ITMI20101835A1 - Dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria. - Google Patents

Dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria. Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
“Dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria.â€
La presente invenzione concerne un dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria.
E’ noto l’utilizzo di batterie, preferibilmente di batteria al litio, nei dispositivi elettronici come cellulari, palmari, notebook, etc. Le batterie al litio devono essere gestite in modo opportuno per evitare malfunzionamenti e danneggiamenti che possono portare anche all’esplosione della batteria. Per tali motivi le batterie sono provviste di circuiti integrati che realizzano misure di carica, tensione, temperatura e proteggono la batteria dai danneggiamenti.
Le batterie utilizzate per i dispositivi elettronici comprendono normalmente una pluralità di celle connesse in serie e uno o due circuiti integrati che realizzano le funzioni di misura e di protezione. Quando vengono utilizzati due circuiti integrati normalmente uno à ̈ addetto alle misure e l’altro ha la funzione di inviare all’ esterno le indicazioni sulla capacità della batteria o sui malfunzionamenti ed à ̈ capace di prendere le decisioni riguardo ai malfunzionamenti della batteria o altro.
Attualmente sul mercato esistono solo circuiti integrati predisposti per batterie con un numero definito di celle, ad esempio 12 o multipli di 12. Nel caso in cui si utilizza una batteria con 8 celle à ̈ necessario utilizzare dei circuiti integrati predisposti per una batteria con 12 celle; in tal modo il dispositivo finale o “battery pack†non à ̈ ottimizzato in termini di rapporto costi/prestazioni.
Nei battery pack utilizzati attualmente à ̈ anche presente un altro circuito integrato atto ad esercitare una funzione di protezione delle celle della batteria nel caso in cui la tensione delle celle supera o scende sotto un determinato livello.
Il firmware implementato nei circuiti integrati dei battery pack comprende le funzioni di determinazione dell’ inizio della carica, dell’attivazione della funzione di bilanciamento delle celle, della stima del tempo di vita del battery pack. Detto firmware viene immagazzinato all’intemo dei circuiti integrati e non può essere modificato dato che non à ̈ accessibile all’utente. Pertanto non à ̈ possibile inserire particolari algoritmi di gestione delle batterie in detti circuiti integrati, come, ad esempio, algoritmi di gestione riguardo l’alta sicurezza della batteria o della funzione di bilanciamento delle celle noto come “celi balancing†. Detta funzione à ̈ dovuta al fatto che le celle non sono tutte uguali ma hanno diverse capacità dovute a tolleranze di produzione. Per consentire alle celle di una batteria di essere caricate tutte allo stesso livello à ̈ necessario deviare in percentuale la corrente in maggiore quantità verso alcune ed in minore quantità verso altre; ciò determina un maggiore tempo di carica.
Nel documento “SBS 1.1 -Compliant gas gauge and protection enabled with impedance track†, SLUS757B-JULY 2007-REVISED APRIL 2008, à ̈ descritto un singolo circuito integrato atto a svolgere le funzioni di monitoraggio e protezione per le batterie di tipo Li-ion o Li-polymer.
In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria che sia diverso da quelli noti.
In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante un dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria, detta batteria comprendendo una o più celle, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un circuito integrato master ed uno o più moduli di circuiti integrati slave, ognuno associabile ad una sola cella della batteria ed ognuno comprendendo mezzi atti a rilevare la temperatura e/o la tensione della cella e/o malfunzionamenti della cella, ogni modulo di circuito integrato slave comprendendo un’interfaccia per l’invio di detti dati rilevati all’almeno un circuito integrato master, detto circuito integrato master essendo atto ad inviare ad ogni modulo di circuito integrato slave comandi in risposta alla temperatura e/o alla tensione e/o ai malfunzionamenti rilevati dallo stesso modulo di circuito integrato slave.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:
la figura 1 mostra imo schema di un dispositivo modulare per la protezione ed il monitoraggio di una batteria in accordo alla presente invenzione
la figura 2 mostra uno schema di un modulo di circuito integrato slave appartenente al dispositivo modulare in accordo alla presente invenzione;
la figura 3 mostra uno schema di due moduli di circuito integrato slave come in figura 2 collegati l’uno con l’altro.
