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Dokumentenidentifikation DE69229580T2 20.01.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0512340
Titel Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie
Anmelder Sony Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Sanpei, Akira, Sony Energytec Inc., Koriyama, Fukushima-ken, JP;
Murano, Kanji, Shinagawa-ku, Tokyo, JP
Vertreter Patentanwälte MÜLLER & HOFFMANN, 81667 München
DE-Aktenzeichen 69229580
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 24.04.1992
EP-Aktenzeichen 921070678
EP-Offenlegungsdatum 11.11.1992
EP date of grant 14.07.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.01.2000
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse H01M 10/48   H02J 7/00   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung zum Verhindern eines Überladens oder Tiefentladens einer Batterie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung ist aus DE-A-35 33 437 bekannt.

In Fig. 7 ist der Aufbau einer Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, z. B. einer Lithiumionen-Sekundärbatterie, dargestellt. In Fig. 7 bezeichnet die Bezugszahl 1 allgemein eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, die LiCoO&sub2; als aktives Material 4 einer positiven Elektrode 2 sowie Kohlenstoff mit Graphitstruktur als aktives Material 6 einer negativen Elektrode 3 verwendet. Das aktive Material 4 der positiven Elektrode 2 wird durch einen Stromsammler 5 aus Al gehalten, und das aktive Material 6 der negativen Elektrode 3 wird durch einen Stromsammler 7 aus Cu gehalten. Die aktiven Materialien 4 und 6 stehen einander gegenüber, wobei eine Trenneinrichtung 8 dazwischen eingefügt ist. Zwischen die aktiven Materialien 4 und 6 ist ein organischer Elektrolyt 9 eingefüllt. Die Spannungsreaktion der Lithiumionen-Sekundärbatterie 1 ist durch die folgende Formel 1 ausgedrückt:

LiCoO&sub2; + C → Li&sub1;-xCoO&sub2; + LixC Lil-x+dxCoO&sub2; + Lix-dxc (1)

Wie es in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, besteht hinsichtlich der Lade- und Entladeeigenschaften der Batterie 1 eine auffällige Korrelation zwischen der Batteriekapazität, d. h. der Lade- und Entladeenergie, und der Anschlussspannung der Batterie (die als Batteriespannung bezeichnet wird). Eine durchgezogene Linie I in Fig. 8 entspricht einem Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Batteriespannung und der Ladeenergie veranschaulicht. Aus Fig. 8 ist erkennbar, dass die Batteriespannung mit ansteigender Ladeenergie zunimmt.

Eine durchgezogene Linie II in Fig. 9 entspricht einem Kurvenverlauf, der die Beziehung zwischen der Batteriespannung und der Entladeenergie veranschaulicht. Aus Fig. 9 ist erkennbar, dass die Batteriespannung mit ansteigender Entladungsenergie abnimmt.

Die Batterie 1 verfügt über eine Designspannung a (siehe Fig. 8), die durch das Material einer Batteriekomponente und die Batteriekonstruktion bestimmt ist. Das Laden der Batterie 1 über die Designspannung a hinaus wird als Überladen bezeichnet. Das Überladen führt zu folgenden Problemen: (1) Abscheiden von Li-Metall auf der negativen Elektrode 3; (2) Zersetzung des aktiven Materials 4 der positiven Elektrode 2 und Abscheidung von Co-Metall oder Co-Verbindungen auf der negativen Elektrode 3 aufgrund von Kobaltionen, wie sie durch Zersetzung des aktiven Materials 4 erzeugt werden; und (3) Zersetzung des organischen Elektrolyten 9. Die Zersetzung des Li-Metalls, des Co-Metalls und der Co-Verbindungen bewirken einen Kurzschluss der positiven und negativen Elektrode, und die Zersetzung des aktiven Materials 4 der positiven Elektrode 2 sowie des organischen Elektrolyten 9 bewirken eine beachtliche Beeinträchtigung der Batterie 1. Demgemäß kann kein zuverlässiger Betrieb der Batterie gewährleistet werden, wenn Überladung nicht im Wesentlichen vermieden wird.

Beim Entladen der geladenen Batterie 1 dadurch, dass diese mit einer äußeren Last verbunden wird, fällt die Batteriespannung, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Wenn der Entladevorgang fortgesetzt wird, erreicht die Batteriespannung eine Auflösungsspannung b des Stromsammlers (Cu) 7 der negativen Elektrode 3. Ein Entladen der Batterie 1, nachdem die Auflösungsspannung b erreicht ist, wird als Tiefentladung bezeichnet. Tiefentladung bewirkt in natürlicher Weise eine Ionisierung des Kupfers (Cu) des Stromsammlers 7, und Kupferionen gegen im Elektrolyt 9 in Lösung. Das In-Lösung- Gehen des Metalls des Stromsammlers 7 bewirkt eine Beeinträchtigung der Stromsammelfunktion und ein Abfallen des aktiven Materials 6 der negativen Elektrode 3, was das Speichervermögen der Batterie 1 verringert. Ferner werden die so in Lösung gegangenen Kupferionen in anomaler Weise an der negativen Elektrode 3 abgeschieden, wenn der nächste Ladevorgang ausgeführt wird, was zu einem Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Elektrode führt. Demgemäß muss auch Tiefentladung vermieden werden.

Herkömmlicherweise wurden die folgenden Techniken vorgeschlagen, um das Überladen und Tiefentladen zu meistern. Als Maßnahmen gegen Überladung wurden die folgenden vorgeschlagen: (1) Steuerung der Ladespannung durch eine Ladeeinrichtung und (2) eine Stromunterbrechungseinrichtung unter Verwendung des Batterieinnendrucks.

