DE69408643T2

DE69408643T2 - Batteriesystem eines tragbaren elektrischen Geräts

Info

Publication number: DE69408643T2
Application number: DE69408643T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Tatsumi
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH07154924A; DE69408643D1; EP0657982A1; EP0657982B1; US5568038A

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem eines tragbaren elektronischen Geräts und insbesondere ein Batteriesystem, das in der Lage ist, die Nutzungsdauer eines batteriegetriebenen elektrischen Geräts zu verlängern.
Herkömmlicherweise werden als Stromversorgungsbatterie in einem tragbaren elektronischen Gerät häufig eine Nickel- Cadmium-Batterie mit hoher Sicherheit und niedrigem Innenwiderstand, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie mit höherer Kapazität oder dergleichen verwendet. Um jedoch das elektronische Gerät über einen längeren Zeitraum zu benutzen, muß die Kapazität der Stromversorgung erhöht werden. Zu diesem Zweck werden ein Batteriereservesystem in Form eine Primärbatterie, wie in dem (später zu beschreibenden) ersten bekannten Verfahren, eine mehrstufige Reihenschaltung, wie im zweiten bekannten Verfahren, oder eine Lithiumionenbatterie mit höherer Kapazität, wie im dritten bekannten Verfahren, verwendet.
Genauer gesagt, bei dem ersten bekannten Verfahren wird, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Sekundärbatterie 100 zwi schen einem Stromversorgungs-Eingangsanschluß 7 und einem Masseanschluß 8 eines elektronischen Geräts 110 über eine Diode 28 parallelgeschaltet. Außerdem ist eine Primärbatterie 31 über eine aufladungsverhindernde Diode 29 und einen Widerstand 30 zwischen den Anschlüssen 7 und 8 parallelgeschaltet. Norma lerweise legt die Sekundärbatterie 100 eine Versorgungsspannung an das elektronische Gerät 110 an, während wegen der Funktion des Widerstands 30 kein Strom von der Primärbatterie 31 zugeführt wird. Außerdem wird wegen der Funktion der aufladungsverhindernden Diode 29 die Primärbatterie 31 nicht durch die Sekundärbatterie 100 aufgeladen. Sobald die Stromversorgung von der Sekundärbatterie 100 unterbrochen wird, wird die Stromversorgung für das elektronische Gerät 110 durch die Primärbatterie 31 übernommen.
Bei dem zweiten bekannten Verfahren werden, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Anzahl von Stromversorgungsbatterien in Reihe geschaltet, um eine Sekundärbatterie 32 zu bilden. Diese Sekundärbatterie 32 wird durch einen Regler 33 auf eine gewünschte Spannung eingestellt und parallel zu einem elektronischen Gerät 110 geschaltet, wodurch die Kapazität der Stromversorgung erhöht wird.
Bei dem dritten bekannten Verfahren wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Lithiumionenbatterie 13, deren hohe Kapazität heute große Beachtung findet, parallel zu einem elektronischen Gerät 110 geschaltet.
Zu beachten ist, daß bei der vorliegenden Erfindung eine nicht aufladbare Batterie, die nach Gebrauch weggeworfen wird, als Primärbatterie und eine aufladbare Batterie als Sekundärbatterie definiert ist.
Bei den obigen bekannten Verfahren treten die folgenden Probleme auf.
Das heißt, da bei dem ersten bekannten Verfahren die Primärbatterie 31 verwendet wird, wird diese Batterie nach der Entladung unwirtschaftlicherweise weggeworfen. Außerdem kann die Primärbatterie 31 infolge eines Leckstroms der aufladungsverhindernden Diode 29 aufgeladen werden und zerplatzen.
Bei dem zweiten bekannten Verfahren ist wegen der einfachen mehrstufigen Reihenschaltung von Batterien die Anzahl der Batterien groß und führt zu einer Zunahme des Gewichts und des Volumens des tragbaren elektronischen Geräts.
Bei dem dritten bekannten Verfahren hat die Lithiumionenbatterie eine hohe Kapazität. Da die Batterie jedoch einen hohen Innnenwiderstand aufweist, entsteht bei der Abgabe einer hohen Stromstärke ein großer Spannungsabfall. Besonders in einem elektronischen Gerät zur Durchführung eines intermittierenden Betriebs wird der Betrieb instabil, und es wird ein Rauschen erzeugt.
