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Gebiet der
Erfindung
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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.
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gegenstand
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein serieller Batterielader wie in den angehängten Ansprüchen definiert
bereitgestellt.
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Vorzugsweise
ist die elektronische Einwegevorrichtung bzw. die Ein-Weg-Elektronikeinrichtung eine
Diode.
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Vorzugsweise
ist der Umgehungsschalter ein Feldeffekttransistor ("FET"), einschließlich eines MOSFET.
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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.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in weiterem Detail beispielhalber
und mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen erklärt.
In diesen gilt:
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1 ist
ein allgemeines Blockschaltdiagramm des seriellen Batterieladers
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein spezielles Beispiel der Komponenten,
die in jeder der seriellen Ladesektionen verwendet werden, zeigt.
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3 ist
ein allgemeines Schaltdiagramm, das mehrere Verbindungseinzelheiten
des seriellen Batterieladers der 1 und 2 zeigt,
und
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4 ist
ein allgemeines Schaltdiagramm, das eine detailliertere Hardware-Verbindung
einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden schnellen seriellen Batterieladers zeigt.
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Detaillierte
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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.