PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19911098A1 09.12.1999
Titel Spannungsabschätzschaltung und damit ausgerüstete Batteriezellenpackung
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Amano, Nobutaka, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 12.03.1999
DE-Aktenzeichen 19911098
Offenlegungstag 09.12.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.12.1999
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse G05F 3/16   H02J 7/00   G01R 31/36   
IPC additional class // H03F 1/30  
Zusammenfassung Beschrieben wird eine Spannungsbeurteilungsschaltung mit einer oder mehreren Dioden (D1 bis Dn), die in Vorwärtsrichtung einer Beurteilungsspannung eingefügt sind, einem Stromextraktionsabschnitt (CM1) zum Extrahieren eines Vorwärtsstroms der Dioden (D1 bis Dn), und einem Vergleichsabschnitt (CM2) zum Vergleichen eines Ausgangsstroms (Io) des Extraktionsabschnitts (CM1) mit dem Wert eines bestimmten Stroms (Ir) zur Eingabe des Vergleichsergebnisses. Bei der Spannungsbeurteilungsschaltung der vorliegenden Erfindung kann das Entladen nach dem Laden verhindert werden und eine Spannungsbeurteilung unter Einsatz eines kleinen Verbrauchsstroms mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Ein Batteriezellenpaket (41) mit den oben genannten Spannungsbeurteilungsschaltungen führt eine ähnliche Beurteilung durch.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG (a) Feld der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsabschätzschaltung und eine damit ausgerüstete Batteriezellenpackung, und insbesondere eine Spannungsabschätzschaltung, die in einer Batterie geeignet eingesetzt werden kann, und ein damit ausgerüstetes Batteriepaket.

(b) Beschreibung der bekannten Technik

Mit dem Populärwerden des Mobiltelefons und tragbarer Anschlüsse steigt die Nachfrage zur Realisierung einer Kompaktzelle vom Batterietyp. Eine Lithiumionen-Batteriezelle ist als Kompaktzelle bekannt. Beispielsweise ist ein Batteriezellenpaket erhältlich, das eine Anzahl von Lithiumionen-Batteriezellen aufweist, die zur Ausgabe einer gewünschten Spannung in Reihe geschaltet sind.

Die Batteriezelle in der Lithiumbatteriezelle kann durch übermäßiges Laden zerstört werden und ein solches übermäßiges Laden muß verhindert werden. Nachdem die Spannungen der einzelnen Lithiumzellen in dem Lithiumbatteriezellenpaket eine bestimmte Ladespannung erreicht haben, wird das Gesamtladen beendet, um übermäßiges Laden zu verhindern. Zu diesem Zweck existieren in jeder der Batteriezellen Spannungsbeurteilungsschaltungen zum Beurteilen der Anschlußspannungen der Batteriezellen.

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine konventionelle Spannungsbeurteilungsschaltung für eine Batterie. Die Spannungsbeurteilungsschaltung hat einen Differenzverstärker OP1, an den die zu beurteilende Spannung Vin (im folgenden als "Beurteilungsspannung" bezeichnet) anliegt, und einen Vergleicher CMP1 zum Vergleich der Ausgabe des Differenzverstärkers OP1 mit einer Bezugsspannung Vref. Die Beurteilungsspannung Vin wird dem invertierenden Eingang (-) und dem nichtinvertierenden Eingang (+) über Widerstände R1 und R3 eingegeben, und die Ausgabe des Differenzverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R2 mittels negativer Rückkopplung zum invertierenden Eingang (-) zurückgeführt. Der nichtinvertierende Eingang (+) ist über einen Widerstand R4 geerdet.

Nachdem der Spannungswert der Beurteilungsspannung Vin in dem Differenzverstärker OP1 in einem speziellen Verhältnis gewandelt ist, wird sie mit der Bezugsspannung Vref im Vergleicher CMP1 verglichen. Wenn der gewandelte Spannungswert die Bezugsspannung Vref erreicht, wird die Ausgabe (out) des Komparators CMP1 invertiert. Wenn die Ausgabe einer der Spannungsbeurteilungsschaltungen während des Ladens in dem Lithiumbatteriezellenpaket zu "L" wird, wird das Laden beendet.

