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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Batterieladegeräte zum Laden
einer Mehrzahl von wiederaufladbaren Batterien, die in Serie geschaltet sind.
Im speziellen bezieht sich diese Erfindung auf Batterieladegeräte, die
eine Mehrzahl von seriell verbundenen Batterieladesektionen haben.
Genauer, obwohl nicht ausschließlich
darauf begrenzt, bezieht sich diese Erfindung auf serielle Batterieladegeräte, in denen
eine Batterie in einer der seriell verbundenen Ladesektionen entfernt
oder überbrückt werden kann,
ohne die Ladebedingungen der verbleibenden Batterien in anderen
Ladesektionen des seriellen Batterieladegerätes zu beeinträchtigen.
Darüber
hinaus bezieht sich diese Erfindung auf serielle Batterieladegeräte, bei
denen ein einfaches elektronisches Element verwendet wird, das dem
Ladeschaltkteis während
des Ladens eine geringe Impedanz zur Verfügung stellt, eine hohe Impedanz,
um einen Rückfluss
aus einer Batterie zu blockieren, wenn keine Stromversorgung für die Ladesektion
zur Verfügung steht
und eine vergleichsweise hohe Impedanz, wenn die Ladesektion übergangen
oder überbrückt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Wiederaufladbare
Batterien werden in einer Vielzahl von portablen oder mobilen elektrischen
und elektronischen Einrichtungen oder Anwendungen verwendet, wie
z. B. mobilen oder kabellosen Telefonen, Fernrepeatern, Fernbedienungseinheiten,
Fernsensoren, portablen Beleuchtungseinrichtungen, portablen Radios,
portablen Bohrern und vielen anderen Einrichtungen. Heutzutage werden
wiederaufladbare Batterien im Allgemeinen den Einwegbatterien vorgezogen,
da sie umweltfreundlicher sind und langfristig kostengünstiger.
Für Fernanwendungen sind
wiederaufladbare Batterien wahrscheinlich die einzig praktikable
Wahl.
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Wiederaufladbare
Batterien bedürfen
einer wiederholten Aufladung, um den Einrichtungen oder Anwendungen
in denen sie installiert sind, elektrische Leistung zur Verfügung zu
stellen. Heutzutage benötigen
portable Einrichtungen gewöhnlich
eine Mehrzahl von Batterien für
den Betrieb und die notwendigen Batterien liegen typischerweise
im Bereich von zwei bis zehn Batterien. Es ist daher wünschenswert,
intelligente Batterieladegeräte
zur Verfügung
zu stellen, die eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batterien zur
gleichen Zeit aufladen können.
Es existieren zwei Haupttypen von Batterieladegeräten. Der erste
Typ ist das Parallelladegerät,
bei dem alle Batterien der gleichen Ladespannung ausgesetzt sind, jedoch
mit unterschiedlichen Ladeströmen
geladen werden. Der andere Typ ist das serielle Ladegerät, bei dem
die Batterien, die geladen werden, seriell geschaltet sind und derselbe
Ladestrom gewöhnlich durch
all die seriell verbundenen Batterien hindurchgeht.
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Bei
Anwendungen, in denen Batterien alternativ geladen und entladen
werden, ist gewöhnlich eine
Versorgung von drei bis zwölf
Volt notwendig, während
die Spannung einer jeden wiederaufladbaren Batterie im Bereich von
ein bis zwei Volt liegt. Bei diesen Anwendungen sind Batterien gewöhnlicherweise
für das
Laden und Entladen seriell geschaltet. Für das Laden von Batterien für die Verwendung
in derartigen Anwendungen muss ein serielles Batterieladegerät verwendet
werden.
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Aufgrund
der weitverbreiteten Verwendung von wiederaufladbaren Batterien
besteht ein steigender Bedarf für
schnelle Batterieladegeräte,
die in der Lage sind, eine leere Batterie in ungefähr einer
Stunde zu laden (die „1C-Ladegeräte") so dass Benutzer nicht
zu lange warten müssen,
bevor die Batterien ausreichend für die Benutzung geladen sind.
