DE60216790T2 - Ein intelligenter lader in reihe geschalteter batterien und ladungsblock - Google Patents

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DE60216790T2
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • AHUMAN NECESSITIES
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61PSPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P29/00Non-central analgesic, antipyretic or antiinflammatory agents, e.g. antirheumatic agents; Non-steroidal antiinflammatory drugs [NSAID]

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Batterieladegeräte bzw. Batterielader zum Laden einer Mehrzahl von in Serie verbundenen wiederaufladbaren Batterien. Spezieller betrifft diese Erfindung Batterielader, die eine Vielzahl von seriell bzw. in Reihe verbundenen Batterieladesektionen aufweisen. Spezieller, obwohl nicht ausschließlich darauf beschränkt, betrifft diese Erfindung serielle Batterielader, in denen eine Batterie in einer beliebigen der seriell verbundenen Ladesektionen entfernt oder umgangen werden kann, ohne grundlegend die Ladebedingungen der in den anderen Ladesektionen des seriellen Batterieladers verbleibenden Batterien zu beeinflussen. Ferner betrifft diese Erfindung serielle Batterielader, in denen ein einfaches elektronisches Element verwendet wird, das eine Niederimpedanz an die Ladeschaltung während des Ladens, eine Hochimpedanz zum Blockieren eines entgegengerichteten Stromflusses von einer Batterie, wenn keine Energieversorgung an die Ladesektion vorliegt, und eine vergleichsweise hohe Impedanz, wenn die Ladesektion nebengeschlossen oder umgangen wird, bereitstellt.
  • Ein serieller Batterielader zum Laden einer Mehrzahl von diskreten Batterien, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert, ist aus der US-A-5 773 962 bekannt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Wiederaufladbare Batterien werden weithin in einer Vielzahl von tragbaren oder mobilen elektrischen und elektronischen Vorrichtungen oder Geräten wie beispielsweise Mobil- oder Schnurlostelephonen, Fern-Repeatern, Fernsteuereinheiten, Fernsensoren, tragbaren Beleuchtungsvorrichtungen, tragbaren Radios, tragbaren Bohrern und vielen anderen Vorrichtungen verwendet. Wiederaufladbare Batterien werden im Allgemeinen gegenüber Einwegbatterien heutzutage bevorzugt, da sie umweltfreundlicher sind und längerfristige Kosteneinsparungen bereitstellen. Für Fernanwendungen sind wiederaufladbare Batterien wahrscheinlich die einzig praktikable Wahl.
  • Wiederaufladbare Batterien erfordern ein wiederholtes Laden, um elektrische Energie an die Vorrichtungen oder Geräte zu liefern, in denen sie installiert sind. Heutzutage erfordern tragbare Vorrichtungen für den Betrieb üblicherweise eine Mehrzahl von Batterien und die benötigten Batterien sind typischerweise im Bereich von zwei bis zehn Batterien. Folglich ist es wünschenswert, dass intelligente Batterielader bereitgestellt werden können, die eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batterien zur selben Zeit laden können. Es gibt zwei Haupttypen von Batterieladern. Der erste Typ ist der Parallellader, in dem alle Batterien derselben Ladespannung unterliegen, jedoch mit unterschiedlichen Ladeströmen geladen werden. Der andere Typ ist der serielle Lader, in dem die zu ladenden Batterien in Serie verbunden sind und derselbe Ladestrom üblicherweise durch alle seriell verbundenen Batterien passiert.
  • In Anwendungen, in denen Batterien alternativ geladen und entladen werden, wird im Allgemeinen eine Energieversorgung von 3 bis 12 Volt benötigt, während die Spannung jeder wiederaufladbaren Batterie typischerweise im Bereich von 1 bis 2 Volt liegt. In jenen Anwendungen sind Batterien typischerweise in Serie zum Laden und Entladen verbunden. Zum Laden von Batterien für die Verwendung in derartigen Anwendungen muss ein serieller Batterielader verwendet werden.