Da bei der oben beschrieben bekannten Spannungsbeurteilungsschaltung der nichtinvertierende Anschluß des Differenzverstärkers über den Widerstand R4 geerdet ist und Spannungsdifferenzen zwischen dem nichtinvertierenden Anschluß und jedem der negativen Anschlüsse der jeweiligen Zellen vorhanden sind, fließt fortgesetzt Strom. Aus diesem Grund hat die Spannungsbeurteilungsschaltung einen großen Stromverbrauch. Um den Verbrauchsstrom in dem bekannten Verfahren zu einem Mikroampere oder geringer zu machen, sind mehrere Widerständen von 10 MOhm (R1 bis R4) erforderlich, und die Aufnahme dieser Widerstände in einer integrierten Schaltung ist nicht möglich.

Um die Genauigkeit der Spannungsbeurteilung zu vergrößern, ist eine hohe Genauigkeit der Widerstandswerte der jeweiligen Widerstände R1 bis R4 erforderlich. Obwohl Widerstandswerte mit hoher Genauigkeit erhalten werden, wenn die jeweiligen Widerstände separat zusätzlich zu den integrierten Schaltungen, die die Spannungsbeurteilungsschaltung bilden, vorgesehen sind, wird die Schaltungsauslegung größer und die Kosten steigen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Spannungsbeurteilungsschaltung zu schaffen, die eine Spannungsbeurteilung mit hoher Genauigkeit ohne Vergrößerung der Schaltungsauslegung durchgeführen kann, und ein Batteriezellenpaket mit der Spannungsbeurteilungsschaltung, die den Verbrauch der Batteriezellen unterdrückt.

Die Erfindung schafft eine Spannungsbeurteilungsschaltung mit einer oder mehreren Dioden, die in Vorwärtsrichtung einer zu beurteilenden Spannung geschaltet sind, einem Stromextraktionsabschnitt zum Extrahieren eines Vorwärtsstroms der Dioden, einem Vergleichsabschnitt zum Vergleichen eines Ausgangsstroms von dem Stromextraktionsabschnitt gegen einen bestimmten Strom und einem Ausgabeabschnitt zum Ausgeben eines Steuersignals basierend auf dem Vergleichsergebnis.

Die Beurteilung, ob die Beurteilungsspannung eine bestimmte Spannung erreicht oder nicht, kann durchgeführt werden, nachdem die Beurteilungsspannung in den Vorwärtsrichtungsstrom der Diode gewandelt ist, der dann mit einem bestimmten Bezugsstrom verglichen wird. Da die Wandlungseffizienz zwischen dem Vorwärtsrichtungsstrom und der Vorwärtsrichtungsspannung der Dioden in diesem Fall hoch ist, ist eine Spannungsbeurteilung mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Da der Vorwärtsrichtungsstrom bei der bestimmten Spannung oder weniger als extrem klein aufgestellt werden kann, kann der für die Beurteilung erforderliche Verbrauchsstrom ebenfalls klein gestaltet werden.

Die Erfindung liefert ferner ein Batteriezellenpaket mit einer Anzahl von Batterien, die in Reihe geschaltet sind, und einer Anzahl der oben beschriebenen Spannungsbeurteilungsschaltungen, die entsprechend den jeweiligen Batterien angeordnet sind.

Da der für die Messung einer Ladespannung erforderliche Vebrauchsstrom bei dem Batteriezellenpaket der Erfindung klein ist, kann eine Erschöpfung der Batteriezellen unterdrückt werden. Der Schaltungsmaßstab der Beurteilungsschaltung, das heißt der Gesamtmaßstab des Batteriezellenpakets kann kleiner ausgestaltet werden, da die Dioden, der Extraktionsabschnitt und der Vergleichsabschnitt mit hoher Genauigkeit in einer integrierten Schaltung installiert werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine bekannte Spannungsbeurteilungsschaltung für eine Batterie.

Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungsbeurteilungsschaltung gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist ein Graph zum Suchen eines Bezugsstroms.

Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungsbeurteilungsschaltung der Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt ein Batteriezellenpaket in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG

Nunmehr wird die vorliegende Erfindung im einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungsbeurteilungsschaltung gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels hat "n-1" Dioden D1 bis Dn-1, die in Reihe in der Vorwärtsrichtung einer Beurteilungsspannung eingefügt geschaltet sind, eine erste Stromspiegelschaltung CM1 zum Extrahieren eines Vorwärtsrichtungsstroms der Dioden und eine zweite Stromspiegelschaltung CM2 zum Erhalten und Extrahieren eines Bezugsstroms.

Jede der Dioden D1 bis Dn-1 ist durch einen diodengeschalteten PNP-Transistor gebildet, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Die erste Stromspiegelschaltung CM1 umfaßt einen diodengeschalteten ersten PNP-Transistor Tr1 einer Bezugsseite, dessen Stromweg in Reihe mit den Dioden D1 bis Dn-1 geschaltet ist, und einen zweiten PNP- Transistor Tr2 der Ausgangsseite, dessen Basis mit der gemeinsam verbundenen Basis und dem Koinlektor des ersten PNP- Transistors verbunden ist. Jede der "n-1" Dioden D1 bis Dn-1 und der diodengeschaltete erste PNP-Transistor-Tr1 der ersten Stromspiegelschaltung CM1 haben dieselbe Struktur und dieselbe Struktur. Die Stromcharakteristik der Dioden D1 bis Dn ist entsprechend der Größe der Beurteilungsspannung ausgelegt.

Die zweite Stromspiegelschaltung CM2 hat einen diodengeschalteten ersten NPN-Transistor Tr3 der Bezugsseite mit einem Widerstand R5, der in Reihe geschaltet ist, um einen Bezugsstrom zu erhalten, und einen zweiten NPN-Transistor Tr4 der Ausgangsseite, dessen Basis mit der gemeinsam verbundenen Basis und dem Kollektor des NPN-Transistors Tr3 verbunden ist. Der Widerstand R5 ist, um einen Hochwiderstandswert mit hoher Genauigkeit zu erhalten, als ein extern mit der integrierten Schaltung, die die Spannungsbeurteilungsschaltung bildet, verbundener Widerstand ausgeführt. Das Stromverhältnis zwischen der Bezugsseite und der Ausgangsseite der jeweiligen Stromspiegelschaltungen CM1 und CM2 dieses Ausführungsbeispiels ist 1 : 1.

Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels arbeitet wie folgt: Die Beurteilungsspannung Vin wird an die "n" Dioden D1 bis Dn, die in Reihe geschaltet sind, in Vorwärtsrichtung angelegt und die beurteilte Ausgabe wird von einem Verbindungsknoten zwischen den Kollektoren des zweiten PNP-Transistors Tr2 und des zweiten NPN- Transistors Tr4 abgenommen. Die Beurteilungsspannung Vin wird in einen Vorwärtsrichtungsstrom Io durch die "n" Dioden, die in Reihe geschaltet sind, gewandelt und dieser Strom Io wird in der ersten Stromspiegelschaltung CM1 als Kollektorstrom des zweiten PNP-Transistors Tr2 extrahiert. Andererseits wird der durch den Widerstand R5 definierte Bezugsstrom Ir ebenfalls in der zweiten Stromspiegeinschaltung CM2 als Kollektorstrom des zweiten NPN-Transistors Tr4 extrahiert.

Wenn die Beurteilungsspannung Vin kleiner ist als die bestimmte Spannung Vref, ist der Vorwärtsrichtungsstrom Io kleiner als der Bezugsstrom Ir und das Potential eines Ausgangsanschlusses (OUT) wird zu einem geerdeten Niederseitenpotential. Das bedeutet, "L" wird vom Ausgangsanschluß (OUT) ausgegeben. Wenn die Beurteilungsspannung Vin höher wird als die bestimmte Spannung Vref, wird der Vorwärtsrichtungsstrom Io größer als der Bezugsstrom Ir, so daß das Potential des Ausgangsanschlusses (OUT) zu dem höherseitigen Potential Vcc wird. Das bedeutet, "H" wird von dem Ausgangsanschluß (OUT) ausgegeben.

