eine kommerzielle IC, wie z. B. der Typ "ICTK 732 42MCLH" von der Japanischen Firma Toko, sein kann. Diese Ladesteuerungs-IC 7 hat eine Kurz-Schutzfunktion. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Funktion für den Pufferlade-Modus eingesetzt. Der Kurz-Schutz wird dabei durch die Ladesteuerungs-IC 7 mit der externen Zeitkonstanten CR der Oszillatorschaltung 8 gesteuert. Die Ladesteuerungs-IC 7 steuert daher mit ihrem Ausgangssignal 26 den pnp-Leistungstransistor 2 in die Zustände EIN/AUS.
Gemäß der Schaltung, wie sie in 2 gezeigt ist, ist der npn-Transistor 28, solange der Spannungsdetektor 4 erfasst, dass die Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung V_THR liegt und daher eine Pufferladung der Batterie 1 notwendig ist, ausgeschaltet, und die Ladesteuerungs-IC 7 steuert den pnp-Leistungstransistor 2 zum Impulsladen- mittels Ein/Ausschalten desselben. Während der Impulse entspricht die Ladespannung dem Wert der kontinuierlichen (normalen) Ladephase. Während der Impulse kann der Ladestrom geringfügig kleiner als der Wert der kontinuierlichen (normalen) Ladephase sein. Mittels der impulsförmigen Ladung wird jedoch sichergestellt, dass der Transistor 2 während des Pufferlade-Modus nicht überlastet und überhitzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher in dem Pufferlade-Modus eine gepulste Ladung bewirkt, wobei die Stromeinstellungen und die Spannungseinstellungen die gleichen wie in dem Fall einer normalen Ladung sein können. Während einer Impulsladung ist die mittlere Last für den Leistungstransistor 2 in dem Pufferlade-Modus niedriger als ohne die Impulsladung, und der Transistor kann kleiner ausgelegt sein. Im Falle der impulsgesteuerten Pufferladung wird der Leistungstransistor 2 nicht überhitzt, und zwar selbst dann nicht, wenn er mit kleinen Abmessungen ausgelegt ist und die Erfordernisse der Li-Ionen-Batterie 1 zum Laden im Fal le von Überentladungszuständen berücksichtigt werden.
Wie in 2 gezeigt umfasst die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner Eingänge 22, 23. Dem Eingang 22 wird ein logisches Signal von dem System-Mikro-computer 3 für eine normale Ladung in dem Fall zugeführt, in dem die normale Ladung abgeschlossen ist oder unwirksam zu machen ist. In dem Fall, in dem das logische Eingangssignal 22 niedrig ist, wird die Ladung unwirksam gemacht, und in dem Fall, in dem das logische Eingangssignal 22 einen höheren Pegel annimmt, wird die Ladung mittels eines Schalters 12, der einen Transistor 11 umfasst, unwirksam gemacht. Das logische Eingangssignal 22 nimmt einen höheren Pegel an, um die Ladung der Li-Ionen-Batterie 1 unwirksam zu machen, z. B. in dem Fall, in dem die Temperatur zu hoch oder zu niedrig ist oder die (normale) Ladung abgeschlossen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Temperaturkompensierungsblock für die Schaltung zum Laden vorgesehen sein, wie dies in 3 gezeigt ist. Wie bereits zuvor augeführt worden ist sind die Impulsladung und genauer gesagt der Betriebszyklus der gepulsten Ladung der Batterie 1 und der Pufferlade-Modus durch die CR- (Zeit-)konstante der Oszillatorschaltung 8 definiert, die den Widerstand 9 und den Kondensator 10 umfasst. Der Temperaturkompensierungsblock ist in 3 gezeigt. Er schaltet dem ersten Widerstand 9 der Oszillatorschaltung 8 in dem Fall, in dem eine abnormale Umgebungstemperatur der Batterie 1 erfasst ist, einen zweiten Widerstand 15 parallel. Durch Parallelschalten des zweiten Widerstands 15 zu der Oszillatorschaltung 8 wird die CR-Konstante der Oszillatorschaltung 8 herabgesetzt (da der effektive Wuderstandswert herabgesetzt wird), und demzufolge werden der Betriebszyklus und die entsprechende Last für den Transistor 2 herabgesetzt.