  • Aufgrund der weit verbreiteten Anwendung wiederaufladbarer Batterien besteht ein wachsender Bedarf an schnellen Batterieladern, die in der Lage sind, eine leere Batterie in ca. einer Stunde vollständig zu laden (die "1C"-Lader), so dass Benutzer nicht zu lange warten müssen, bevor die Batterien ausreichend für die Verwendung geladen sind. Beispielsweise liegt für eine 1600 mAH wiederaufladbare Batterie die 1C-Stromrate bei ca. 1,6 A. Um ein schnelles und effizientes Batterieladen zu erleichtern, verwenden Batterielader im Allgemeinen einen hochfrequenzgepulsten Ladestrom mit einer relativ hohen Stromrate. Wenn eine Batterie geladen wird, wird sie Sauerstoff auf der Elektrode erzeugen, und der Verbrauch von Sauerstoff durch die negative Elektrode wird bewirken, dass die Batterie sich erwärmt. Im Allgemeinen wird ein Laden bei einer Stromrate von 1C bevorzugt, da diese Laderate als treffend für eine Balance zwischen der Reduktion der Ladezeit und der Aufrechterhaltung einer intakten Batterie unter gegenwärtigen Batterietechnologien gehalten wird. Natürlich können mit dem weiteren Fortschritt in Batterietechnologien Batterien bei noch höheren Stromraten ohne Überhitzung geladen werden. Wenn dies eintritt, wird zu erwarten sein, dass Batterielader, die eine höhere Laderate als 1C liefern, populärer werden. Im Allgemeinen sind schnelle Batterielader, insbesondere jene zum Laden von wiederaufladbaren Batterien von geringer Spannung von ca. 1,5 bis 2 V, vorzugsweise derart konfiguriert, dass die Batterien in Serie geladen werden. Dies ist der Fall, da, wenn die Batterien schnell parallel geladen werden, eine Energieversorgung mit einer sehr hohen Stromversorgungsrate benötigt wird und dies sehr kostspielig sein kann.
  • Andererseits impliziert eine serielle Verbindung, dass derselbe Strom durch jede seriell verbundene Ladesektion fließen muss. Dies kann ebenfalls eine große Schwierigkeit in einer Vielzahl von Umständen erzeugen. Beispielsweise wenn eine Batterie vom Lader nach Vervollständigung des Ladens entfernt wird, um ein Überhitzen oder Beschädigen zu vermeiden, oder da sie bereits defekt ist, wird das Laden unterbrochen, bis eine Ersatzbatterie in den Lader eingesetzt worden ist. Ähnliche Probleme treten auch auf, wenn wiederaufladbare Batterien verschiedener Kapazitäten zusammen geladen werden oder gute Batterien mit schlechten gemischt werden. Dies ist der Fall, da, wenn eine Batterie geringerer Kapazität voll geladen worden ist, eine gute Chance besteht, dass eine Batterie größerer Kapazität noch weiteres Laden benötigt. Für einfache serielle Lader ohne Überwachungs- und Steuerschaltungen werden die Batterien kontinuierlich geladen. Als ein Ergebnis kann eine Überhitzung, ein Batterieschaden oder selbst eine Explosion resultieren. Andererseits kann für jene ausgeklügelteren seriellen Batterielader mit Ladebedingungsüberwachungs- und Ladesteuerungsschaltungen der Batterielader den Betrieb einstellen, sobald eine beliebige der zu ladenden Batterien als vollständig geladen detektiert wird. Dies ist offensichtlich nicht wünschenswert, da die verbleibenden Batterien noch weiteres Laden erfordern können. Ferner, wann immer Batterien in einen seriellen Batterielader während des Ladevorgangs eingesetzt oder daraus entfernt werden, wird der gesamte Ladevorgang unterbrochen. Folglich ist es wünschenswert, wenn intelligente serielle Batterielader bereitgestellt werden können, die ein serielles Laden wiederaufladbarer Batterien gestatten, in denen die Ladeströme, die an die individuellen Batterien in serieller Verbindung geliefert werden, weitgehend unabhängig von denen an die anderen Batterien gelieferten sind.
  • Für viele Batterielader ist bekannt, dass wenn die Energieversorgung an den Batterielader ausgeschalten wird ein entgegengerichteter Leckstrom bzw. Kriechstrom vorliegen kann, der von der Batterie zum Lader oder zur peripheren Schaltung fließt. Ein entgegengerichteter Leckstrom unter den seriell verbundenen Batterien könnte auch ein entgegengesetztes Laden individueller Batterien durch andere Batterien, die im Seriellen Lader verbunden sind, bewirken. Dies ist selbstverständlich nicht wünschenswert, da es ein Entleeren der vollen Batteriekapazität bewirken kann und sogar den Lader beschädigen kann. Folglich ist es wünschenswert, dass jede Ladesektion eines seriellen Batterieladers mit Mitteln, die ein unerwünschtes entgegengerichtetes Stromkriechen verhindern, sowie einer Umgehungsschaltung bereitgestellt ist, so dass die Ladebedingungen einer individuellen Ladesektion nicht die Ladebedingungen der anderen Ladesektionen beeinflussen würden.