Die Stromcharakteristika der jeweiligen Dioden D1 bis Dn werden durch eine bestimmte Beurteilungsspannung VT bestimmt, durch die Anzahl der Dioden, die in Reihe geschaltet sind, und die Beziehung zum Vergleichsstrom Ir. Der Vorwärtsrichtungsspannungsabfall VF der jeweiligen Dioden ist gegeben durch VF=VT/n, und VF kann durch die Gleichung VF=(kT/q) ln(Ir/Is) berechnet werden. In dieser Gleichung ist Ir der Bezugsstrom, Is ist ein Rückwärtssättigungstrom, k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die absolute Temperatur und q ist die elektrische Ladung, 1,6 × 10-19 Coulomb.

Im Fall von T=300K (27°C) ist kT/q=0,0259 V. Der Bezugsstrom wird durch die Auswahl des Widerstandes R5 bestimmt und, wenn beispielsweise der Widerstand R5 4MOhm beträgt und die Versorgungsspannung Vcc 4V+VBE beträgt, wird der Bezugsstrom zu einem Mikroampere. Wenn die Beurteilungsspannung VT 4,2 V ist und "n" 7 beträgt, ist VF=0,6 V. In diesem Fall kann der Rückwärtssättigungsstrom zu 8,7 × 10-17 A ausgelegt werden. Der Rückwärtssättigungsstrom Is eines Transistors wird durch Ändern der Emittergröße während der Herstellung einer integrierten Schaltung willkürlich eingestellt.

Fig. 3 ist ein Graph und zeigt die Beziehung zwischen dem Bezugsstrom Ir, der für das Erzielen einer erwünschten Beurteilungsspannung VT erforderlich ist, und der Anzahl der Dioden "n", die in Reihe geschaltet sind. Wenn die Skalierung des Bezugsstroms logarithmisch dargestellt ist, wird die dort dargestellte lineare Beziehung erhalten. Eine Größenordnung der Änderung von Ir ändert die Beurteilungsspannung um etwa 60 mV. Der Widerstand R5 ist durch den da mit bestimmten Ir gegeben.

Ein großer Strom fließt nicht in den Dioden bis die Vorwärtsrichtungsspannung der Dioden eine bestimmte Spannung in der Spannungsbeurteilungsschaltung des obigen Ausführungsbeispiels erreicht. Da kein geerdeter Abschnitt in der Spannungsbeurteilungsschaltung existiert, fließt kein Zirkulationsstrom zwischen dem Anschluß und Masse, was eine Verminderung des Verbrauchsstroms im Vergleich mit einer konventionellen Schaltung erlaubt, selbst wenn die Seite des niedrigeren Potentials für die Beurteilung einer Anschlußspannung bei einer bestimmten Spannung in dem Batteriezellenpaket eingesetzt wird. Da des weiteren der Rückwärtssättigungsstrom des Transistors mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann, kann eine exakte Vorwärtsrichtungsspannung der Diode erhalten werden, so daß die Spannungsbeurteilung mit der hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann. Da der einzige extern anzuschließende Widerstand, der einen Widerstandswert mit hoher Genauigkeit haben muß, lediglich der Widerstand R5 ist, kann die Schaltungsauslegung kleiner sein.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt eine Spannungsbeurteilungsschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels. Die Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß NPN-Transistoren als die Dioden D1 bis Dn und als die erste Stromspiegelschaltung CM1 eingesetzt werden, daß eine dritte Stromspiegelschaltung CM3 zwischen der ersten Stromspiegeinschaltung CM1 und der zweiten Stromspiegelschaltung CM2 ausgebildet ist und daß ein Ausgangsanschluß (OUT) an einem Verbindungsknoten zwischen dem ausgangsseitigen Transistor Tr8 der dritten Stromspiegelschaltung CM3 und des ausgangsseitigen Transistors Tr4 der zweiten Stromspiegelschaltung CM3 ausgebildet ist.