In Machine Design 61, Nr. 22, wird unter dem Titel "Hybnd battery systems take charge" (Hybridbatteriesysteme nehmen Ladung auf) ein Batteriesystem für tragbare Funk- und Telefongeräte offenbart. Das System weist eine erste Batterie vom aufladbaren Nickel-Cadmium-Typ (NiCd) auf, die direkt mit der Last verbunden ist. Eine zweite Batterie vom Zink-Luft-Typ ist über eine Ladesteuerschaltung, welche erfaßt, wann die NiCd-Batterie keine Aufladung mehr benötigt, und die Zink- Luft-Batterie vom Stromkreis trennt, parallel zur ersten Batterie geschaltet. Wenn das Funkgerät nicht sendet und die NiCd-Batterie im Ladebetrieb arbeitet, verbindet die Ladesteuerschaltung die Zink-Luft-Batterie mit der NiCd-Batterie zum Wiederaufladen.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die obigen Probleme der bekannten Verfahren zu lösen, und ihre Aufgabe besteht darin, ein Batteriesystem zu schaffen, das in der Lage ist, die Nutzungsdauer eines batteriebetriebenen tragbaren elektronischen Geräts zu verlängern und die Sicherheit zu erhöhen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine erste Sekundärbatterie, die als direkte Stromversorgungsquelle dient, eine zweite Sekundärbatterie, die über einen Schalter parallel zur ersten Sekundärbatterie geschaltet wird, eine Schaltung zum Erfassen der Ausgangsspannung der ersten Sekundärbatterie und eine Schaltung zum Erfassen des Verbrauchsstromzustandes des elektronischen Geräts vorgesehen. Daher kann die Reservebatterie viele Male wiederverwendet werden.
Außerdem befindet sich die zweite Sekundärbatterie normalerweise in einem AUS-Zustand (Leerlauf- bzw. offener Zustand). Die zweite Sekundärbatterie wird über den Schalter angeschlossen, der nur dann in einen EIN-Zustand (geschlossenen Zustand) gebracht wird, wenn das Potential der ersten Sekundärbatterie niedriger als das der zweiten Sekundärbatterie ist. Daher wird verhindert, daß die zweite Sekundärbatterie irrtümlich durch die erste Sekundärbatterie aufgeladen wird, so daß ein sicherer Schaltungsaufbau realisiert wird.
Ferner können, besonders bei Verwendung eines Nickel- Cadmium-Akkumulators als erster Sekundärbatterie und eines Lithiumionenakkumulators als zweiter Sekundärbatterie, sowohl die Eigenschaften einer hohen Kapazität des Lithiumionenakkumulators als auch der niedrige Innnenwiderstand des Nickel- Cadmium-Akkumulators maximal ausgenutzt werden. Der Spannungsabfall bei Abgabe einer hohen Stromstärke kann reduziert werden, bei intermittierendem Betrieb läßt sich ein stabiler Betrieb erreichen, und ein Rauschen kann verhindert werden.
Die obigen und weitere Vorteile, Merkmale und zusätzliche Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offenbar, in denen bevorzugte Ausführungsformen, die den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung verkörpern, anhand von Erläuterungsbeispielen dargestellt werden.
Fig. 1 bis 3 zeigen Prinzipschaltbilder des ersten, zweiten bzw. dritten bekannten Verfahrens;
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 bzw. 6 zeigen Schaltbilder der ersten bzw. der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen (Fig. 4 bis 6) näher erläutert.
Zunächst wird eine Beschreibung anhand von Fig. 4 gegeben, die ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Grundgedan kens der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 4 dargestellt, weist ein batteriegetriebenes tragbares elektronisches Gerät auf: eine erste Sekundärbatterie 1, die als direkte Stromversorgungsquelle für einen elektronischen Geräteteil 11 dient, und eine zweite Sekundärbatterie 2, die über einen Schalter 3 parallel zur ersten Sekundärbatterie 1 geschaltet wird. Das elektronische Gerät weist außerdem eine Verbrauchsstromerfassungsschaltung 5 zum Erfassen des Verbrauchsstromzustandes des elektronischen Geräteteils 11, eine Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4 zum Erfassen einer Ausgangsspannung der ersten Sekundärbatterie 1 und eine Schaltersteuerschaltung 6 zum Einschalten des Schalters 3 auf, um die erste Sekundärbatterie 1 durch die zweite Sekundärbatterie 2 aufzuladen, wenn der Verbrauchsstrom des elektronischen Geräteteils 11 niedrig ist und die Versorgungsspannung niedriger wird als ein vorgegebener Wert. Dieses elektronische Gerät weist keine Primärbatterie auf.
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild, das eine erste Ausführungsform darstellt, wobei in dem batteriegetriebenen elektronischen Gerät nur ein mit der vorliegenden Erfindung verbundener Abschnitt dargestellt ist. Ein Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 und ein Lithiumionenakkumulator 13 sind zwischen einem Stromversorgungs-Eingangsanschluß 7 und einem Masseanschluß 8 des elektronischen Geräteteils 11 über einen Relaisschalter 14 parallel zueinander geschaltet. Normalerweise befindet sich der Relaisschalter 14 in geöffnetem Zustand, um den Lithiumionenakkumulator 13 nicht anzuschließen. Eine Stromversorgung erfolgt nur von dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 12.