  • Viele Umgehungsschaltungen, Schaltungsanordnungen oder Topologien wurden vorgeschlagen, um den nachteiligen Einfluss der Ladebedingungen in einer seriellen Ladesektion auf andere Ladesektionen zu lindern. Während serielle Lader mit Anordnungen zur Umgehung mancher oder aller Ladesektionen bekannt waren, waren sie im Allgemeinen sehr kompliziert und beinhalten nicht gleichzeitig Mittel oder Schaltungen, um ein entgegengerichtetes Kriechen oder Entladen von den Batterien zu verhindern.
  • Einen seriellen Batterielader, der die obigen Anforderungen erfüllt, bereitzustellen ist eine schwierige Aufgabe, da mehrere widersprüchliche Erfordernisse erfüllt werden müssen. Zuerst muss, um ein entgegengerichtetes Stromkriechen oder eine entgegenwirkende Stromentladung von der Batterie zu verhindern, eine Blockiervorrichtung, die eine hohe umgekehrte Impedanz aufweist, in Serie mit der Batterie eingefügt werden. Zweitens muss diese serielle Blockiervorrichtung eine niedrige Impedanz aufweisen, wenn ein Strom in Durchlassrichtung, der in die Batterie zum Laden der Batterie fließt, vorliegt. Andererseits, wenn die Blockiervorrichtung eine niedrige Impedanz in Durchlassrichtung aufweist, wenn der Umgehungsschalter aktiviert worden ist (was üblicherweise der Fall ist, wenn noch eine Energieversorgung an den Batterieladeanschlüssen vorliegt), wird diese Niederimpedanzblockiervorrichtung mit dem Umgehungsschalter für den gelieferten Strom konkurrieren und als ein Ergebnis wird ein entgegenwirkender Ladestrom weiterhin in die Batterien fließen. Zusätzlich muss die Blockiervorrichtung eine hohe Impedanz aufweisen, wenn der Umgehungsschalter aktiviert worden ist, andernfalls wird ein großer unerwünschter Strom in einer Stromschleife fließen, die von der Batterie, der Blockiervorrichtung und dem Umgehungsschalter gebildet wird. Folglich ist es sehr erwünscht, wenn ein serieller Batterielader, der die obigen widersprüchlichen Erfordernisse erfüllen kann, bereitgestellt werden kann. Es wird noch wünschenswerter sein, wenn derartige verbesserte Batterielader unter Verwendung einfacher Schaltungsblöcke und Komponenten realisiert werden können, so dass eine hohe Verlässlichkeit sowie niedrige Kosten erzielt werden können.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Es ist deshalb ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Probleme oder Unzulänglichkeiten zu beseitigen, die mit existierenden oder bekannten seriellen Batterieladern verbunden sind. Insbesondere ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung für eine verbesserte Batterieladesektion bereitzustellen, die in seriellen Ladern verwendet werden kann, so dass die Ladesektion, wenn ausgewählt, nebengeschlossen oder umgangen werden kann, und die zur selben Zeit Blockiermittel bereitstellt, um einen entgegengerichteten Strom zu verhindern.
  • Ein wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb, einen intelligenten seriellen Batterielader bereitzustellen, in dem der Ladestrom oder die Ladebedingungen einer Batterie in der seriellen Verbindung großenteils unbeeinflusst von den Ladebedingungen anderer Batterien in der seriellen Verbindung sind.
  • Ein gleichermaßen wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen seriellen Batterielader bereitzustellen, in dem eine Batterie von den seriell verbundenen Batterien zu einer beliebigen Zeit entfernt werden kann, ohne das Laden der anderen Batterien zu unterbrechen, und in dem gleichzeitig ein entgegenwirkender entgegengerichteter Stromfluss von einer Batterie vermieden werden kann.
  • Als ein Minimum ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der Öffentlichkeit eine Wahl von seriellen Batterieladern bereitzustellen, die mit Mitteln bereitgestellt sind, um ein unerwünschtes Batterieentladen zu beseitigen, wenn der Batterielader keinen Ladestrom liefert, und eine nützliche Batterieumgehung wenn nötig bereitzustellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein serieller Batterielader wie in den angehängten Ansprüchen definiert bereitgestellt.
  • Vorzugsweise ist die elektronische Einwegevorrichtung bzw. die Ein-Weg-Elektronikeinrichtung eine Diode.
