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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Batteriesysteme und insbesondere auf das Regulieren eines Vorladestroms in einem Batteriesystem.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Während der Wert und der Gebrauch von Informationen anhaltend wächst, suchen Einzelpersonen und Unternehmen nach zusätzlichen Wegen, um Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Eine den Nutzern zugängliche Wahlmöglichkeit sind Informationsverarbeitungssysteme. Ein Informationsverarbeitungssystem verarbeitet, übersetzt, speichert und/oder kommuniziert im Allgemeinen Informationen oder Daten für geschäftliche, persönliche oder andere Zwecke, wobei es den Nutzern erlaubt, einen Vorteil aus dem Wert der Informationen zu ziehen. Da der Bedarf und die Anforderungen an Technologie und Informationsverarbeitung zwischen verschiedenen Nutzern und Anwendungen variieren, können Informationsverarbeitungssysteme ebenso variieren in Bezug darauf, welche Informationen verarbeitet werden, wie die Informationen verarbeitet werden, wie viel Informationen verarbeitet, gespeichert oder kommuniziert werden, und wie schnell und effizient die Informationen verarbeitet, gespeichert oder kommuniziert werden können. Die Abweichungen zwischen Informationsverarbeitungssystemen erlauben es, dass Informationsverarbeitungssysteme allgemein sind oder konfiguriert für einen bestimmten Nutzer oder einen bestimmten Gebrauch, wie z. B. die Abwicklung von Finanz-Transaktionen, Fluglinien-Reservierungen, Speicherung von Unternehmensdaten oder globale Kommunikation. Darüber hinaus können Informationsverarbeitungssysteme eine Vielfalt von Hardware- und Software-Komponenten beinhalten, die so konfiguriert werden können, dass sie Informationen verarbeiten, speichern und kommunizieren und ein oder mehrere Computersysteme, Datenspeichersysteme und Netzwerksysteme beinhalten können.
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Beispiele von tragbaren Informationsverarbeitungssystemen umfassen Notebook-Computer. Diese portablen elektronischen Geräten werden typischerweise durch Batteriesysteme wie etwa Lithium-Ionen-(„Li-Ionen“) oder Nickelmetallhydrid-(„NiMH“) Batteriepakete mit Strom versorgt, die eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien enthalten. 1 zeigt ein Batteriesystem 120 eines tragbaren Informationsverarbeitungssystems 100 mit Batterieladeanschlüssen 122, 124, die zeitweise an entsprechende Ladeausgangsanschlüsse 115, 116 eines Batterieladegeräts 110 angeschlossen sind. So konfiguriert ist das Batterieladegerät 110 so angeschlossen, um Strom von Stromversorgungsanschlüssen 112, 114 zu erhalten (z. B. Wechselstrom oder Gleichstrom aus einem AC-Adapter) und um DC-(Gleichstrom-)Ladestrom an die Batterieladeanschlüsse 122, 124 des Batteriesystems 120 über die Ladeausgangsanschlüsse 115, 116 zu liefern. Wie gezeigt, umfasst das Batteriesystem 120 auch Batteriesystem-Datenbusanschlüsse 126, 128 zum Bereitstellen von Batteriestatusinfonnation, wie z. B. Batteriespannung, an entsprechende Datenbusanschlüsse 117, 118 des Batterieladegeräts.
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2 zeigt ein konventionelles Lithium-Ionen-Batteriesystem 120 mit einer Batterie-Management-Einheit („BMU“) 202, die für das Überwachen des Batteriesystembetriebs und für die Steuerung der Lade- und Entladeschaltung 270 verantwortlich ist, die zum Laden und Entladen von einer oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems vorhanden ist. Wie gezeigt, umfasst die BMU 202 ein analoges Front End („AFE“) 206 und einen Microcontroller 204. Die Lade- und Entladeschaltung 270 des Batteriesystems 120 umfasst zwei Feldeffekttransistoren („FETs“) 214 und 216, die zwischen Batterieladeanschluss 112 und Batteriezelle/n 224 in Serie angeschlossen sind. FET 214 ist ein Lade-FET-Schaltelement, das einen Teil der Ladeschaltung 260 bildet, der durch den Microcontroller 204 und/oder das AFE 206 von BMU 202 gesteuert wird, indem Schalter 218 verwendet wird, der einen Ladestrom an die Lithium-Ionen-Batteriezelle/n 224 zulässt oder nicht zulässt. FET 216 ist ein Entlade-FET-Schaltelement, das einen Teil der Entladeschaltung 262 bildet, die durch den Microcontroller 204 und/oder AFE 206 von BMU 202 gesteuert wird, indem Schalter 220 verwendet wird, der einen Entladestrom von der/den Batteriezelle/n 224 zulässt oder nicht zulässt. Wie gezeigt, sind über Source und Drain von jedem FET-Schaltelement parasitische Dioden vorhanden, das heißt, um einen Ladestrom an die Batteriezelle/n zu leiten, wenn das Entlade-FET-Schaltelement 216 offen ist, und um einen Entladestrom von der/den Batteriezelle/n zu leiten, wenn das Lade-FET-Schaltelement 214 offen ist.