Beispielsweise ist die 1C-Stromrate ca. 1,6 A für eine 1600 mA wiederaufladbare
Batterie. Um ein schnelles und effizientes Batteriebeladen zu erleichtern, verwenden
Batterieladegeräte
im Allgemeinen einen Hochfrequenzpulsladestrom, mit einer relativ
hohen Stromgeschwindigkeit. Wenn eine Batterie geladen wird, produziert
sie Sauerstoff an der Elektrode und der Verbrauch von Sauerstoff
an der negativen Elektrode veranlasst die Batterie dazu sich aufzuwärmen. Im
Allgemeinen wird das Laden bei einer Stromgeschwindigkeit von 1C
bevorzugt, da diese Ladegeschwindigkeit als diejenige angesehen
wird, die eine Balance zwischen einer reduzierten Ladezeit und einer
Aufrechterhaltung einer gesunden Batterie bei der derzeitigen Batterietechnologie
erreicht. Natürlich
können
mit dem weiteren Fortschreiten der Batterietechnologie Batterien
sogar bei höheren
Stromgeschwindigkeiten ohne Überhitzung
geladen werden.
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Wenn
dies stattfindet, ist davon auszugehen, dass die Ladegeräte, die
eine höhere
Ladegeschwindigkeit als 1C zur Verfügung stellen, populärer werden.
Im Allgemeinen sind schnelle Batterieladegeräte, im speziellen die zur Ladung
wiederaufladbarer Batterien einer kleinen Spannung von ca. 1,5 bis
2 V, vorzugsweise so konfiguriert, dass die Batterien seriell geladen
werden. Dies liegt daran, dass wenn die Batterien schnell in paralleler
Schaltung geladen werden, eine Stromversorgung mit einem sehr großen Stromversorgungsrating
notwendig ist, was sehr kostspielig sein kann.
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Andererseits
impliziert eine serielle Verbindung, dass derselbe Strom durch jede
der seriell miteinander verbundenen Ladesektionen strömen muss.
Dies kann in einer Reihe von Umständen auch große Schwierigkeiten
erzeugen. Beispielsweise, wenn eine Batterie aus dem Ladegerät entfernt
wird, bei Abschluss des Ladens, zur Vermeidung von Überhitzung
oder Beschädigungen,
oder weil sie bereits fehlerhaft ist, wird das Laden unterbrochen,
weil eine Ersatzbatterie in das Ladegerät eingesetzt worden ist. Gleiche
Probleme ergeben sich, wenn wiederaufladbare Batterien mit unterschiedlichen
Kapazitäten
zusammen geladen werden oder gute Batterien zusammen mit schlechten.
Dies liegt daran, dass wenn eine Batterie geringerer Kapazität vollständig geladen
worden ist, eine gute Chance besteht, dass eine Batterie mit einer
größeren Kapazität noch mehr Ladung
bedarf. Für
einfache serielle Ladegeräte ohne Überwachung
und Kontrollschaltkreise werden die Batterien kontinuierlich geladen.
Als Resultat dessen kann Überhitzung,
Batteriebeschädigung, oder
sogar Explosion resultieren. Andererseits kann bei den besseren
seriellen Batterieladegeräten
mit Ladungszustandsüberwachung
und Ladungskontrollschaltkreisen das Batterieladegerät abgeschaltet werden,
sobald eine der Batterien, die geladen werden, als vollständig geladen
erfasst wird. Dies ist offensichtlich unerwünscht, da die verbleibenden
Batterien noch ein weiteres Laden benötigen könnten. Darüber hinaus, wann immer Batterien
während
des Ladeprozesses in ein serielles Batterieladegerät eingesetzt
oder aus diesem entfernt werden, wird der gesamte Ladungsprozess
unterbrochen. Es ist daher wünschenswert,
ein intelligentes serielles Batterieladegerät zur Verfügung zu stellen, das ein serielles Laden
von wiederaufladbaren Batterten ermöglicht, bei dem die Ladeströme, die
den individuellen Batterien in serieller Verbindung zugeführt werden,
größtenteils
unabhängig
von demjenigen ist, der den anderen Batterien zugeführt wird.
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Für viele
Batterieladegeräte
ist es bekannt, dass, wenn die Stromversorgung des Batterieladegeräts abgestellt
wird ein Umkehrleckstrom existieren kann, der aus den Batterien
zu dem Ladegerät
oder in die peripheren Schaltkreise fließen kann. Ein Umkehrleckstrom
zwischen den seriell miteinander verbundenen Batterien könnte auch
eine Umkehrladung individueller Batterien durch andere Batterien
bedeuten, die in dem seriellen Lader verbunden sind. Dies ist ganz
klar unerwünscht,
da es einen Abfluss der vollen Batteriekapazität bedeuten kann und sogar eine
Beschädigung
des Ladegerätes.
Es ist daher wünschenswert,
dass jede Ladesektion eines seriellen Batterieladegeräts mit Einrichtungen
versehen ist, um einen unerwünschten
Umkehrleckstrom zu vermeiden, wie auch mit einer Beipassschaltung,
so dass die Ladebedingungen einer jeden individuellen Ladesektion
nicht die Ladebedingungen der anderen Ladesektionen beeinträchtigt.