  • Vorzugsweise ist der Umgehungsschalter ein Feldeffekttransistor ("FET"), einschließlich eines MOSFET.
  • Vorzugsweise ist das Gate des Umgehungs-MOSFET mit einem Mikrocontroller verbunden, der die Gatespannung des MOSFET steuert, um den MOSFET derart an- oder auszuschalten, dass wenn der MOSFET angeschalten ist, die Impedanz über die Drain-Source-Anschlüsse des MOSFET niedrig ist, wobei die Umgehungsfunktion aktiviert ist, und wenn der MOSFET ausgeschalten ist, die Impedanz über die Drain-Source-Anschlüsse sehr hoch ist, wobei die Umgehungsfunktion deaktiviert ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in weiterem Detail beispielhalber und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt. In diesen gilt:
  • 1 ist ein allgemeines Blockschaltdiagramm des seriellen Batterieladers einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das ein spezielles Beispiel der Komponenten, die in jeder der seriellen Ladesektionen verwendet werden, zeigt.
  • 3 ist ein allgemeines Schaltdiagramm, das mehrere Verbindungseinzelheiten des seriellen Batterieladers der 1 und 2 zeigt, und
  • 4 ist ein allgemeines Schaltdiagramm, das eine detailliertere Hardware-Verbindung einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden schnellen seriellen Batterieladers zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Bezugnehmend auf 1 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein erstes Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines intelligenten seriellen Batterieladers zeigt. Der Batterielader beinhaltet eine Gleichstrom-Energiequelle 100, eine Dauerstromquelle 200, eine Mikrocontrollereinheit 300 und eine Vielzahl von Batterieladesektionen 410, 420, 430 und 440, die in Serie bzw. Reihe verbunden sind. Die seriell verbundenen Batterieladesektionen sind an positive und negative Anschlüsse der Gleichstrom-Energiequelle 100 verbunden, um Gleichstromleistung von korrekter Polarität zu erhalten.
  • Bezugnehmend auf 1 beinhaltet jede der Ladesektionen 410, 420, 430 und 440 eine elektronische Einwegevorrichtung bzw. eine Ein-Weg-Elektronikeinrichtung, die in Serie mit den positiven und negativen Anschlüssen der Batterie verbunden ist, um die Ladeverbindung zu einer Batterie zu steuern. Um einen steuerbaren Umgehungsweg bereitzustellen, der ein Niederimpedanz-Nebenschließen über eine Ladesektion wenn nötig bereitstellt, beispielsweise wenn die Batterie in einer speziellen Ladesektion voll geladen, defekt oder überhitzt ist, ist ein elektronisch steuerbarer Schalter 413 bereitgestellt, wie in der Figur gezeigt. Der Umgehungsschalter ist parallel mit der seriellen Verbindung bzw. Reihenschaltung der Batterieanschlüsse und der elektronischen Einwegevorrichtung verbunden. Der Umgehungsschalter stellt ein Niederimpedanz-Nebenschließen über die Anschlüsse der seriellen Verbindung der elektronischen Einwegevorrichtung und die Batterieanschlüsse, wenn aktiviert, bereit. In den vorliegenden speziellen Ausführungsformen ist der Umgehungsschalter eine Drei-Anschluss- Vorrichtung, in der die Impedanz über zwei ihrer Anschlüsse durch den dritten Anschluss steuerbar ist.
  • Die elektronische Einwegevorrichtung, die in Serie mit der zu ladenden Batterie eingefügt ist, sollte bestrebt sein, die folgenden widersprüchlichen Erfordernisse zu erfüllen. Zuerst ist es bevorzugt, über eine niedrige Impedanz zu verfügen, wenn die Batterie geladen wird (d. h. wenn in Durchlassrichtung fließender Strom in die Batterie fließt). Zweitens ist es bevorzugt, über eine hohe Impedanz zu verfügen, wenn keine Stromversorgung vom Lader vorliegt, oder in anderen Worten wenn die Spannung an den Batterieanschlüssen die der Ladeanschlüsse übersteigt, um ein nachteiliges Entladen oder einen entgegengerichteten Stromfluss von der Batterie zu verhindern, andernfalls werden die Batterien entleert wenn keine Stromversorgung von der Gleichstrom-Energiequelle 100 vorliegt. Drittens sollte die Blockiervorrichtung eine sehr hohe Impedanz aufweisen, wenn der Umgehungsschalter angeschalten wurde, da andernfalls eine Stromschleife, die durch die Batterie, die Einwegevorrichtung und den Umgehungsschalter gebildet wird, ein Ausbrennen der Schaltung verursachen würde, da der Umgehungsschalter naturgemäß von niedriger Impedanz sein sollte und der resultierende Strom in der Stromschleife sehr groß sein wird. Zusätzlich sollte die Blockiervorrichtung eine merklich höhere Impedanz als die des aktivierten Umgehungsschalters aufweisen (d. h. wenn er angeschalten wurde), wenn der Umgehungsschalter aktiviert worden ist und wenn die Spannung bei den Ladeanschlüssen die der Batterie übersteigt, so dass kein entgegenwirkender Strom in die Batterien durch die elektronische Einwegevorrichtung fließen wird.