Wenn sich jedoch die Kapazität des Nickel-Cadmium-Akkumulators 12 verringert und eine Abnahme der Ausgangsspannung verursacht, wird diese Abnahme durch die Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4 erfaßt. Der Relaisschalter 14 wird geschlossen, um den Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 durch den Lithiumionenakkumulator 13 aufzuladen. Dieser Aufladebetrieb muß jedoch ausgeführt werden, wenn der Verbrauchsstrom des elektronischen Geräteteils 11 hinreichend niedrig ist und gleichzeitig ein Spannungsabfall, der infolge des Innnenwiderstands des Lithiumionenakkumulators 13 verursacht wird, ignoriert werden kann. Aus diesem Grunde ist die Verbrauchsstromerfassungsschaltung 5 zur direkten Erfassung des Verbrauchsstromes vorgesehen.
Diese Verbrauchsstromerfassungsschaltung 5 erfaßt den Ausgangsstrom aus dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 und gibt ein Signal mit dem Pegel "0" aus, wenn der Ausgangsstromwert niedriger als ein vorgegebener Stromwert ist. Der Ausgangsstrom aus dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 wird mit Hilfe eines Widerstandes 25 (es wird ein minimaler Widerstandswert gewählt, so daß der daran entstehende Spannungsabfall vernachlässigbar ist), der zwischen dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 und dem Stromversorgungs-Eingangsanschluß 7 in Serie geschaltet ist, als Spannungswert abgelesen. Der abgelesene Spannungswert wird durch einen Komparator 17 mit einem vorgegebenen Bezugsspannungswert VB 23 verglichen.
Wenn zum Beispiel der Ausgangsstrom aus dem Nickel-Cadmium-Akkumulator 12 alsINicd und der Widerstandswert des Widerstandes 25 für die Strommessung als R&sub1; definiert sind, dann wird ein Spannungsabfall VI1 an den beiden Enden des Widerstandes 25 durch die folgende Gleichung (1) dargestellt:
Dieser Spannungsabfall VI1 wird durch eine einstufige Differentialumwandlungsschaltung, die von den Widerständen 21 und 20 und einem Operationsverstärker 19 gebildet wird, in eine für den Komparator der nächsten Stufe geeignete Spannung umgewandelt. Wenn ein Ausgangssignal der einstufigen Differentialumwandlungsschaltung, d. h. eine Eingangsspannung für den Komparator 17, als VI2 definiert wird, erhält man die fölgenden Gleichung:
Diese Spannung VI2 wird durch den Komparator 17 mit der Bezugsspannung VB verglichen.
In der obigen Gleichung (2) bedeutet K einen Koeffizienten des Widerstandes 20 bezüglich des Widerstandes 21, und Vc bedeutet die Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsguelle 24 zum Operationsverstärker 19.
Die Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4 wird durch einen Komparator 37 gebildet. Die Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4 gibt ein Signal mit dem Pegel "0" aus, wenn die Ausgangsspannung des Nickel-Cadmium-Akkumulators 12 niedriger als eine Bezugsspannung VA 22 ist, oder sie gibt ein Signal mit dem Pegel "1" aus, wenn die Ausgangsspannung höher als die Bezugsspannung VA ist.
Die Schaltersteuerschaltung 6 wird durch ein logisches NOR- bzw. NICHT-ODER-Glied 18 gebildet und empfängt ein Ausgangssignal von der Verbrauchsstromerfassungsschaltung 5 und ein Ausgangssignal von der Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4. Nur wenn beide Eingangssignale den Pegel "0" haben, gibt die Schaltersteuerschaltung 6 ein Signal mit dem Pegel "1" aus, um einen Transistor 15 einzuschalten und dadurch den Relaisschalter 14 zu schließen.
Wie oben beschrieben, wird das Öffnen/Schließen des Relaisschalters 14 durch die Versorgungsspannungserfassungsschaltung 4, die Verbrauchsstromerfassungsschaltung 5, die Schaltersteuerschaltung 6, den Transistor 15 und eine Stromversorgung 16 gesteuert.
Fig. 6 ist ein Prinzipschaltbild, das die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform wird als Beispiel eines batteriegetriebenen elektronischen Geräts ein tragbares Telefon erläutert. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem folgenden Punkt: anstelle der direkten Erfassung des Verbrauchsstroms einer Batterie wird der Besetzt-/Freizustand eines tragbaren Telefonteils 27 erfaßt. In einem Freizustand wird eine erste Sekundärbatterie (Nickel-Cadmium-Akkumulator 12) durch eine zweite Sekundärbatterie (Lithiumionenakkumulator 13) aufgeladen. Eine Besetztzustandserfassungsschaltung 26 gibt während eines Besetztzustands des tragbaren Telefonteils 27 ein Signal mit dem Pegel "1" und in einem Freizustand ein Signal mit dem Pegel "0" aus. Der übrige Betrieb ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Die Besetztzustandserfassungsschaltung 26 hat schließlich die gleiche Funktion wie die Erfassung des Verbrauchsstroms des tragbaren Telefonteils 27.