Con riferimento alla figura 1 à ̈ mostrato uno schema di un dispositivo modulare 1 per la protezione ed il monitoraggio di una batteria 2 in accordo alla presente invenzione; l’apparato comprendete il dispositivo modulare 1 e la batteria 2 costituisce un “battery pack†. La batteria 2 comprende almeno una cella Al ma preferibilmente una pluralità di celle Al...An ed il dispositivo modulare 1 comprende un circuito integrato master BO ed almeno un modulo di circuito integrato slave Bl, ma preferibilmente una pluralità di moduli di circuiti integrati slave Bl ...Bn, in cui ciascuno dei moduli di circuiti integrati slave Bl...Bn à ̈ collegabile ad una rispettiva cella Al...An della batteria 2. In tal modo il dispositivo modulare 1 à ̈ adattabile a qualsiasi batteria 2, cioà ̈ à ̈ possibile aggiungere o diminuire il numero dei moduli di circuiti integrati slave Bl ...Bn a seconda del numero delle celle Al ..An della batteria 2. Preferibilmente i moduli di circuiti integrati slave ΒΙ.,.Βη sono identici l’uno con l’altro.
Preferibilmente i moduli di circuito integrato slave Bl....Bn sono disposti in successione lineare dal primo modulo di circuito integrato slave Bl all’ultimo modulo di circuito integrato slave Bn.
In ogni modulo di circuito integrato slave Bl ....Bn à ̈ presente un’interfaccia 3 atta a consentire il collegamento di ogni modulo di circuito integrato slave con il suo successivo e con il suo precedente nella successione di moduli di circuiti integrati slave Bl...Bn, come mostrato in figura 1. Il primo modulo di circuito integrato slave Bl della successione di moduli di circuiti integrati slave Bl...Bn à ̈ connesso con il successivo o secondo modulo di circuito integrato slave B2 e con il circuito integrato master BO.
I moduli di circuiti integrati slave Bl ...Bn trasmettono al circuito integrato master BO le informazioni, come segnali digitali, sul monitoraggio delle celle ΑΙ.,.Αη della batteria 2, cioà ̈ informazioni sulla temperatura delle celle, sullo stato di carica, sul malfunzionamento delle celle ed altro. I circuiti integrati slave Bl...Bn, essendo collegati in successione l’uno con l’altro, trasmettono i dati l’uno all’altro e solo il primo modulo di circuito integrato slave trasmette i dati al circuito integrato master BO.
II circuito integrato master BO comprende un interfaccia 4 atta a ricevere i dati inviati dal primo modulo di circuito integrato slave Bl e comprende una microprocessore 5 con una memoria 6 dove à ̈ installato ed in esecuzione un software atto a gestire il monitoraggio della batteria 2, la protezione delle celle, gli indicatori di allarme ecc. Il software per la gestione dei dati rilevati dai moduli di circuito integrato slave B1...Bn à ̈ adattabile al numero dei moduli di circuito integrato slave B1...Bn.
Ogni modulo di circuito integrato slave Bi per i=l,..n dei moduli di circuiti integrati slave Bl....Bn comprende, come visibile nelle figure 2 e 3, un sensore di temperatura interno 11 in grado di stimare la temperatura Ti della cella Ai per i=l,..n delle celle Al ...An a cui il circuito integrato slave Bi à ̈ associato. La temperatura rilevata non corrisponde esattamente a quella della cella nel caso in cui il modulo di circuito integrato slave Bi sta effettuando la funzione di celi balancing che porta ad un innalzamento di temperatura del modulo di circuito integrato slave Bi; detta funzione à ̈ controllata da una circuiteria di controllo 12 interna al modulo di circuito integrato slave Bi.