  • Zusätzlich, um lediglich einen Umgehungsweg bereitzustellen, erlaubt die Kombination des elektronisch steuerbaren Umgehungsschalters zusammen mit der elektronischen Einwegevorrichtung eine hohe Frequenz und dass wiederholte Leerlaufschaltungsmessungen über die Batterieanschlüsse genommen werden. Derartige Leerlaufschaltungsmessungen bzw. Messungen bezüglich des offenen Stromkreises sind bevorzugt, um genügend Batterieparameter zu erhalten, um die Ladebedingungen bzw. -zustände der Batterie zu bewerten.
  • Ein Beispiel, wie die elektrischen Leerlaufparameter der Batterien genommen werden können, wird unten erklärt. Beispielsweise wenn der Mikrocontroller 300 die Leerlaufparameter der Batterie 422, die im zweiten seriellen Ladeblock 420 geladen wird, lesen muss, sendet er elektronische Steuersignale durch dessen I/O-Ports an die Steueranschlüsse der Drei-Anschluss-Umgehungsschalter und schaltet die Umgehungsschalter 413, 433 und 443 an. Als ein Ergebnis wird die Impedanz über die zwei anderen Anschlüsse der Umgehungsschalter 413, 433 und 443 sehr niedrig und die Batterien 412, 432 und 442 werden im Wesentlichen umgangen aufgrund der hohen Impedanz der Blockiervorrichtung unter diesen Umständen.
  • Wenn die Umgehungsschalter 413, 433 und 443 aktiviert worden sind, wird eine Messung der Spannung, genommen über den positiven Anschluss (A/D2 in 2) der zweiten Batterie 422 und die Masse, nur die Charakteristiken der Batterie 422 ergeben, da alle anderen Batterien, nämlich 412, 432 und 442, vom Messschaltkreis isoliert waren, aufgrund der Isolation durch die Blockiervorrichtungen 411, 431 und 441. Es wird betont, dass in diesem Augenblick die elektronischen Einwegevorrichtungen 411, 431 und 441 die Batterien 412, 432 und 442 von der Ladesektion isolieren werden und die Leerlaufschaltungsparameter der Batterie 422 können dann gemessen werden.
  • Nachdem die Messungen genommen worden sind, sendet der Mikrocontroller erneut ein weiteres Steuersignal an die elektronisch gesteuerten Drei-Anschluss-Umschalter 413, 433 und 443, so dass die Impedanz über die zwei anderen Anschlüsse der Umgehungsschalter wieder einen hohen Zustand annehmen werden, um das Umgehen zu deaktivieren. Als ein Ergebnis fließt wieder Strom durch die elektronische Einwegevorrichtung in die zu ladenden Batterien.
  • Alternativ kann die zweite Batterie 422 gemessen werden, indem der zweite Umgehungsschalter 423 aktiviert wird. In diesem Augenblick wird die zweite Batterie isoliert und eine Messung kann über die Batterieanschlüsse direkt genommen werden. Natürlich werden zusätzliche Analog-Digital-Konverter benötigt, um die Potentialdifferenz über die zwei Batterieanschlüsse zu messen. Um eine genaue Messung der Leerlaufschaltungsparameter sicherzustellen, ist es hochgradig wünschenswert, dass, wenn die Umgehungsschalter geschlossen (aktiviert) werden, kein Strom in die oder aus der Batterie fließt, deren zugewiesene Umgehungsschalter aktiviert worden sind, andernfalls werden die Leerlaufschaltungsablesungen nicht genau sein.