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Viele
Bypass-Schaltkreise, Schaltkreisanordnungen oder Topologien sind
vorgeschlagen worden, um den nachteiligen Einfluss der Ladebedingungen
in einer seriellen Ladesektion auf andere Ladesektionen zu umgehen.
Während
serielle Ladegeräte mit
Anordnungen zum Bypass von einigen oder allen Ladesektionen bekannt
sind, sind diese im allgemeinen sehr kompliziert und enthalten nicht
simultane Einrichtungen oder Schaltkreise, um eine Umkehrleckage
oder Entladung der Batterien zu verhindern.
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Ein
serielles Batterieladegerät
zur Verfügung zu
stellen, das die obigen Anforderungen erfüllt, ist eine schwierige Aufgabe,
da unterschiedliche miteinander in Konflikt stehende Anforderungen
erfüllt
werden müssen.
Zunächst
muss, um einen Umkehrleckstrom oder umgekehrte Stromentladung aus
den Batterien zu verhindern, eine Blockiereinrichtung in Serie mit
den Batterien vorgesehen werden, die eine hohe Umkehrimpedanz hat.
Zweitens muss die serielle Blockiereinrichtung eine geringe Impedanz
haben, wenn ein vorwärtsgerichteter
Strom vorhanden ist, der zum Laden der Batterien in die Batterie strömt. Andererseits,
wenn die Blockiereinrichtung eine geringe vorwärtsgerichtete Impedanz hat,
wenn der Bypass-Schalter aktiviert worden ist (was normalerweise
auftritt, wenn keine Stromversorgung zu den Batterieladeterminals
besteht), konkurriert die Niedrigimpedanz-Blockiereinrichtung mit
dem Bypass-Schalter um den zur Verfügung gestellten Strom, und,
als Resultat, fließt
ein umgekehrter Ladestrom weiter in die Batterien. Zusätzlich muss
diese Blockiereinrichtung eine hohe Impedanz haben, wenn der Bypass-Schalter
aktiviert wurde, da ansonsten ein großer und unerwünschter
Strom in einer Stromschleife fließen wird, die durch die Batterie,
die Blockiereinrichtung und den Bypass-Schalter gebildet wird. Es
ist damit im höchsten
Maße wünschenswert,
ein serielles Batterieladegerät
zur Verfügung
zu stellen, das die obigen miteinan der konkurrierenden Erfordernisse
erfüllen
kann. Es ist sogar noch weiter wünschenswert,
wenn derartige verbesserte Batterieladegeräte realisiert werden können, unter
Verwendung von einfachen Schaltkreisblöcken und Komponenten, so dass
sowohl eine hohe Zuverlässigkeit
als auch geringe Kosten erreicht werden können.
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Gegenstand der Erfindung
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Es
ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Probleme
oder Nachteile in Verbindung mit existierenden oder bekannten seriellen Batterieladegeräten zu vermeiden.
Insbesondere ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Schaltkreisanordnung
für eine
verbesserte Batterieladesektion vorzusehen, die in seriellen Ladegeräten verwendet
werden kann, so dass die Ladesektion umgangen oder mit einem Bypass
versehen werden kann wenn ausgewählt,
und zur selben Zeit, eine Blockiereinrichtung zur Vermeidung von
Umkehrstrom.
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Ein
wesentlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es daher,
ein intelligentes serielles Batterieladegerät zur Verfügung zu stellen, bei dem der
Ladestrom oder die Ladebedingungen einer Batterie in der seriellen
Verbindung im wesentlichen unbeeinträchtigt durch die Ladebedingungen
der anderen Batterien in der seriellen Verbindung ist.
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Ein
ebenso wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein
serielles Batterieladegerät
zur Verfügung
zu stellen, bei dem eine Baterie aus den seriell verbunden Batterien
zu jeder Zeit entfernt werden kann, ohne Unterbrechung der Ladung
der anderen Batterien, und, zur selben Zeit, ein Umkehrstromfluss
aus einer Batterie vermieden werden kann.
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Das
Minimalziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Öffentlichkeit
mit einer Auswahl von seriellen Batterieladegeräten zu versorgen, die mit Einrichtungen
versehen sind, um unerwünschte
Batterieentladungen zu vermeiden, wenn das Batterieladegerät keinen
Ladestrom zur Verfügung
stellt und einen nützlichen
Batterie-Bypass zur Verfügung
zu stellen, wenn notwendig.