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Während des normalen Batteriepaketbetriebs werden beide Lade- und Entlade-FET-Schaltelemente 214 und 216 durch jeweilige Schalter 218 und 220 in den geschlossenen Zustand versetzt, und die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von AFE 206 überwacht die Spannung der Batteriezelle/n 224. Wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von AFE 206 eine Batterieüberspannungsbedingung erkennt, öffnet die BMU 202 das Lade-FET-Schaltelement 214, um weiteres Laden der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Überspannungsbedingung nicht mehr vorhanden ist. Wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von AFE 206 eine Batterieunterspannungsbedingung (oder Über-Entladung) erkennt, öffnet die BMU 210 in ähnlicher Weise das Entlade-FET-Schaltelement 216, um weiteres Entladen der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Unterspannungsbedingung nicht mehr vorhanden ist. Die BMU 202 kann auch das Lade-FET-Schaltelement 214 öffnen, wenn das Batteriepaket im Schlafmodus ist. In der Batteriepaketschaltung ist ein Strommesswiderstand 212 vorhanden, um dem Stromsensor 208 von AFE 206 zu erlauben, den Ladestrom an die Batteriezelle/n zu überwachen. Wenn das Lade-FET-Schaltelement 214 offen sein soll (z. B. während des Schlafmodus oder der Batterieüberspannungsbedingung), aber ein Ladestrom festgestellt wird, deaktiviert die BMU 202 dauerhaft das Batteriepaket durch Auslösen einer In-Reihe geschalteten Sicherung 222, die in der Batterieschaltung vorhanden ist, um die Batteriepaketschaltung abzutrennen (to open) und weiteres Überladen zu verhindern.
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Wenn Li-Ionen- und NiMH-Batteriezellen bis zu einem bestimmten niedrigen Spannungsniveau entladen wurden, sind sie nicht in der Lage, ihren vollen Ladestrom aufzunehmen und müssen bei einem viel niedrigeren Stromniveau „vorgeladen“ werden. Zum Beispiel beträgt ein typischer minimaler Ladestrom eines intelligenten Ladegeräts 128 mA, der zum Vorladen von einigen NiMH-Batteriezellen ausreichend niedrig sein kann. Allerdings kann der erforderliche Vorladestrom für andere Typen von Batteriezellen viel niedriger als 128 mA sein. Für eine typische Li-Ionen-Batteriezelle beträgt der erforderliche Vorladestrom ungefähr 20 mA oder weniger pro Zelle. Um den erforderliche Vorladestrom bereitzustellen, wurde eine separate Vorladeschaltung in ein Batteriepaket eingegliedert, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau zu erreichen, in dem der von einem Batterieladegerät gelieferte Ladestrom reduziert wird.
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2 stellt die Vorladeschaltung 250 dar, die in der Lade- und Entladeschaltung 270 vorhanden ist, um die Batteriezelle/n 224 vorzuladen, wenn die Batteriezelle/n 224 auf ein vorbestimmtes niedriges Spannungsniveau entladen wurden und nicht bereit sind, ihren vollen Ladestrom aufzunehmen. Wie gezeigt, umfasst die Vorladeschaltung 250 einen MOSFET 252, der als Schalter verwendet wird, und einen Widerstand 254, um das Niveau des Vorladestroms auf einen viel niedrigeren Stromwert als den Ladestrom zu begrenzen, der durch das Batterieladegerät 110 bereitgestellt wird. In der Vorlade-Betriebsart schaltet der Microcontroller 204 den MOSFET-Schalter 252 an, wenn die Zellspannungs-Erkennungsschaltung 210 von AFE 206 feststellt, dass die Spannung der Batteriezelle/n 224 unterhalb des vorbestimmten niedrigen Spannungsniveaus liegt und das Vorlade-Stromniveau benötigt wird. In der Vorlade-Betriebsart hält die BMU 202 auch das Lade-FET-Schaltelement 214 in einem offenen Zustand, um den Ladestrom, der an die Batteriezelle/n 224 bereitgestellt wird, auf das niedrigere Vorlade-Stromniveau zu begrenzen. Wenn die Spannung der Batteriezelle/n 224 das vorbestimmte niedrige Spannungsniveau erreicht, schaltet die BMU 202 den MOSFET 252 aus und schließt das Lade-FET-Schaltelement 214, um zu ermöglichen, dass der volle Ladestrom an die Batteriezelle/n 224 bereitgestellt wird.
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Die
JP 7-298 504 A offenbart einen Ladeschaltkreis für eine Batterie, der eine Spannungsversorgung und einen Haupttransistor für die Kontrolle des Ladestroms umfasst. Ferner umfasst der Ladeschaltkreis einen Mikrocomputer. Eine tief entladene Batterie weist zu Beginn des Ladevorgangs eine Spannung von im Wesentlichen 0 Volt auf. Der Mikrocomputer detektiert, dass die Spannung der Batterie geringer ein vorgegebener Spannungspegel ist und steuert den Haupttransistor zum Ausführen eines pulsförmigen Ladens. Wenn die Spannung über der Batterie auf einen geeigneten Pegel ansteigt, wird der Betrieb des Haupttransistors von dem pulsförmigen Laden in einen normalen Boost-Ladebetrieb umgeschaltet. Da die Spannung einer intern kurzgeschlossenen Batterie durch das pulsförmige Laden nicht ansteigt, unterbricht der Mikrocomputer den Ladebetrieb. Damit kann die Batterie normal geladen werden, ohne den Ladeschaltkreis zu überlasten.