  • Um zu verhindern, dass Strom aus der Batterie herausfließt, wenn die Messungen bezüglich des offenen Stromkreises oder des geschlossenen Stromkreises genommen werden, sollte die elektronische Einwegevorrichtung eine sehr hohe Impedanz aufweisen, die ausreichend ist, um zu verhindern, dass Strom aus der Batterie heraus in der umgekehrten Richtung fließt, wenn das Umgehen aktiviert ist, selbst wenn die Spannung an den Anschlüssen der Ladesektion vor und nach der Aktivierung des Umgehungsschalters höher ist als die der Batterie. Gleichzeitig ist es ferner bevorzugt, den Strom zu verhindern oder zu minimieren, der in die Batterieanschlüsse fließen kann, wenn der Umgehungsschalter angeschaltet wird (oder geschlossen oder aktiviert wird, zu welchem Zeitpunkt die Impedanz über die zwei Anschlüsse des Umgehungsschalters im niedrigen Zustand ist).
  • Um einen entgegenwirkenden Fluss von Strom von der Stromquelle in die Batterie zu verhindern, wenn der Umgehungsschalter geschlossen ist, sollte die Impedanz der elektronischen Einwegevorrichtung 411, 421, 431, 441 signifikant höher sein als die des Umgehungsschalters 413, 423, 433, 443, wenn der Umgehungsschalter geschlossen wird. Andererseits sollte die elektronische Einwegevorrichtung eine sehr niedrige Impedanz aufweisen wenn eine Stromversorgung vom Lader vorliegt und wenn der Umgehungsschalter geöffnet ist, so dass der Ladestrom vollständig in die Batterie über die elektronische Einwegevorrichtung zum Laden fließt. Um einen elektronisch steuerbaren Schalter bereitzustellen, der einen Hoch- und einen Niederimpedanzzustand aufweist, wird ein MOSFET ausgewählt. Im Allgemeinen, wenn eine geeignete Gate-Spannung an einen MOSFET angelegt wird, werden die Drain-Source-Anschlüsse des MOSFET mit niedriger Impedanz leitend werden. Andererseits, wenn eine andere Gatespannung angelegt wird, werden die Drain-Source-Anschlüsse des MOSFET eine sehr hohe Impedanz aufweisen und nichtleitend werden. Ein MOSFET-Schalter wird ausgewählt als ein Umgehungsschalter, da er eine relativ hohe Bandbreite aufweist, so dass der Umgehungsschalter häufig innerhalb einer kurzen Zeitdauer an- und ausgeschalten werden kann. Derartiges wiederholtes Schalten ist nötig, um alle notwendigen Leerlaufschaltungsmessungen und -ablesungen durchzuführen. Die hohe Bandbreite wird auch bevorzugt, um eine Ansprechwirkung zu erhalten, sobald eine beliebige Abnormität der Batterie beobachtet wird, und um eine beliebige wahrnehmbare Unterbrechung für die anderen Ladesektionen zu minimieren, wenn eine Batterie vom Lader entfernt wird. Natürlich können andere elektronische Vorrichtungen, die ähnliche elektronische Charakteristiken zeigen, auch als Alternativen verwendet werden.
  • Bezüglich der elektronischen Einwegevorrichtung erschien auch ein MOSFET als ein geeigneter Kandidat. In Experimenten bezüglich der Verwendung eines MOSFET als Einwegevorrichtung wurde der Mikrocontroller programmiert, dass Gatespannungen von entgegengesetzter Wirkung an die MOSFETs gesendet werden (einer als Einwegevorrichtung und der andere als Umgehungsschalter). Mit einer derartigen Anordnung wird, wenn ein MOSFET an ist, der andere aus sein und umgekehrt. Folglich, wenn die Einwegevorrichtung angeschalten wird, wird ein Niederimpedanzweg für den Ladestrom bereitgestellt. Wenn der Umgehungs-MOSFET an ist wird die Umgehungsvorrichtung aus sein, wobei ein Hochimpedanz-Reihenwiderstand, der die Batterie vom Rest der Schaltung isoliert, gebildet wird. Es wurde jedoch ersichtlich, dass MOSFETs oder andere FETs ungeeignet für die Verwendung als elektronische Einwegevorrichtung oder Blockiervorrichtung in dieser Weise für die vorliegenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind. Tatsächlich schlugen Experimente unter Verwendung von MOSFETs als elektronische Einwege- oder Blockiervorrichtung in der Ausführungsform wie gezeigt in 1 der vorliegenden Erfindung fehl, da sie alle schnell durchbrannten. Weitere Studien zeigten, dass ein Durchbrennen auftrat, wenn die Stromversorgung an den Lader angeschalten und dann ausgeschalten wurden aufgrund des schwebenden MOSFET-Gate. Viele Versuche unter Verwendung sehr komplizierter Schaltungsanordnung zum Bereitstellen der Lösung wurden versucht, es wurden jedoch keine zufrieden stellenden Lösungen gefunden. Die Verwendung von Dioden als Einwege- oder Blockiervorrichtung erschien zunächst als eine durchführbare Lösung, eine Diode scheint jedoch nicht in der Lage zu sein, eine Hochimpedanzblockierung bereitzustellen, wenn die Stromversorgung an ist, und wenn die Anschlussspannung der Ladesektion die der Batterie übersteigt.