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Zusammenenfassung der
Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein verbessertes, seriell verbundenes Batterieladegerät zur Verfügung gestellt,
das zumindest erste und zweite parallel verbundene Zweige umfasst,
wobei der erste parallele Zweig einen elektronisch steuerbaren Bypass-Schalter
umfasst und der zweite Parallelzweig positive und negative Terminals
jeweils zur Aufnahme der positiven und negativen Terminals einer Batterie
umfasst sowie eine seriell verschaltete elektronische Einwegeinrichtung,
wobei der Bypass-Schalter eine sehr geringe Impedanz hat, wenn er
angeschaltet ist, und eine sehr hohe Impedanz, wenn er abgeschaltet
ist, wobei die elektronische Einwegeinrichtung dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie eine sehr geringe Impedanz hat, wenn Strom aus der
Ladesektion in die Batterieterminals strömt und eine hohe Impedanz,
wenn der Bypass-Schalter angeschaltet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ladeblock zur
Verwendung in einem seriellen Batterieladegerät vorgesehen, einschließlich zumindest
eines ersten und zweiten parallel miteinander verbundenen Zweiges,
wobei der erste parallele Zweig einen elekronisch steuerbaren Bypass-Schalter
umfasst und der zweite parallele Zweig positive und negative Terminals
zur Aufnahme jeweils der positiven und negativen Terminals einer Batterie
umfasst, und eine elektronische Einwegeinrichtung, die in Serie
geschaltet ist, wobei der Bypass-Schalter eine sehr geringe Impedanz
hat, wenn er angeschaltet ist und eine sehr hohe Impedanz, wenn
er ausgeschaltet ist, wobei die elektronische Einwegeinrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine sehr geringe Impedanz
hat, wenn Strom aus der Ladesektion in die Batterieterminals strömt und eine
hohe Impedanz, wenn der Bypass-Schalter angeschaltet ist.
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Gemäß eines
dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein serielles Batterieladegerät vorgesehen,
einschließlich
einer Batterieladesektion, die zumindest einen ersten und zweiten
parallel verbundenen Zweig umfasst, wobei der erste Zweig eine Diode
umfasst, die seriell mit den Terminals zur Verbindung der zu ladenden
Batterien verbunden ist und wobei der zweite Zweig einen MOSFET-Bypass-Schalter
umfasst, wobei der Bypass-Schalter über den ersten Zweig geschaltet
ist und eine Niederimpedanz zur Verfügung stellt, wenn er aktiviert
ist, wobei die Sperrdiode eine geringe Impedanz hat, wenn Strom
in die zu ladende Batterie hineinfließt und eine hohe Impedanz hat,
wenn das Batterieladegerät
keine Stromversorgung liefert oder wenn der Bypass-Schalter angeschaltet
ist.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Batterieladegerät vorgesehen, einschließlich einer
Mehrzahl von Batterieladesektionen, die in Serie geschaltet sind,
wobei jede der Ladesektionen einen ersten und zweiten parallel verbundenen
Zweig umfasst, wobei der erste Parallelzweig einen elektronisch
steuerbaren Bypass-Schalter umfasst und der zweite Parallelzweig
positive und negative Terminals jeweils zur Aufnahme der positiven
und negativen Terminals einer Batterie umfasst und eine elektronische
Einwegeinrichtung, die seriell verbunden ist, wobei der Bypass-Schalter
eine sehr geringe Impedanz hat, wenn er angeschaltet ist und eine
sehr hohe Impedanz, wenn er ausgeschaltet ist, wobei die elektronische
Einwegeinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine sehr
geringe Impedanz hat, wenn Strom aus der Ladesektion in die Batterieterminals
fließt
und eine hohe Impedanz hat, wenn der Bypass-Schalter angeschaltet
ist.
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Vorzugsweise,
wenn das Batterieladegerät weiterhin
einen Mikrocontroller umfasst, überwacht der
Mikrocontroller einen Satz von Parametern der Batterie, die geladen
wird und aktiviert den Bypass-Schalter durch die Bildung einer Niedrigimpedanzumgehung über den
ersten parallelen Zweig, wenn ein oder mehrere der gemessenen Batterieparameter
einen Satz von vorbestimmten Bedingungen erfüllt.
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Vorzugsweise
ist die elektronische Einwegeinrichtung eine Diode.
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Vorzugsweise
ist der Bypass-Schalter ein feldeffektiver Transistor („FET"), einschließlich eines MOSFET.