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Die
US 2004/0212348 A1 offenbart einen Batterielade-Controller, der an die Gleichspannungsausgangsanschlüsse eines AC/DC (oder DC/DC) Adapters angeschlossen ist, der einen AC/DC (oder DC/DC) Konverter beinhaltet. Ein kontrollierter Stromflusspfad zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Batterielade-Controllerschaltkreises wird kontrolliert, um einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie auf die nominelle Batteriespannung bereitzustellen. Wenn eine konstante Ausgangsspannung des Adapters auf einen Wert übergeht, der den verfügbaren Ladestrom auf einen Wert begrenzt, der geringer als der programmierte konstante Ladestrom ist, wird der Stromflussantrieb für einen kontrollierten Stromflusspfad für ein begrenzten Zeitintervall angehoben. Danach verringert der kontrollierte Stromflusspfad allmählich den Ladestrom, da die Batteriespannung bei ihrer nominellen Batteriespannung verbleibt, bis die Ladung vollständig ist oder der Ladevorgang anderweitig beendet wird.
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Das Patent
US 5 523 671 beschreibt ein System zum Steuern der Rate und der Dauer des Ladens einer Batterie. Ein Mikrokontroller ist in eine Batteriestromsignal-Rückkopplungsschleife geschaltet und wird zum Steuern des Batterieladezyklus eingesetzt. Die Rate des Ladens wird am Beginn des Ladezyklus allmählich gesteigert bis der Ladestrom einen vorgegebenen maximalen Wert erreicht und danach zwischen dem maximalen Wert und einem vorgegebenen minimalen Wert für die Dauer des Ladezyklus aufrechterhalten. Der Mikrokontroller beendet den Ladezyklus, wenn der Batterieladestrom anzusteigen beginnt, während die Rate des Ladens konstant bleibt. Dies stellt eir Anzeichen dar, dass die Batterie vollgeladen ist.. Sensoren liefern Signale an den Mikrokontroller, um das Laden zu verhindern oder zu beenden, wenn die Temperatur der Batteriezellen nicht in einem geeigneten Temperaturintervall ist oder wenn ein Kurzschluss oder eine andere ungünstige Bedingung auftaucht.
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Wie in 2 gezeigt, erfordert der Vorlade-Schaltung 250 eines konventionellen Lithium-Ionen-Batteriesystems 120 das Bereitstellen von separaten Schaltungskomponenten in dem Batteriesystem. Aufgrund von Sicherheits- und Kostengründen könnten solche Vorlade-Schaltungskomponenten für einige Batteriesysteme, wie z. B. NiMH-Batteriesysteme, nicht bereitgestellt werden. In solchen Systemen werden Komponenten des Batterieladegeräts zum Regulieren des Vorlade-Stromniveaus verwendet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Systeme und Verfahren zum Regulieren eines Vorladestroms in einem Batteriesystem, wie z. B. einem Batteriesystem eines Informationsverarbeitungssystems, werden hier offenbart. Die offenbarten Systeme und Verfahren können vorteilhaft zum Regulieren des Arbeitszyklus des Batteiiesystem-Ladestroms konfiguriert werden, um das Niveau des Vorladestroms zu regulieren. In einer Ausführungsform kann der Microcontroller eines Batteriesystems verwendet werden, um den Arbeitszyklus des Lade-FET-Schaltelements (C-FET) des Batteriesystems in der Abwesenheit einer separaten Vorlade-Schaltung (wie z. B. der Vorlade-Schaltung 250 von 2) und/oder ohne das Vorhandensein einer Vorlade-Schaltung eines Batterieladegeräts anzupassen, während zur selben Zeit Anforderungen an das Vorladen von Batteriezellen, z. B. Anforderungen für Li-Ionen-Batteriezellen, erfüllt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Batteriesystem für ein tragbares Informationsverarbeitungssystem, wie z. B. einem Notebook-Computer, mit der Fähigkeit bereitgestellt werden, das Vorlade-Stromniveau für Batteriezelle/n des Batteriesystems zu regulieren, in dem der Arbeitszyklus des Ladestroms angepasst wird, der an die Batteriezelle/n bereitgestellt wird, und ohne das Vorhandensein von MOSFET-Schaltkomponenten einer konventionellen Vorlade-Schaltung. Deshalb können die offenbarten Systeme und Verfahren in einer Ausführungsform vorteilhaft realisiert werden, um die Notwendigkeit für separate Vorlade-Schaltungskomponenten zu eliminieren und die Anzahl von Teilen innerhalb des Batteriesystems zu reduzieren, was in Kostenersparnissen und weniger benötigtem Raum auf der Leiterplatte des Batteriesystems resultiert.