Da im Fall des Einsatzes eine Anzahl von Spannungsbeurteilungsschaltungen die jeweiligen "H"-Pegeln der Ausgänge jeder Spannungsbeurteilungsschaltung durch Bilden der Dioden D1 bis Dn durch die NPN-Transistoren in der Spannungsbeurteilungsschaltung dieses Ausführungsbeispiels auf dasselbe hohe Potential Vcc gebracht werden können, kann der Aufbau einer Schaltung einer nächsten Stufe einfacher sein.

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt ein Batteriezellenpaket in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel mit den Spannungsbeurteilungsschaltungen der obigen Ausführungsbeispiele.

Ein Batteriezellenpaket 41 hat eine Stromversorgung, die durch vier Lithiumbatteriezellen E1 bis E4 gebildet ist, die in Reihe geschaltet sind und eine Anschlußspannung von 4 V aufweisen. Das Batteriezellenpaket 41 umfaßt ferner vier Spannungsbeurteilungsschaltungen DT1 bis DT4, die entsprechend den jeweiligen Batteriezellen E1 bis E4 angeordnet sind, um zu beurteilen, ob die Anschlußspannungen der Batteriezellen eine bestimmte Spannung erreichen oder nicht, und ein UND-Gatter AND1 für die jeweiligen Spannungsbeurteilungsschaltungen DT1 bis DT4.

Da die Ausgänge der jeweiligen Spannungsbeurteilungsschaltungen DT1 bis DT4 im Normalzustand auf "H" sind, ist der Ausgang des UND-Gatters AND1 auf "H". Wenn die Anschlußspannungen der Lithiumbatteriezellen mit dem Voranschreiten des Ladens ansteigen und eine der Anschlußspannungen größer wird als die bestimmte Spannung, wird die Ausgabe der entsprechenden Spannungsbeurteilungsschaltungen zu "L", und die Ausgabe des UND-Gatters wird ebenfalls zu "L". Dieses Signal "L" beendet das Laden des Batteriezellenpakets mittels der Ladeschaltungen.

Da die obigen Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt und verschiedene Modifikationen oder Änderungen können in einfacher Weise durch Fachleute durchgeführt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. 1. Spannungsbeurteilungsschaltung, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Dioden (D1 bis Dn), die in Vorwärtsrichtung einer zu beurteilenden Spannung geschaltet sind, einen Extraktionsabschnitt zum Extrahieren eines Vorwärtsstroms der Dioden (D1 bis Dn), einen Vergleichsabschnitt zum Vergleichen eines Ausgangsstroms von dem Stromextraktionsabschnitt gegen einen bestimmten Strom (Io) und einen Ausgabeabschnitt zum Ausgeben eines Steuersignals basierend auf dem Vergleichsergebnis.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch in, wobei der Stromextraktionsabschnitt eine erste Stromspiegeinschaltung (CM1) mit einem ersten Transistor (Tr1) auf einer Bezugsseite aufweist, der in Reihe mit den Dioden (D1 bis Dn) geschaltet ist, wobei ein zweiter Transistor (Tr2) eine Ausgangsseite ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch in, wobei der Vergleichsabschnitt eine zweite Stromspiegeinschaltung (CM2) mit einem Transistor (Tr3) auf einer Bezugsseite aufweist und mit einem vierten Transistor (Tr4) auf einer Ausgangsseite, der in Reihe mit dem zweiten Transistor (Tr2) geschaltet ist.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch in, wobei die Diode (D1 bis Dn) durch einen Transistor gebildet ist, der dieselbe Struktur wie der erste Transistor (Tr1) aufweist.
  5. 5. Batteriezellenpaket (41) mit einer Anzahl von Batterien (E1 bis E4), die in Reihe geschaltet sind, und einer Anzahl von Spannungsbeurteilungsschaltungen nach Anspruch in, die entsprechend den jeweiligen Batterien (E1 bis E4) angeordnet sind, zum Beurteilen der Anschlußspannungen der Batterien.
  6. 6. Batteriezellenpaket nach Anspruch 5, wobei eine Anzahl der Spannungsbeurteilungsschaltungen auf einem Chip montiert sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com