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Vorzugsweise
ist das Gate des Bypass-MOSFET mit einem Mikrocontroller verbunden, der
die Gatespannung des MOSFET steuert, um den MOSFET an oder auszuschalten,
so dass wenn der MOSFET angeschaltet ist, die Impedanz über die Senke-Quelle
Terminals des MOSFET gering ist, wodurch die Bypassfunktion aktiviert
wird und, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, die Impedanz über die Senke-Quelle
Terminals sehr hoch ist, wodurch die Bypassfunkction deaktiviert
wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in größerem Detail in exemplarischer
Weise und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Darin zeigt:
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1 ein allgemeines Blockschaltkreisdiagramm
des seriellen Batterieladegerätes
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockdiagramm, das
ein spezifisches Beispiel der Komponenten zeigt, die in jeder der
seriellen Ladesektionen verwendet werden;
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3 ein generelles Schaltkreisdiagramm, das
weitere Verbindungseigenschaften des seriellen Batterieladegerätes der 1 und 2 zeigt; und
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4 ein allgemeines Schaltkreisdiagramm, das
eine detaillieriere Hardwareverbindung einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden schnellen seriellen Batterieladegeräts zeigt.
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Detaillierie Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Bezugnehmend
auf 1 ist ein Blockdiagramm
gezeigt, das ein erstes Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eines intelligenten seriellen Batterieladegeräts zeigt. Das
Batterieladegerät
umfasst eine Gleichstromquelle 100, eine Konstantstromquelle 200,
eine Mikrocontrollereinheit 300 und eine Mehrzahl von Batterieladesektionen 410, 420, 430 und 440 die
seriell miteinander verbunden sind. Die seriell verbundenen Batterieladesektionen
sind mit den positiven und negativen Terminals der Gleichstromquelle 100 verbunden, um
eine Gleichstromleistung mit der korrekten Polarität zu erzielen.
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Bezugnehmend
auf 1 umfasst jede der Ladesektionen 410, 420, 430 und 440 eine
elektronische Einwegeinrichtung, die seriell mit den positiven und
negativen Terminals der Batterie verbunden sind, um die Ladeverbindung
mit einer Batterie zu kontrollieren. Um einen steuerbaren Bypasspfad
zur Verfügung
zu stellen, der eine niedrige Überbrückungsimpedanz über eine
Ladesektion bietet, wenn es nötig
ist, beispielsweise, wenn die Batterie in einer bestimmten Ladesektion
vollständig
geladen ist, wird ein elektronisch steuerbarer Schalter 413 wie
in den Figuren gezeigt vorgesehen. Der Bypass-Schalter ist parallel
mit der seriellen Verbindung der Batterieterminals und der elektronischen
Einwegeinrichtung verbunden. Der Bypass-Schalter liefert eine Niederimpedanzumgebung über die
Terminals der seriellen Verbindungen der elektronischen Einwegeinrichtung und
der Batterieterminals, wenn aktiviert. In den vorliegenden spezifischen
Ausführungsformen
ist der Bypass-Schalter eine 3-Terminaleinrichtung,
bei der die Impedanz über
zwei der Terminals durch ein drittes Terminal steuerbar ist.
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Die
elektronische Einwegeinrichtung, die seriell mit den Batterien unter
Ladung eingefügt
ist, sollte die folgenden miteinander konkurrierenden Bedingungen
erfüllen.
Zunächst
ist es bevorzugt, eine niedrige Impedanz zu haben, wenn die Batterie
geladen wird (d. h. wenn ein vorwärtsgerichteter Strom in die
Batterie strömt).
Zweitens ist es bevorzugt, eine hohe Impedanz zu haben, wenn keine
Stromversorgung von dem Ladegerät
zur Verfügung
gestellt wird oder, in anderen Worten, wenn die Spannung an dem Batterieterminal
diejenige des Ladeterminals übersteigt,
um eine umgekehrte Entladung oder einen Umkehrstromfluss aus den
Batterien zu vermeiden, da andererseits die Batterien entleert werden,
wenn keine Stromversorgung von der Gleichstromquelle 100 zur
Verfügung
steht. Drittens sollte die Blockiereinrichtung eine sehr hohe Impedanz
haben, wenn der Bypass-Schalter angeschaltet ist, da andererseits
eine Stromschleife ein Abrauchen des Schaltkreises verursachen könnte, die
aus der Batterie, der Einwegeinrichtung und dem Bypass-Schalter
gebildet wird, da der Bypass-Schalter
eine niedrige Impedanz haben sollte und der resultierende Strom
in der Stromschleife sehr groß wäre. Zusätzlich sollte
die Blockiereinrichtung eine beträchtlich höhere Impedanz als diejenige
des aktivierten Bypass-Schalters haben (d..h, wenn dieser angeschaltet
ist), wenn der Bypass-Schalter aktiviert wurde und wenn die Spannung
an den Ladeterminals diejenige der Batterien übersteigt, so dass kein Umkehrstrom
durch die elektronische Einwegeinrichtung in die Batterien fließt.