  • Nach noch weiteren Studien und Auswertungen wurde eine weitere durchführbare Lösung berücksichtigt. Bezugnehmend auf 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der eine spezifische Kombination einer elektronischen Einwegevorrichtung und eines Umgehungsschalters gezeigt sind. In dieser Ausführungsform wird ein MOSFET als Umgehungsschalter verwendet und eine Diode wird als eine elektronische Einwegevorrichtung verwendet. Die Diode ist in Serie bzw. in Reihe mit den Batterieanschlüssen in der in 2 gezeigten Art und Weise verbunden, so dass Ladestrom in die Batterie durch einen Niederimpedanzweg fließen kann, während umgekehrter Stromfluss blockiert wird. Wenn der MOSFET-Umgehungsschalter 413 etc. angeschalten wird, wird die Drain-Source-Impedanz sehr niedrig und die Drain-Source-Spannung wird deshalb ebenfalls sehr niedrig, was typischerweise im Bereich von 0,2 Volt liegt. Da eine derart niedrige Spannung über die Drain- und Source-Anschlüsse weit entfernt von der Anschalt-Spannung der Diode ist, die typischerweise im Bereich von 0,6 Volt liegt, wird die Diode eine Hochimpedanzblockiervorrichtung, die verhindert, dass Strom in die Batterie fließt. Durch die synergetische Verwendung der kombinierten Charakteristiken der zwei Vorrichtungen, nämlich die niedrige Drain-Source-Spannung von ca. 0,2 Volt, wenn ein MOSFET angeschalten ist, und die hohe Anschaltspannung von ca. 0,6 Volt für eine Diode, kann ein Batterielader oder eine Batterieladesektion, der bzw. die die zuvor erwähnten widersprüchlichen Erfordernisse erfüllt, bereitgestellt werden. Wie in den Fig. gezeigt kann eine Vielzahl von Ladesektionen in Reihe verbunden werden, um einen bevorzugten Reihenlader bereitzustellen.
  • Bezugnehmend auf 3 wird ein schematisches Diagramm gezeigt, das eine detaillierte Verbindung zwischen der Energiequelle 100, der Stromquelle 200, der CPU 300 und den seriell verbundenen Ladesektionen 410, 420, 430, 440 zeigt. Jede der Ladesektionen beinhaltet eine Blockierdiode 411 etc., die einen umgekehrten Fluss von Strom aus der Batterie heraus verhindert sowie eine Hochimpedanzisolierung der Batterieanschlüsse bereitstellt, wenn der Niederimpedanzschalter 413 etc. angeschalten wird, obwohl in diesem Augenblick die Diode unter einer geringen Vorwärts-Vorspannung liegt. In dieser speziellen Ausführungsform und wie in 3 gezeigt wird jede Ladesektion mit Aufnahmen für alternatives Laden einer AAA- oder einer AA-Batterie bereitgestellt.
  • Bezugnehmend auf 4 ist eine detailliertere Schaltungsanordnung der Ladesektionen von 3 gezeigt. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Umgehungs-MOSFETs, die Blockierdioden sowie die MOSFET-Gate steuernde Schaltung, die zwischen dem Umgehungs-MOSFETs und der CPU verbunden ist, in größerem Detail beschrieben. Diese Gate-Steuerschaltung soll lediglich ein funktionierendes Beispiel der Steuerung des Umgehungsschalters bereitstellen, wobei natürlich viele andere Schaltungsvariationen möglich sind, um im Wesentlichen die gleichen oder ähnliche Effekte zu erzielen.
  • Während die vorliegende Erfindung durch Bezug auf die verschiedenen speziellen oben beschriebenen Beispiele erklärt wurde, sollte verstanden werden, dass jene Beispiele nur bereitgestellt wurden, um lediglich zum Verständnis zu helfen, und in keiner Weise verwendet werden sollten, um den Bereich der vorliegenden Erfindung zu begrenzen oder zu beschränken.