Claims

1. Batteriesystem für ein batteriegetriebenes tragbares elektronisches Gerät (11), welches aufweist: eine aufladbare Nickel-Cadmium-Batterie (1, 12), die als direkte Stromversorgungsquelle für das tragbare elektronische Gerät dient, eine aufladbare Lithiumionenbatterie (2, 13), die über einen Schalter (3, 14), eine Spannungserfassungseinrichtung (4) zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Nickel-Cadmium- Batterie (1, 12), eine Verbrauchsstromerfassungseinrichtung (5) zum Erfassen eines Verbrauchsstromzustands des tragbaren elektronischen Geräts (11) und eine Schaltersteuereinrichtung (6) zum Steuern des Öffnens und Schließens des Schalters (3, 14) entsprechend einem Ausgangssignal der Spannungserfassungseinrichtung (4) und einem Ausgangssignal der Verbrauchsstromerfassungseinrichtung (5) mit der Nickel-Cadmium-Batterie parallelgeschaltet wird, wobei der Schalter (3, 14) geschlossen wird, um die Nickel-Cadmium-Batterie durch die aufladbare Lithiumionenbatterie aufzuladen, wenn die Ausgangsspannung der Nickel-Cadmium-Batterie niedriger wird als ein vorgegebener Wert und gleichzeitig der Verbrauchsstrom hinreichend niedrig ist

2. System nach Anspruch 1, wobei das tragbare elektronische Gerät (11) ein zellulares Funktelefon oder ein mobiles Funktelefon vom tragbaren Typ ist, wobei die Verbrauchsstromerfassungeinrichtung (5) durch eine Schaltung (26) zum Erfassen eines Besetzt-/Freizustands des Telefons gebildet wird und der Schalter (3) zum Aufladen der Nickel-Cadmium-Batterie durch die aufladbare Lithiumionenbatterie geschlossen wird, wenn die Ausgangsspannung der Nickel-Cadmium-Batterie in einem Freizustand des Telefons niedriger als der vorgegebene Wert wird.