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In einer Hinsicht wird hier ein Verfahren zum Laden von einer oder mehreren Batteriezellen eines Batteriesystems offenbart, das mit einem Batterieladegerät verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Aufnehmen eines Ladestroms in dem Batteriesystem von dem Batterieladegerät, wobei der Ladestrom einen ersten Stromwert aufweist; Anpassen des Arbeitszyklus des Ladestroms, der von dem Batteriesystem aufgenommen wird, um einen Vorladestrom zu erzeugen, der einen zweiten Stromwert aufweist, wobei der zweite Stromwert kleiner als der erste Stromwert ist; und Laden der einen oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems, in dem zuerst der Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitgestellt wird, und danach der Ladestrom, der den ersten Stromwert aufweist, an die eine oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems bereitgestellt wird.
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In weiterer Hinsicht wird hier ein Batteriesystem offenbart, das zum Anschluss an ein Batterieladegerät konfiguriert ist, wobei das Batteriesystem umfasst: eine oder mehrere Batteriezellen; eine Batteriestrom-Steuerschaltung, konfiguriert zum Anschluss zwischen das Batterieladegerät und die eine oder mehrere Batteriezellen, wobei die Batteriestrom-Steuerschaltung so konfiguriert ist, um einen Ladestrom, der einen ersten Stromwert aufweist, von dem Batterieladegerät aufzunehmen, und um den Fluss des Ladestroms in die Batteriezellen aus dem Batterieladegerät zu steuern; und einen Arbeitszyklus-Controller, der an die Batteriestrom-Steuerschaltung angeschlossen ist, wobei der Arbeitszyklus-Controller so konfiguriert ist, um den Betrieb der Batteriestrom-Schaltung so zu steuern, um einen Arbeitszyklus des Ladestroms, der von dem Batterieladegerät empfangen wurde, anzupassen, um einen Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen bereitzustellen, wobei der zweite Stromwert kleiner als der erste Stromwert ist. Der Arbeitszyklus-Controller kann weiter konfiguriert sein, um zuerst den Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitzustellen, und um dann den Ladestrom, der den ersten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitzustellen.
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In weiterer Hinsicht wird hier ein Batteriesystem für ein tragbares Informationsverarbeitungssystem offenbart, das zum Anschluss an ein Batterieladegerät konfiguriert ist, wobei das Batteriesystem aufweist: eine oder mehrere Batteriezellen; eine Ladeschaltung, konfiguriert zum Anschluss zwischen dem Batterieladegerät und der einen oder mehreren Batteriezellen, wobei die Ladeschaltung ein Lade-FET-Schaltelement umfasst und konfiguriert ist, um einen Ladestrom, der einen ersten Stromwert aufweist, von dem Batterieladegerät aufzunehmen; und eine Batterie-Management-Einheit (BMU), die an den Ladeschaltkreis angeschlossen ist, wobei die BMU einen Microcontroller umfasst. Die BMU kann konfiguriert sein, um den Betrieb des Lade-FET-Schaltelementes der Ladeschaltung so zu steuern, dass ein Arbeitszyklus des Ladestroms, der von dem Batterieladegerät empfangen wird, angepasst wird, um einen Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen bereitzustellen, wobei der zweite Stromwert kleiner ist als der erste Stromwert. Die BMU kann weiterhin konfiguriert sein, um zuerst den Vorladestrom, der einen zweiten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitzustellen, wenn eine Spannung der einen oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems unterhalb einem niedrigen Spannungsschwellwert liegt, und dann den Ladestrom, der den ersten Stromwert aufweist, an die eine oder mehrere Batteriezellen des Batteriesystems bereitzustellen, wenn eine Spannung der einen oder mehreren Batteriezellen des Batteriesystems den niedrigen Spannungsschwellwert erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist ein Blockdiagramm eines konventionellen tragbaren elektronischen Gerätes und eines Batterieladegerätes.
- 2 ist ein Blockdiagramm eines konventionellen Lithium-Ionen-Batteriesystems.
- 3 ist ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren.
- 4 ist ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren.
- 5 ist eine graphische Darstellung der Steuersignalspannung über der Zeit gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren.
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Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen
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3 zeigt ein Batteriesystem 320 gemäß einer Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren. Batteriesystem 320 kann als unabhängige Quelle von Wechselstrom konfiguriert sein, oder kann als eine dauerhafte oder austauschbare Komponente eines tragbaren elektronischen Geräts (z. B. einem Batteriepaket eines tragbaren Informationsverarbeitungssystems wie einem Notebook-Computer) bereitgestellt sein. Neben Notebook-Computern umfassen andere Beispiele von solchen tragbaren elektronischen Geräten, sind aber darauf nicht beschränkt, tragbare Telefongeräte (z. B. Mobiltelefone, schnurlose Telefone usw.), persönliche digitale Assistenten („PDA“), MP3-Player, Kameras, Computer-Peripheriegeräte usw.. Zusätzlich zu tragbaren elektronischen Geräten sollte es klar sein, dass die offenbarten Systeme und Verfahren so realisiert werden können, um jeden anderen Typ von elektronischen Geräten mit Strom zu versorgen, der wenigstens zum Teil mit Batterien betrieben wird, und der eine elektronische Schaltung aufweist, die zur Aufnahme von Strom von einem Batteriesystem angeschlossen ist. In dieser Hinsicht können die offenbarten Systeme und Verfahren vorteilhaft in Anwendungen realisiert werden, wo intelligente Batterien eingesetzt werden.