  • Insbesondere hat die vorliegende Erfindung eine synergetische Verwendung einer Kombination von eher einfachen Komponenten offenbart, um eine Schaltung oder Schaltungsanordnungen anzubieten, in denen den verschiedenen widersprüchlichen Anforderungen für Batterieladesektionen Rechnung getragen wird, und in denen ein sehr einfacher Weg und unter Verwendung relativ einfacher Komponenten und in einer einfachen Anordnung bereitgestellt ist.

Claims (9)

  1. Serieller Batterielader zum Laden einer Mehrzahl von diskreten Batterien, wobei der Batterielader folgendes aufweist: eine Ladestrom-Quelle (100, 200), eine Mehrzahl von Batterie-Ladesektionen (410, 420, 430, 440), die in Reihe geschaltet sind, um eine entsprechende Mehrzahl von diskreten Batterien zu laden, und eine Steuerung (300); wobei jede einzelne der Batterie-Ladesektionen erste und zweite Zweige aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei der erste parallele Zweig einen elektronisch steuerbaren Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) einschließt, und wobei der zweite parallele Zweig positive und negative Anschlusse um jeweils die positiven und negativen Anschlüsse einer Batterie (412, 422, 432, 442) zu empfangen und eine Ein-Weg-Elektronikeinrichtung (411, 421, 431, 441) in Reihe geschaltet aufweist; wobei jeder der Umgehungs-Schalter eine sehr niedrige Impedanz aufweist, wenn er eingeschaltet ist, und eine sehr hohe Impedanz aufweist, wenn er ausgeschaltet ist, wobei jede der Ein-Weg-Elektonikeinrichtungen (411, 421, 431, 441) eine sehr niedrige Impedanz für einen Batterie-Ladestrom hat, welcher von der Stromquelle in den positiven Batterieanschluss fließt, und die Ein-Weg-Elektronikeinrichtung eine sehr hohe Impedanz hat, wenn der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) eingeschaltet ist, wobei die Steuerung (300) dazu dient, zumindest einen Parameter einer Batterie, die geladen wird, zu überwachen und dazu dient, einen der Umgehungs-Schalter zu aktivieren, indem eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über den ersten parallelen Zweig der Batterie-Ladesektion gebildet wird, wenn einer oder mehrere der Batterieparameter der Batterie-Ladesektion einen vorgegebene Bedingung erfüllt, wobei die Batterie parameter Spannung bei offener Schaltung, Spannung bei geschlossener Schaltung und die Temperatur der Batterie einschließen; gekennzeichnet durch: eine Batterie kann in eine Batterie-Ladesektion eingesetzt oder daraus entfernt werden, während ein Batterie-Ladeprozess stattfindet, und die Batterieparameter schleißen außerdem die Detektion des Typs und Anwesenheit einer Batterie mit ein.
  2. Batterielader nach Anspruch 1, wobei der Batterielader außerdem Batterie-Aufnahmen aufweist und wobei eine Batterie in eine Batterie-Aufnahme eingesetzt oder daraus entfernt werden kann, während ein Batterie-Ladeprozess abläuft.
  3. Batterielader nach Anspruch 2, wobei jede Ladesektion (410, 420, 430, 440) mit Aufnahmen für ein alternatives Laden einer AA oder einer AAA Batterie ausgestattet ist.
  4. Batterielader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) aktiviert wird, um eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über eine der Batterie-Ladesektionen zu bilden, wenn Entfernung einer Batterie von der Batterie-Ladesektion des Batterieladers detektiert wird.
  5. Batterielader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) aktiviert wird, um eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über eine der Batterie-Ladesektionen zu bilden, wenn Überhitzung einer Batterie von der Batterie-Ladesektion des Batterieladers detektiert wird.
  6. Batterielader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) aktiviert wird, um eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über eine der Batterie-Ladesektionen zu bilden, wenn eine defekte Batterie in der Batterie-Ladesektion des Batterieladers detektiert wird.
  7. Batterielader nach einer der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) aktiviert wird, um eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über eine der Batterie-Ladesektionen zu bilden, wenn eine vollgeladene Batterie in der Batterie-Ladesektion des Batterieladers detektiert wird.
  8. Batterielader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungs-Schalter (413, 423, 433, 443) wiederholt aktiviert wird, um eine Niedrig-Impedanz-Schaltung über eine der Batterie-Ladesektionen für Batteriespannungsmessungen bei offener Schaltung zu bilden.
  9. Batterielader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Batterielader eine Konstantstromquelle aufweist.
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