E’ previsto un terminale di ingresso VCP collegato elettricamente con la cella Ai associata per fornire il valore di tensione Vi della cella associata.
E’ anche previsto un terminale di ingresso VCPP collegato elettricamente con la cella Ai+1 per fornire il valore di tensione Vi+1 della cella Ai+1.
La tensione Vi ed il valore Vt del sensore di temperatura sono in ingresso ad un multiplex 13 che seleziona il segnale in ingresso ad un convertitore analogico-digitale 14, preferibilmente a 10 bit, atto ad inviare i segnali digitali in uscita alla circuiteria di controllo 12.
Sono presenti anche due comparatori 15 e 16 atti a confrontare rispettivamente la tensione Vi sull’ingresso VCP e la tensione Vi+1 sull’ingresso VCPP con la soglia di alta tensione OVth e la soglia di bassa tensione Uvth. Le uscite alimentano un circuito di protezione secondaria 17 atto ad inviare sul terminale di uscita AL OUT un segnale indicativo di un malfunzionamento della cella Ai nel caso in cui la tensione Vi sia sotto il valore UVth o sopra il valore OVth.
Ogni circuito integrato slave Bi comprende anche un transistor MOSFET M atto ad implementare la funzione di celi balancing. Il transistor M ha il terminale di drain accoppiato con il terminale di ingresso VCP, il terminale di gate controllato dalla circuiteria di controllo 12 ed il terminale di source collegato ad un terminale VCN del circuito integrato slave Bi collegabile alla cella associata Ai per alimentare una corrente li alla cella Ai per il raggiungimento del valore di carica impostato.
L’interfaccia 3 deve inviare i dati monitorati dal modulo di circuito integrato slave Bi attraverso il terminale di uscita DATA OUT al circuito integrato slave Bi-1 o al circuito master BO; la stessa interfaccia 3 riceve i dati monitorati dal modulo di circuito integrato slave Bi+1 e degli altri moduli di circuito integrato slave Bi+2...Bn attraverso il terminale di ingresso DATA IN. La stessa interfaccia 3 riceve ed invia segnali di sincronismo attraverso l’ingresso CLK IN e l’uscita CLK_OUT e riceve con le altre interfacce 3 dei moduli di circuito integrato slave e con il circuito integrato master per l’invio sincronizzato dei dati da un modulo di circuito integrato slave Bi al precedente modulo di circuito integrato slave Bi-1 della successione di moduli di circuito integrato slave BI ...Bn o al circuito integrato master BO.
L’interfaccia 3 del modulo di integrato slave Bi riceve il segnale di malfunzionamento proveniente da un altro modulo di circuito integrato slave Bi+1...Bn attraverso l’ingresso AL_IN ed invia i segnali di malfunzionamento ricevuti o il proprio segnale di malfunzionamento rilevato attraverso l’uscita AL OUT.
Pertanto i dati rilevati dall’ultimo modulo di circuito integrato slave Bn della successione dei moduli di circuito integrato slave BI ...Bn vengono comunicati al primo modulo di circuito integrato slave BI attraverso la catena di moduli di circuito integrato slave Bl+1 ...Bn-1 ed il primo modulo di circuito integrato slave BI comunica detti dati al circuito integrato master.
L’interfaccia 3 ha il compito di implementare il protocollo di comunicazione previsto fra i moduli di circuiti integrati slave BI ....Bn e di effettuare una traslazione di livelli affinché i segnali arrivino al circuito integrato slave Bi con i livelli di tensione corretti e poi raggiungano il circuito integrato master BO in modo corretto. Per tale motivo l’interfaccia 3 riceve in ingresso le tensioni Vi e Vi+1 che saranno le tensioni di riferimento, bassa e alta, per i segnali da inviare sui terminali DATA OUT e CLK OUT.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo modulare (1) per la protezione ed il monitoraggio di una batteria (2), detta batteria comprendendo una o più celle (Al...An), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un circuito integrato master (B0) ed uno o più moduli di circuiti integrati slave (ΒΙ.,.Βη), ognuno associabile ad una sola cella della batteria ed ognuno comprendendo mezzi (11-17) atti a rilevare almeno la temperatura e/o la tensione della cella e/o malfunzionamenti della cella, ogni modulo di circuito integrato slave comprendendo un’interfaccia (3) per l’invio di detti dati rilevati all’almeno un circuito integrato master (BO), detto circuito integrato master essendo atto ad inviare ad ogni modulo di circuito integrato slave comandi in risposta alla temperatura e/o alla tensione e/o ai malfunzionamenti rilevati dallo stesso modulo di circuito integrato slave.