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Wie in 3 gezeigt, umfasst Batteriesystem 320 eine oder mehrere Batteriezelle/n 324, die an die Batterieanschlüsse 312 und 314 angeschlossen sind, die zum Anschluss an ein Batterieladegerät (nicht gezeigt) konfiguriert sein können, wie etwa dem Batterieladegerät 110 von 1. Es sollte klar sein, dass, wenn das Batteriesystem 320 als eine integrierte Komponente eines elektronischen Gerätes bereitgestellt wird, ein entsprechendes Batterieladegerät auch als ein integrierter Teil desselben elektronischen Gerätes bereitgestellt werden kann oder als ein Gerät außerhalb des elektronischen Geräts bereitgestellt werden kann. Batteriezelle/n 324 kann jeder Typ von wiederaufladbarer Batteriezelle/n oder einer Kombination davon sein, die zum Wiederaufladen unter Verwendung von zwei oder mehr Raten von Ladestromwerten geeignet sind. Beispiele von solchen Batteriezellen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Li-Ionen-Batteriezellen, NiMH-Batteriezellen, Nickel-Cadmium- (NiCd) Batteriezellen, Lithium-Polymer- (Li-Polymer) Batteriezellen usw..
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Das Batteriesystem 320 wird auch als mit einer Batteriestrom-Steuerschaltung 370 ausgestattet gezeigt, die vorhanden ist, um den Fluss des Ladestroms in die Batteriezelle/n 324 von Batteriesystem 320 zu steuern, und die wahlweise konfiguriert sein kann, um auch den Fluss des Entladestroms von Batteriezelle/n 324 von Batteriesystem 320 zu steuern. Die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 ist mit dem Arbeitszyklus-Controller 311 verbunden, der den Betrieb der Batteriestrom-Steuerschaltung 370 steuert (z. B. durch ein Steuersignal oder ein anderes geeignetes Verfahren), um den Fluss des Batterieladestroms (ICHARGE) in die Batteriezelle/n 324 von einem Batterieladegerät über Anschlüsse 312 und 314 zu steuern, um so den Arbeitszyklus des Ladestroms anzupassen, der an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt wird. Ebenso vorhanden ist ein Batteriezellspannungsdetektor 310, der zum Überwachen der Spannung der Batteriezelle/n 324 und zum Liefern dieser Information an den Arbeitszyklus-Controller 311 angeschlossen ist. Es sollte klar sein, dass der Arbeitszyklus-Controller 311 und der Batteriezellspannungsdetektor 310 jeweils so realisiert werden können, dass sie jede Schaltung und/oder jede Steuerlogik-Konfiguration verwenden, die für die Durchführung dieser Aufgaben geeignet ist. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform ein oder mehrere Merkmale der Schaltung 311 und 310 realisiert werden unter Verwendung eines Controllers (z. B. eines Prozessors und zugeordneter Firmware), die mit dem Batteriesystem 320 integriert ist, oder unter Verwendung von jeder anderen geeigneten Konfiguration von Microcontroller/Microprozessor, Firmware und/oder Software, die mit Schaltkreisen/Komponenten des Batteriesystems eine Schnittstelle bildet. Weiterhin sollte es klar sein, dass die Aufgaben des Arbeitszyklus-Controllers 311 und des Batteriezellspannungsdetektors 310, obwohl als separate Komponenten dargestellt, alternativ durch eine einzige Komponente durchgeführt werden können oder durch eine Kombination von mehr als zwei separaten Komponenten durchgeführt werden können.
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Beim Betrieb des Systems von 3 überwacht der Batteriezellspannungsdetektor 310 die Spannung der Batteriezelle/n 324 und liefert diese Information an den Arbeitszyklus-Controller 311 (z. B. durch ein Steuersignal oder ein anderes geeignetes Verfahren). Daraufhin verwendet der Arbeitszyklus-Controller 311 diese überwachte Spannungsinformation, um den Ladestrom zu steuern, der an die Batteriezelle/n 324 durch die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 geliefert wird. Insbesondere ist der Arbeitszyklus-Controller 311 zum Vorladen von Batteriezelle/n 324 konfiguriert, indem der Arbeitszyklus des Ladestroms gesteuert wird, wenn die Spannung der Batteriezelle/n 324 unter einem niedrigen Spannungsschwellwert liegt und die Batteriezelle/n 324 nicht bereit sind, den vollen Ladestrom aufzunehmen. Durch Steuerung des Arbeitszyklus des Ladestroms ist es dem Arbeitszyklus-Controller 311 möglich, das Niveau des Vorladestroms auf einen oder mehrere niedrigere Stromwerte zu begrenzen, die niedriger sind als der volle Ladestrom, der an den Anschlüssen 312 und 314 durch ein Batterieladegerät bereitgestellt wird. Wenn die Spannung der Batteriezelle/n 324 den niedrigen Spannungsschwellwert erreicht, erhöht der Arbeitszyklus-Controller 311 den Arbeitszyklus des Ladestroms auf einen höheren Arbeitszyklus, so dass mehr Ladestrom an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt wird, um z. B. zu ermöglichen, dass der volle Ladestrom des Batterieladegeräts an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt wird.