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Zusätzlich zum
einfachen Vorsehen eines Bypasspfads erlaubt die Kombination des
elektronisch steuerbaren Bypass-Schalters zusammen mit der elektronischen
Einwegeinrichtung eine hohe Frequenz und wiederholte Messungen über die
Batterieterminals bei offenem Schaltkreis. Solche Messungen mit
offenem Schaltkreis werden bevorzugt, um ausreichende Batterieparameter
zu erhalten, zur Einschätzung
der Ladebedingungen einer Batterie. Ein Beispiel dafür, wie die
elektrischen Parameter der Batterien bei offenem Schaltkreis ermittelt
werden können,
wird weiter unten erklärt.
Beispielsweise, wenn der Mikrocontroller 300 die Para meter
der Batterie 422 bei offenem Schaltkreis lesen muss, die
in dem zweiten seriellen Ladeblock 420 geladen wird, sendet
er ein elektronisches Steuersignal durch seinen I/O Port an die
Kontrollterminals der drei Terminal-Bypass-Schalter und schaltet
die Bypass-Schalter 413, 433 und 443 an.
Das Resultat ist, dass die Impedanz über die zwei anderen Terminals
der By pass-Schalter 413, 433 und 443 sehr gering
sein wird und die Batterien 412, 432 und 442 im
wesentlichen umgangen werden, aufgrund der hohen Impedanz der Blockiereinrichtung
unter diesen Umständen.
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Wenn
die Bypass-Schalter 413, 433 und 443 aktiviert
worden sind, ergibt eine Messung der Spannung über die positiven Terminals
(A/D2 in 2) der zweiten
Batterie 422 und der Erde die Charakteristika der Batterie 422,
da all die anderen Batterien, nämlich 412,
432 und 442 aus dem Messschaltkreis ausgeschlossen wurden,
aufgrund der Isolation durch die Blockiereinrichtungen 411, 431 und 441.
Es ist zu bemerken, dass in diesem Moment die elektronische Einwegeinrichtungen 411, 431 und 441 die
Batterien 412, 432, 442 von der Ladesektion
isolieren und die Parameter der Baterie 422 bei offenem
Schaltkreis gemessen werden können.
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Nachdem
die Messungen durchgeführt
worden sind sendet der Mikrocontroller wiederum ein weiteres Kontrollsignal
an die elektronisch gesteuerten drei Terminalschalter 413, 433 und 443,
so dass die Impedanz über
die zwei anderen Terminals der Bypass-Schalter wiederum einen hohen
Zustand einnehmen, um den Bypass zu deaktivieren. Als Resultat strömt wiederum
Strom durch die elektronische Einwegeinrichtung in die Batterien,
die geladen werden.
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Alternativ
kann die zweite Batterie 422 gemessen werden, indem der
zweite Bypass-Schalter 423 aktiviert wird. In diesem Moment
wird die zweite Batterie isoliert und die Messung kann über die
Batterieterminals direkt erfolgen. Natürlich sind zusätzliche
analoge Digitalkonverier notwendig, um die Potenzialdifferenz über die
zwei Batterieterminals zu Messen. Um eine akkurate Messung der Parameter bei
offenem Schaltkreis sicherzustellen, ist es höchst wünschenswet, dass, wenn die
Bypass-Schalter geschlossen (aktiviert) sind, kein Strom in oder
aus den Batterien fließt,
deren zugeordnete Bypass-Schalter aktiviert wurden, da andererseits
die Ablesungen bei offenem Schaltkreis nicht akkurat sein werden.
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Um
Strom daran zu hindern, aus den Batterien herauszufließen, wenn
Messungen bei offenem oder geschlossenem Schaltkreis erfolgen, sollte
die elektronische Einwegeinrichtung eine sehr hohe Impedanz haben,
die ausreicht, um Strom daran zu hindern, aus der Batterie in die
umgekehrte Richtung zu fließen,
wenn der Bypass aktiviert ist, sogar wenn die Spannung an den Terminals
auf der Ladesektion vor und nach der Aktivierung des Bypass-Schalters
höher ist
als die der Batterie. Gleichzeitig ist es auch bevorzugt, den Strom
zu vermeiden oder zu minimieren, der in die Batterieterminals fließt, wenn
der Bypass-Schalter angeschaltet ist (oder geschlossen oder aktiviert
zu welchem Punkt die Impedanz über die
zwei Terminals des Bypass-Schalters in niedrigem Zustand ist).