  2. 2. Dispositivo modulare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’interfaccia (3) di ogni modulo di circuito integrato slave (B1...Bn) à ̈ configurata per lo scambio di dati con un altro modulo di circuito integrato slave (ΒΙ .,.Βη) e con il circuito integrato master (BO) o con un altro modulo di circuito integrato slave associabile ad un’altra cella della batteria (Al ... An).
  3. 3. Dispositivo modulare secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere una successione di moduli di circuito integrato slave (Bl.. Bn), l’interfaccia (3) del primo modulo di circuito integrato slave (Bl) essendo configurata per lo scambio di dati con detto circuito integrato master (BO) e con il successivo modulo di circuito integrato slave (B2) della successione di moduli di circuito integrato slave, l’interfaccia (3) di ogni altro modulo di circuito integrato slave della successione di moduli di circuito integrato slave essendo configurata per lo scambio di dati con il precedente ed il successivo modulo di circuito integrato slave della successione di moduli di circuito integrato slave (Bl ...Bn).
  4. 4. Dispositivo modulare secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto detta successione di moduli di circuito integrato slave (Bl...Bn) sono configurati in modo tale che i dati rilevati dall’ultimo modulo di circuito integrato slave (Bn) della successione dei moduli di circuito integrato slave (Bl...Bn) vengono comunicati al primo modulo di circuito integrato slave (Bl) attraverso la catena di moduli di circuito integrato slave intermedi (Bl+l...Bn-l) ed il primo modulo di circuito integrato slave (Bl) comunica detti dati al circuito integrato master (BO).
  5. 5. Dispositivo modulare secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l’interfaccia (3) di ogni modulo di circuito integrato slave della successione di moduli di circuito integrato slave (ΒΙ.,.Βη) comprende mezzi di sincronismo (CLK IN CLK OUT) con le altre interfacce dei moduli di circuito integrato slave e con il circuito integrato master per l’invio sincronizzato dei dati da un modulo di circuito integrato slave (Bi) al precedente modulo di circuito integrato slave (Bi-1) della successione di moduli di circuito integrato slave (B1...Bn) o al circuito integrato master (BO).
  6. 6. Dispositivo modulare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito integrato master (BO) comprende un microprocessore (5) ed una memoria (6) dove à ̈ installato ed in esecuzione un software per la gestione dei dati rilevati dai moduli di circuito integrato slave (Bl...Bn), detto software essendo adattabile al numero dei moduli di circuito integrato slave (B1...Bn).
  7. 7. Dispositivo modulare secondo ima qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti moduli di circuito integrato slave (Bl...Bn) sono identici l’uno con l’altro.
  8. 8. Circuito integrato slave (Bl...Bn) per la protezione ed il monitoraggio di una cella (Al...An) di ima batteria (2), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (11-17) atti a rilevare almeno la temperatura, la tensione della cella e malfunzionamenti della cella e comprendendo un’interfaccia (3) per l’invio di detti dati rilevati all’ almeno un circuito integrato master (BO), detta interfaccia essendo configurata per lo scambio di dati con un altro circuito integrato slave (ΒΙ.,.Βη) e con detto circuito integrato master o un altro circuito integrato slave.
  9. 9. Battery pack comprendente una batteria (2) con almeno una cella (Al....An) ed un dispositivo modulare (1) per la protezione ed il monitoraggio della batteria come definito in una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 7.
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