Die Parallelschaltung des zweiten Widerstands wird durch einen npn-Transistor 16 gesteuert. Der npn-Transistor 16 wird durch ein logisches Signal T gesteuert. In dem Fall, in dem die erfasste Temperatur in einem normalen Bereich liegt, wenn sie z. B. mehr als minus 10°C und weniger als 45°C beträgt, liegt das logische Signal T auf einem hohen Pegel, womit der npn-Transistor 16 eingeschaltet ist.
Die Temperaturkompensierungseinheit umfasst einen Hochtemperatur-Erfassungsblock 17 des Typs mit offenem Drain-Bereich oder offenem Kollektor-Bereich und einen Niedrigtemperatur-Erfassungsblock 18 des Typs mit offenem Drain-Bereich oder offenem Kollektor-Bereich. Das Ausgangssignal des Hochtemperatur-Erfassungsblocks T₁ liegt z. B. auf einem höheren Pegel, wenn die erfasste Umgebungstemperatur der Batterie 1 niedriger als 45° C ist. Andererseits liegt das logische Ausgangssignal T₂ des Niedrigtemperatur-Erfassungsblocks 18 in dem Fall, in dem die erfasste Umgebungstemperatur der Batterie 1 höher als minus 10° C ist, auf einem höher Pegel.
Der Hochtemperatur-Erfassungsblock 17 umfasst einen Thermistor 21 und einen Operationsverstärker 19. Der Niedrigtemperatur-Erfassungsblock 18 umfasst einen zweiten Thermistor 22 und einen zweitem Operationsverstärker 20.
4 zeigt die gepulste Pufferladung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die maximale Ladespannung während der Impulse entspricht dabei einer üblichen Spannung von beispielsweise 4,2 V. In dem Fall, in dem eine normale Umgebungstemperatur der Batterie erfasst ist, kann der Betriebszyklus z. B. 30% betragen, wobei der Betriebszyklus im Falle einer abnormalen erfassten Temperatur auf die Hälfte davon (z. B. 15%) verringert werden kann. Besonders wird der Betriebszyklus in dem Fall, in dem der Widerstandswert des zweiten Widerstands 15 genau dem Widerstandwert des ersten Widerstands 9 der Oszillatorschaltung 8 entspricht, auf die Hälfte verringert.
In der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher die Zener-Diode nach dem Stnd der Technik vermieden werden. Sowohl für die Ladung in dem Pufferlade-Modus als auch für die normale Ladung ist ein Leistungstransistor 2 ausreichend. Wegen der gepulsten Pufferladung kann der Transistor mit kleinen Abmessungen ausgelegt sein, obwohl die Last und die Wärmeableitungserfordernisse für den Transistor beachtet sind. Die kleinen Abmessungen sind besonders in dem Fall vorteilhafr, in dem der Transistor Teil einer internen Schaltung zum Laden z. B. einer von Hand zu haltenden elektronischen Einrichtung, wie eines Zellular-Telefons ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Technik zum Laden einer Li-Ionen-Batterie oder einer Li-Ionen-Polymerbatterie mittels einer Schaltung zum Laden vorgeschlagen, die einen Leistungstransistor umfasst. Li-Ionen-Batterien oder Li-Ionen-Polymerbatterien benötigen eine sog. Pufferladung, wenn sie überentladen sind, d. h. eine Ladung mit niedrigem Strom, um die Batteriekapazität und die Sicherheit zu schützen. Der erforderliche kleinere Ladestrom in dem Pufferlade-Modus wird durch einen Impulslade-Modus erreicht.