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Um
einen Umkehrfluss des Stroms aus der Stromquelle in die Batterie
zu vermeiden, wenn der Bypass-Schalter geschlossen ist sollte die
Impedanz der elektronischen Einwegeinrichtung 411, 421, 431, 441 signifikant
höher sein,
als diejenige des Bypass-Schalters 413, 423, 433, 443,
wenn der Bypass-Schalter geschlossen ist. Andererseits sollte die
elektronische Einwegeinrichtung eine sehr geringe Impedanz haben,
wenn eine Stromversorgung vom Ladegerät vorliegt und wenn der Bypass-Schalter
geöffnet
ist, so dass der Ladungsstrom vollständig in die Batterie fließt, über die
elektronische Einwegeinrichtung zur Ladung. Um einen elektronisch
steuerbaren Schalter vorzusehen, der einen hohen und einen niedrigen
Impedanzstatus hat, wird ein MOSFET gewählt. Im Allgemeinen, wenn eine
geeignete Gate-Spannung an ein MOSFET angelegt wird, werden die
Senk-Quelle Terminals der MOSFET mit geringer Impedanz leitend.
Wenn andererseits eine andere Gate-Spannung angelegt wird, werden
die Senke-Quelle Terminals der MOSFET eine hohe Impedanz haben,
und nicht leitend werden. Ein MOSFET-Schalter wird gewählt als
Bypass-Schalter, da er eine relativ hohe Bandbreite hat, so dass
der Bypass-Schalter oft an und ausgeschaltet werden kann, innerhalb
einer geringen Zeitspanne. Solch ein wiederholtes Schalten ist notwendig,
um all die notwendigen Messungen und Ablesungen bei offenem Schaltkreis
vorzunehmen. Die hohe Bandbreit wird auch bevorzugt, um reagieren
zu können,
wenn eine Abnormalität
einer Batterie beobachtet wird und um alle feststellbaren Unterbrechungen
der anderen Ladesektionen zu minimieren, wenn eine der Batterien aus
dem Ladegerät
entfernt wird. Natürlich
können andere
elektronische Einrichtungen, die ähnliche elektronische Charakteristika
zeigen, alternativ auch verwendet werden.
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Was
die elektronische Einwegeinrichtung angeht, so erschien der MOSFET
als geeigneter Kandidat. Bei Versuchen zur Verwendung eines MOSFET als
Einwegeinrichtung wurde der Mikrocontroller derart programmiert,
dass Gate-Spannungen unterschiedlicher Wirkung an die MOSFET geschickt
werden (eines als Einwegeinrichtung und der andere als Bypass-Schalter ). Mit einer
derartigen Anordnung ist der eine MOSFET an, wenn der andere aus
ist und umgekehrt. Wenn daher die Einwegeinrichtung angeschaltet
ist, ergibt sich ein Pfad geringer Impedanz für den Ladestrom. Wenn der Bypass-MOSFET
an ist, ist die Einwegeinrichtung aus, wodurch sich ein serieller
Widerstand mit hoher Impedanz bildet, der die Batterie vom Rest
des Schaltkreises isoliert. Es ergab sich jedoch, dass MOSFET oder
andere FET in dieser Weise ungeeignet zur Verwendung als elektronische
Einwegeinrichtung oder Blockiereinrichtung für die vorliegenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind. In der Tat haben Experimente unter
der Verwendung von MOSFET als elektronische Einwegeinrichtung oder
Blockiereinrichtung in den Ausführungsformen
wie gezeigt in 1 der
vorliegenden Erfindung versagt, da sie alle schnell abrauchten.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass Burnouts auftraten, wenn die
Stromversorgung des Ladegeräts
angestellt und dann abgestellt wurde, aufgrund der Floating-MOSFET-Gate.
Viele Versuche unter Verwendung sehr komplizierter Schaltkreisanordnungen
zur Lösung
des Problems wurden versucht, aber keine befriedigende Lösung gefunden.
Die Verwendung von Dioden als Einweg- oder Blockiereinrichtung erschienen
als mögliche
Lösung
zunächst,
aber eine Diode scheint nicht in der Lage zu sein, eine Hochimpedanz-Blockierung
vorzusehen, wenn die Stromversorgung an ist und wenn die Spannung
des Ladesektionsterminals diejenige der Batterie übersteigt.