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Es sollte klar sein, dass der Arbeitszyklus-Controller 311 konfiguriert sein kann, um die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 auf eine solche Weise zu steuern, um ein reduziertes Niveau des Vorladestroms vom Ladegerät an die Batteriezelle/n 324 bereitzustellen, wenn die Batteriezellspannung unterhalb eines Spannungsschwellwerts liegt, und um einen vollen Ladestrom bereitzustellen, wenn die Batteriezellspannung den Spannungsschwellwert erreicht oder überschreitet. In dieser Hinsicht kann der Arbeitszyklus-Controller 311 konfiguriert sein, um die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 auf eine solche Weise zu steuern, um ein verringertes Niveau des Vorladestroms von dem Ladegerät an die Batteriezelle/n 324 zu liefern, der auf dem Spannungsschwellwert der Batteriezelle/n 324 beruht (z. B. um ein Niveau eines Vorladestroms für ein Batteriepaket mit 3 parallelen Zellen zu liefern, um ein höheres Niveau des Vorladestroms für ein Batteriepaket mit 4 parallelen Zellen zu liefern, usw.).
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4 zeigt das Batteriesystem 320 von 3, sowie es gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren realisiert werden kann. Wie in dieser beispielhaften Ausführungsform gezeigt, können Funktionen des Arbeitszyklus-Controllers und des Batteriezell-Spannungsdetektors 310 durch eine Batterie-Management-Einheit (BMU) 402 realisiert werden, die für das Überwachen der Batteriesystemabläufe und für das Steuern der Batteriestrom-Steuerschaltung 370 verantwortlich ist, obwohl jede andere geeignete Konfiguration von Schaltkreisen, Prozessor/en und/oder Steuerlogik in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden kann. Wie in 4 gezeigt, umfasst die BMU 402 ein analoges Front End („AFE“) 406 und den Microcontroller 404. Die Batteriestrom-Steuerschaltung 370 umfasst die Ladeschaltung 460 und die Entladeschaltung 462, die zwischen den Batterieladeanschluss 312 und die Batteriezelle/n 324 in Serie angeschlossen sind. FET 414 ist ein Lade-FET-Schaltelement, das einen Teil der Ladeschaltung 460 bildet, die durch Microcontroller 404 und/oder AFE 406 der BMU durch Verwendung des Ladeschaltkreisschalters 418 gesteuert wird, um einen Ladestrom an die Batteriezelle/n 324 zuzulassen oder nicht zuzulassen. FET 416 ist ein Entlade-FET-Schaltelement, das einen Teil der Entladeschaltung 462 bildet, die durch den Microcontroller 404 und/oder AFE 406 der BMU unter Verwendung des Entladeschalters 420 gesteuert wird, der einen Entladestrom von Batteriezelle/n 324 zulässt oder nicht zulässt. Wie gezeigt, umfasst das Batteriesystem 320 auch die Datenbusanschlüsse 426, 428 des Batteriesystems zum Bereitstellen von Batteriestatusinformation, wie etwa Batteriespannung, an entsprechende Datenbusanschlüsse eines Batterieladegerätes.
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Während des normalen Betriebs des Batteriepakets werden beide Lade- und Entlade-FET-Schaltelemente 414 und 416 durch jeweilige Schalter 418 und 420 in den geschlossenen Zustand versetzt, und der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 überwacht die Spannung der Batteriezelle/n 324. Wenn der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 eine Batterieüberspannungsbeaingung entdeckt, öffnet die BMU 402 das Lade-FET-Schaltelement 414, um weiteres Laden der Batteriezelle/n zu verhindern, bis die Überspannungsbedingung nicht weiter vorhanden ist. Wenn der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 einen Batterieunterspannungs-(oder Über-Entladungs-)Zustand entdeckt, öffnet die BMU 402 das Entlade-FET-Schaltelement 416, um weiteres Entladen der Batteriezelle/n zu verhindern, bis der Unterspannungszustand nicht mehr vorhanden ist. Die BMU 402 kann auch das Lade-FET-Schaltelement 414 öffnen, wenn das Batteriepaket im Schlafmodus ist. Ein Strommesswiderstand 412 ist in der Batteriepaketschaltung vorhanden, um dem Stromsensor 308 von AFE 406 die Überwachung des Ladestroms an die Batteriezelle/n zu ermöglichen. Wenn das Lade-FET-Schaltelement 414 offen sein soll (z. B. während des Schlafmodus oder des Batterieüberspannungszustands), aber ein Ladestrom festgestellt wird, deaktiviert die BMU 402 das Batteriepaket dauerhaft durch Auslösen einer optionalen, in Reihe geschalteten Sicherung 422, die in der Batterieschaltung vorhanden ist, um die Batteriepaketschaltung abzutrennen und weiteres Überladen zu verhindern.