Claims

Verfahren zum Laden einer Batterie mittels einer Ladeschaltung, die einen Leistungstransistor (2) enthält, welches Verfahren Schritte umfasst zum – Erfassen (4) der Batteriespannung, – in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung liegt, Bewirken einer Pufferladung (7, 8) der Batterie (1), und – in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich der oder größer als die vorbestimmte Schwellenspannung ist, Bewirken einer kontinuierlichen Ladung der Batterie (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferladung in einer gepulsten Ladung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der gepulsten Ladung der Batterie (1) die Ladespannung der Impulse der Ladespannung der kontinuierlichen Ladung der Batterie (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der gepulsten Ladung der Batterie (1) der Ladestrom während der Impulse dem Ladestrom der kontinuierlichem Ladung der Batterie (1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Schwellenspannung derart gesetzt wird, dass sich die Batterie (1) unterhalb der vorbestimmten Spannung in einem Überentladungszustand befindet, und derart, dass die Batteriespannung oberhalb der Schwellenspannung für den Betrieb einer Regeleinheit (3) einer elektronischen Einrichtung, die durch die Batterie (1) zu versorgen ist, ausreichend ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszyklus der gepulsten Ladung abhängig von der Temperatur der Batterie (1) variiert (16, 17, 18) wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Ladung durch eine EIN/AUS-Schaltsteuerung des Leistungstransistors (2) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (2) überdies zum Regeln des Ladestroms in der kontinuierlichen Ladephase benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Ladung von Li-Ionen-Batterien oder Li-Ionen-Polymerbatterien benutzt wird.
Schaltung zum Laden von Batterien, die einen Spannungsdetektor (4) zum Erfassen der Spannung einer Batterie (1) und einen Ladeblock (6) umfasst, der durch den Spannungsdetektor (4) gesteuert wird, wobei der Spannungsdetektor (4) den Ladeblock (6) derart steuert, dass – in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung liegt, der Ladeblock (6) eine Pufferladung (7, 8) der Batterie (1) bewirkt, und – in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich der oder größer als die vorbestimmte(n) Schwellenspannung ist, der Ladeblock (6) eine kontinuierliche Ladung der Batterie (1) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferladung in einer gepulsten Ladung besteht.
Schaltung zum Laden nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsdetektor (4) einen EIN/AUS-Block (5) steuert, um die Strom-EIN-Funktion eines System-Mikrocomputers (3) in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung liegt, unwirksam zu machen, und dass in dem Fall, in dem die erfasste Batteriespannung gleich der oder größer als die vorbestimmte(n) Schwellenspannung ist, der System-Mikrocomputer (3) die kontinuierliche Ladung mittels des Ladeblocks (6) steuert.
Schaltung zum Laden nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeblock (6) eine Ladesteuerungs-IC (7) und eine Oszillatorschaltung (8) umfasst, die mit dem Erdanschluss der Ladesteuerungs-IC (7) verbunden ist, so dass die CR-Konstante der Oszillatorschaltung (8) den Betriebszyklus der gepulsten Ladung bestimmt.
Schaltung zum Laden nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturkompensierungsmittel (16, 17, 18) zum Erfassen der Umgebungstemperatur der Batterie (1) und zum Ändern des Betriebszyklus der gepulsten Ladung abhängig von der erfassten Temperatur vorgesehen sind.
Schaltung zum Laden nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkompensierungsmittel nur Hardware-Elemente (16, 17, 18) enthalten.
Schaltung zum Laden nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszyklus der gepulsten Ladung durch Parallelschalten eines Widerstands (15) zu der Oszillatorschaltung (8) geändert wird, die den Betriebszyklus der gepulsten Ladung bestimmt.
Schaltung zum Laden nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Ladung durch EIN/AUS-Schaltsteuerung eines Leistungstransistors (2) bewirkt wird.
Schaltung zum Laden nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (2) überdies zum Regeln des Ladestroms in der kontinuierlichen Ladephase vorgesehen ist.
Schaltung zum Laden nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine interne Schaltung zum Laden einer elektronischen Einrichtung ist.
Schaltung zum Laden nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Ladung von Li-Ionen-Batterien und/oder Li-Ionen-Polymerbatterien ausgelegt ist.
Mobile Telekommunikationseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltung zum Laden nach einem der Ansprüche 9 bis 17 umfasst.