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Sei
weiteren Studien und Versuchen wurde eine weitere, durchführbare Lösung betrachtet.
Bezugnehmend auf 2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der eine spezifische Kombination
einer elektronischen Einwegeinrichtung und eines Bypass-Schalters
gezeigt ist. In dieser Ausführungsform
wird ein MOSFET als Bypass-Schalter
verwendet und eine Diode wird als elektronische Einwegeinrichtung
verwendet. Die Diode ist seriell mit den Batterieterminals in der
in 2 gezeigten Weise
verbunden, so dass Ladestrom in die Batterien durch einen Niederimpedanzpfad
strömen
kann, während
ein Umkehrstrom blockiert wird. Wenn der MOSFET-Bypass-Schalter 413,
etc. angeschaltet ist, wird die Senke-Quelle Impedanz sehr gering
und die Senke-Quelle Spannung ist somit auch sehr gering, typischerweise
im Bereich von 0,2 V. Da eine derartige Niederspannung über die
Senke und Quelle Terminals weit entfernt ist von der Anschaltspannung
der Diode, die typi scherweise im Bereich von 0,6 V liegt, wird die
Diode zu einer Hochimpedanz-Blockiereinrichtung,
die Strom daran hindert, in die Batterie zu fließen. Durch die synergetische
Nutzung der kombinierten Charakteristika der zwei Einrichtungen,
namentlich der niedrigen Senke-Quelle Spannung von ungefähr 0,2 V,
wenn ein MOSFET angeschaltet ist und der hohen Anschaltspannung
von ca. 0,6 V für
eine Diode, kann ein Batterieladegerät oder eine Batterieladegerätsektion
zur Verfügung
gestellt werden, die die vorgenannten miteinander konkurrierenden
Anforderungen erfüllt.
Wie in den Figuren gezeigt, können
eine Mehrzahl von Ladesektionen seriell geschaltet werden, um ein
bevorzugtes serielles Ladegerät
vorzusehen.
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Bezugnehmend
auf 3 ist ein schematisches
Diagramm gezeigt, das eine detailliertere Verbindung zwischen der
Spannungsquelle 100, der Stromquelle 200, der
CPU 300 und den seriell verbundenen Ladesektionen 410, 420, 430, 440 zeigt. Jede
der Ladesektionen umfasst eine Sperrdiode 411, etc. die
einen Umkehrstrom aus der Batterie verhindert, und eine Hochimpedanzisolation
der Batterieterminals bietet, wenn der Niederimpedanzschalter 413,
etc. angeschaltet ist, obwohl die Diode in diesem Moment unter einer
leichten Vorwärtsspannung steht.
In dieser spezifischen Ausführungsform
wie in 3 gezeigt, ist
jede Ladesektion mit Aufnahmen zur alternativen Ladung von AAA oder
einer AA Batterie versehen.
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Bezugnehmend
auf 4 ist eine detailliertere
Schaltkreisanordnung der Ladesektion nach 3 gezeigt. In dieser spezifischen Ausführungsform
sind die Bypass-MOSFETs, die Sperrdioden wie auch die MOSFET-Gate-Steuerschaltung,
die zwischen dem Bypass-MOSFET
und dem CPU angeordnet ist, in größerem Detail beschrieben. Der
Gatekantrollschaltkreis dient dazu, ein Betriebsbeispiel der Steuerung
des Bypass-Schalters zu liefern, wobei andere Schaltkreisvariationen
natürlich
möglich sind,
um im Wesentlichen denselben oder ähnliche Effekte zu erzielen.
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Während die
vorliegende Erfindung durch Bezug auf die unterschiedlichen spezifischen
Beispiele wie oben beschrieben wurde, ist festzuhalten, dass diese
Beispiele lediglich vorgesehen sind, um das Verständnis zu
erleichtern und nicht dazu dienen sollen, den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung zu beschränken.
Zusätzlich
ist festzuhalten, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß dem Geiste
der Erfindung wie beschrieben in der obigen Beschreibung interpretiert
werden sollte und daher Modifikationen oder Variationen umfasst, die
offensichtlich oder trivial für
den Fachmann sind. Insbesondere hat die vorliegende Erfindung eine
synergetische Verwendung einer Kombination von eher einfachen Komponenten
offenbart, um einen Schaltkreis oder eine Schaltkreisanordnung anzubieten,
bei der verschiedene miteinander konkurrierende Anforderungen für Batterieladesektionen
untergebracht sind und in einer sehr einfachen Art und Weise durch Verwendung
relativ einfacher Komponenten und in einer simplen Anordnung zur
Verfügung
gestellt werden.