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Wenn die Terminals 312, 314 des Batteriesystems 320 angeschlossen sind, um Strom von entsprechenden Anschlüssen eines Batterieladegeräts aufzunehmen, ist die BMU 402 zum Eintritt in eine Vorlade-Betriebsart konfiguriert, wenn der Zellspannungsdetektor 310 von AFE 406 feststellt, dass die Spannung der Batteriezelle/n 324 unterhalb eines niedrigen Spannungsschwellwerts liegt und ein niedrigeres Vorlade-Stromniveau benötigt wird. In der Vorlade-Betriebsart steuert der Arbeitszyklus-Controller 311 der BMU 402 den Schalter 418 (z. B. unter Verwendung eines Pulsweiten-modulierten Signals), um so wechselweise das FET-Schaltelement 414 zu öffnen und zu schließen und einen intermittierenden Vorladestrom an die Batteriezelle/n 324 bereitzustellen, der unter dem vollen Ladestromwert liegt. Wenn die Spannung der Batteriezelle/n 324 den niedrigen Spannungsschwellwert überschreitet, schließt die BMU 402 das Lade-FET-Schaltelement 414, um zu ermöglichen, dass der volle Ladestrom konstant an die Batteriezelle/n 324 bereitgestellt wird, bis sie vollständig geladen sind.
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5 zeigt eine Stromsteuersignalspannung für den Schalter 418 als Funktion der Zeit sowohl für die Vorlade- als auch die Volllade-Betriebsart gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der offenbarten Systeme und Verfahren. In der dargestellten Ausführungsform wird Strom der/den Batteriezelle/n bereitgestellt, wenn die Spannung des Stromsteuersignals hoch ist oder einen Wert von 1 hat, und kein Strom wird der/den Batteriezelle/n bereitgestellt, wenn die Spannung des Stromsteuersignals niedrig ist oder einen Wert von 0 hat.
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Noch mit Bezug auf 5 wird Ladestrom wechselweise der/den Batteriezelle/n 324 während der Vorlade-Betriebsart 502 bereitgestellt. Wie für diese dargestellte Ausführungsform gezeigt, hat jeder Strompuls im Wesentlichen dasselbe Stromniveau wie die anderen Strompulse. In der Vorlade-Betriebsart 502 wird der Arbeitszyklus des Vorladestroms durch T1 : (T1 + T2) dargestellt, wobei T1 die Zeit darstellt, in der der Strom angeschaltet ist, und wobei T2 die Zeit darstellt, in der der Strom ausgeschaltet ist. Wie weiter in 5 dargestellt, wird der Ladestrom konstant (100% Arbeitszyklus), sobald die Spannung der Batteriezelle/n 324 den niedrigen Spannungsschwellwert erreicht. In dieser Hinsicht kann ein Arbeitszyklus von 100% verwendet werden, um den vollen Wert des Ladestroms von einem Batterieladegerät an die Batteriezelle/n 324 bereitzustellen (z. B. so oft eine Situation vorschreibt, dass der volle Ladestrom benötigt oder gewünscht wird). Es sollte auch klar sein, dass ein Arbeitszyklus von 0% in einer Ausführungsform verwendet werden kann, um den Fluss des Ladestroms zu stoppen oder zu beenden.
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Mit Bezug auf die Ausführungsformen von 3 und 4 sollte es klar sein, dass der vorbestimmte niedrige Spannungsschwellwert, der zum Initiieren der Vorlade-Betriebsart verwendet wird, variieren kann, um den Anforderungen einer gegebenen Batteriesystem-Anwendung zu genügen (z. B. Typ der Batterie, Anzahl von Zellen, Typ des Batterieladegerätes usw.). Ähnlich können auch das Vorlade-Stromniveau und die Arbeitszykluswerte festgelegt werden, um den Anforderungen einer gegebenen Batteriesystem- Anwendung zu genügen.
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Zum Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform für ein Li-Ionen-Batteriesystem (z. B. 7.5 Volt 3S [3 in Serie geschaltete Zellen] Batteriepaket mit drei 2.5 Volt Zellen oder 9 Volt 3S Batteriepaket mit drei 3 Volt Zellen) ein vorbestimmter niedriger Spannungsschwellwert von ungefähr 2.5 bis ungefähr 3 Volt als ein Schwellwert zwischen den Vorladestrom- und Vollladestrom-Betriebsarten verwendet werden. Ähnlich kann die Methodologie mit niedrigem Spannungsschwellwert auf andere Batteriekonfigurationen angewendet werden, z. B. bei 4S Batteriepakete mit 4 Zellen usw.. Der Wert des vollen Ladestroms, der den Batteriezelle/n des Batteriesystems bereitgestellt wird, kann festgestellt werden, indem die Anzahl der Batteriezellen mit dem Verhältnis 0.5 c multipliziert wird, wobei c die nominale Kapazität pro Zelle ist. Der Wert von c kann basierend auf dem Batterietyp variieren, aber für Li-Ionen-Batteriezellen dieser Ausführungsform kann er einen Wert von ungefähr 2200 bis ungefähr 2400 mA * Stunde/Zelle aufweisen. Für ein Li-Ionen-Batteriesystem mit 3 Zellen und einer nominalen Kapazität (c) von ungefähr 2.200 mA * Stunde/Zelle kann deshalb der volle Ladestrom als ungefähr 3.3 A festgelegt werden. Für dieselbe Ausführungsform eines Li-Ionen-Batteriesystems kann der Vorladestrom festgelegt werden, indem die Anzahl von Batteriezellen mit einem Wert von ungefähr 20 bis ungefähr 50 mA/Zelle multipliziert wird. Unter Verwendung eines Werts von 50 mA/Zelle für ein Li-Ionen-Batteriesystem mit 2 parallel geschalteten Zellen kann deshalb der Vorladestrom als ungefähr 100 mA festgelegt werden.
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Der geeignete Arbeitszyklus, der erforderlich ist, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau zu ergeben, kann basierend auf dem gewünschten Niveau des Vorladestroms (z. B. so, wie es oben festgelegt wurde) und dem verfügbaren Strom festgelegt werden, der durch das Batterieladegerät bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein Batterieladegerät, das zum Laden von Li-Ionen-Batteriesystemen konfiguriert ist, eine Laderate von ungefähr 150 A aufweisen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Batterieladegerät eine niedrigere (Vorlade-) Stromrate von ungefähr 128 mA aufweisen, die bereitgestellt wird, wenn sie gebraucht wird, z. B. nachdem ein Signal von dem Microcontroller 404 über die Datenbusanschlüsse 426, 428 des Batteriesystems empfangen wurde. In jedem Fall kann der Vorlade-Arbeitszyklus angepasst werden, um den gewünschten Vorladestrom an die Batteriezelle/n 324 zu liefern, der auf dem von dem Batterieladegerät an die Anschlüsse 312, 314 bereitgestellten Strom basiert. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von ungefähr 66 % durch den Arbeitszyklus-Controller 311 des Microcontrollers 404 realisiert werden, wenn ein gewünschter Vorladestrom von ungefähr 100 mA und ein Strom von ungefähr 150 mA gegeben sind, die von einem Batterieladegerät bereitgestellt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein einziger Wert eines Arbeitszyklus zwischen 0% und 100% eingesetzt werden, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau für ein Batteriepaket zu ergeben (z. B. mit 3 bis 4 Zellen).
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Der geeignete Arbeitszyklus, der erforderlich ist, um das gewünschte Vorlade-Stromniveau zu ergeben, kann auch basierend auf der Anzahl von Batteriezellen in einem gegebenen Batteriepaket variieren. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus für ein Li-Ionen-Batteriepaket mit 2 Gruppen von parallelen Batteriezellen und 3 Gruppen von seriellen Batteriezellen ausgewählt werden, der ungefähr 31 % beträgt, um einen gesamten Vorladestrom von ungefähr 40 mA an die Batteriezellen zu liefern, vorausgesetzt dass der Ladestrom, der von einem Batterieladegerät geliefert wird, ungefähr 128 mA beträgt. Für ein Li-Ionen-Batteriepaket mit 3 Gruppen von parallelen Batteriezellen und 3 Gruppen von seriellen Batteriezellen kann ein Arbeitszyklus ausgewählt werden, der ungefähr 47% beträgt, um einen gesamten Vorladestrom von 60 mA an die Batteriezellen zu liefern.
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In der Anwendung der offenbarten Systeme und Verfahren kann der Vorlade-Arbeitszyklus des Arbeitszyklus-Controllers 311 jede Frequenz aufweisen, die zum Bereitstellen eines gewünschten Vorlade-Stromniveaus an die Batteriezelle/n 324 geeignet ist. Allerdings kann in einer beispielhaften Ausführungsform die Arbeitszyklus-Frequenz höher gewählt werden (z. B. größer als oder gleich ungefähr 2 mal höher, alternativ zu von ungefähr 2 mal bis ungefähr 5 mal höher) als die Abtastrate des Stromsensors 308 von AFE 406, um die Genauigkeit des von dem Stromsensor abgetasteten Stroms zu verbessern. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus von wenigstens ungefähr 8 Hz (125 ms), alternativ von ungefähr 8 Hz (125 ms) bis ungefähr 20 Hz (50 ms), eingesetzt werden, um eine genaue Messung des Stroms durch den Stromsensor 308 herzustellen, wenn eine Strommess-Abtastrate von ungefähr 250 ms oder 4 Hz gegeben ist.
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Für die Zwecke dieser Offenbarung kann ein Informationsverarbeitungssystem die Mittel oder Anordnungen von Mitteln beinhalten, die geeignet sind, jede Form von Information, Nachrichten oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, Steuerungs- oder andere Zwecke zu berechnen, klassifizieren, verarbeiten, übermitteln, empfangen, abzufragen, erzeugen, schalten, speichern, darstellen, bekannt machen, ermitteln, aufnehmen, reproduzieren, verarbeiten oder zu nutzen. Zum Beispiel kann ein Informationsverarbeitungssystem ein Personal Computer, ein Netzwerkspeichergerät oder jedes andere geeignete Gerät sein und in Größe, Form, Leistung, Funktionalität und Preis variieren. Das Infonnationsverarbeitungssystem kann Random Access Memory (RAM) aufweisen, eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen wie etwa eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) oder Hardware- oder Software-Steuerlogik, ROM und/oder andere Typen von nichtflüchtigem Speicher. Zusätzliche Komponenten des Informationsverarbeitungssystems können umfassen: ein oder mehrere Plattenlaufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse (Ports) zur Kommunikation mit externen Geräten sowie verschiedene Eingabe- und Ausgabe- (I/O-) Geräte wie etwa eine Tastatur, eine Maus und einen Bildschirm. Das Informationsverarbeitungssystem kann auch einen oder mehrere Busse aufweisen, die geeignet sind, um Nachrichten zwischen den verschiedenen Hardware-Komponenten zu übermitteln.