Die obige Maßnahme (1) gegen Überladung durch die Ladeeinrichtung besteht darin, die Ladeanschlussspannung der Batterie beim Ladevorgang zu steuern. Diese Maßnahme ist im Fall einer Batterieeinheit oder parallelgeschalteter Batterieeinheiten ausreichend wirkungsvoll. Jedoch werden Batterien häufig in Reihenschaltung verwendet. In diesem Fall kann die Anschlussspannung der in Reihe geschalteten Batterien gesteuert werden, jedoch kann die Batteriespannung jeder Batterieeinheit nicht gesteuert werden. Demgemäß werden, wenn mindestens eine der in Reihe geschalteten Batterieeinheiten kurzgeschlossen ist, die anderen Batterieeinheiten beim Laden überladen. Demgemäß ist dieses Verfahren keine perfekte Maßnahme gegen Überladen.

Hinsichtlich der als obige Maßnahme (2) genannten Stromunterbrechungseinrichtung ist es bekannt, einen Anstieg des Batterieinnendrucks beim Überladen zu nutzen, um dadurch einen Stromführungsdraht mechanisch zu unterbrechen, um den Ladestrom zu unterbrechen. Dieses Verfahren soll das Überladen selbst nicht unterbrechen, sondern eine Zerstörung der Batterie durch einen anomalen Anstieg der Temperatur und des Innendrucks der Batterie beim Fortschreiten des Überladevorgangs verhindern. Darüber hinaus kann die Batterie nicht mehr verwendet werden, wenn der Ladestrom einmal unterbrochen wurde.

Als Maßnahme gegen Tiefentladung ist es bekannt, das Metall des Stromsammlers der negativen Elektrode so auszuwählen, dass die Auflösespannung nahe bei einer Batteriespannung null liegt. Wenn z. B. Cu durch Ni ersetzt wird, wird dieser Effekt beobachtet, jedoch ist er nicht vollkommen. Im Fall von in Reihe geschalteten Batterien schreitet die Tiefentladung einer der Batterien notwendigerweise fort, da eine Differenz zwischen den einzelnen Batterieeinheiten besteht, was zu einer beträchtlichen Verringerung der Lade- und Entlade-Zykluslebensdauer führt.

Die Spannungserfassungseinrichtung der aus dem Dokument US-A-4 910 103 bekannten Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung erfasst die Gesamtspannung der Batterien während eines Entladevorgangs und schaltet einen FET-Schalter ab, um den Entladestrom zu unterbrechen, wenn die Gesamtspannung einem ersten vorbestimmten Wert gleich wird oder kleiner als dieser wird. Ferner erfasst die Spannungserfassungseinrichtung der bekannten Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung während eines Ladevorgangs den Zeitpunkt, zu dem die Gesamtspannung einem zweiten vorbestimmten Wert entspricht oder größer als dieser wird, um dadurch den FET-Schalter abzuschal ten, um den Ladestrom zu unterbrechen.

Das Dokument US-A-4 622 508 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern, dass eine Batterie einer beliebigen Zelle einer mehrzelligen Batterie Spannungsumkehrabläufe erfährt, und zwar durch Trennen der Batterie von der Last, wenn die Batterie oder eine Zelle unter vorbestimmte Bezugspotentialpegel fällt. Es ist eine Einrichtung vorhanden, um die Potentialpegel zu vergleichen und die Last abzutrennen, wenn verringerte Potentialpegel erkannt werden. Wenn die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Batterien einem vorbestimmten Wert gleich wird, oder kleiner als dieser wird, wird der Entladestrom durch Abschalten eines Transistorschalters unterbrochen. Das Verfahren und die Vorrichtung, wie sie aus dem Dokument US-A-4 622 508 bekannt sind, behandeln keinen Ladebetrieb der Batterien.

Das Dokument DE-A-35 33 437, das eine Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, enthält einen einzelnen FET-Schalter in Reihe mit einer Batteriesäule, der mit dem Ladeanschluss und dem Entladeanschluss verbunden ist. Dieser FET-Schalter wird auf das Ausgangssignal einer beliebigen Spannungserfassungseinrichtung während des Ladens oder Entladens abgeschaltet. Im Dokument DE-A-35 33 437 ist angegeben, dass die zu Komparatorstufen führenden Anschlüsse während des Entladens ausgetauscht werden können oder das Ausgangssignal der Komparatoren durch eine zweite Steuerungsspannung geschlossen werden kann, die von einer Detektoreinheit erzeugt wird. Diese Detektoreinheit steuert auch die Bezugsströme für den Entladebetrieb. Jedoch offenbart das letztgenannte Dokument keine spezielle Einrichtung zum Ausführen dieser Funktionen der Detektoreinheit.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung zu schaffen, die das Überladen und Tiefentladen einer Batteriesäule, die in Reihe geschaltete Batterien enthält, vollkommen verhindern kann und Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterien gewährleisten kann.

Erfindungsgemäß ist eine Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung gemäß den im Anspruch angegebenen Merkmalen geschaffen.

Bei der erfindungsgemäßen Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung wird beim Laden der Batteriesäule die Batteriespannung jeder Batterie dauernd mittels der ersten und zweiten Spannungserfassungseinrichtung erfasst. Wenn die erfasste Batteriespannung beim Laden den vorbestimmten Wert oder die Designspannung überschreitet, wird der zweite FET-Schalter entsprechend dem Ausgangssignal der ersten und zweiten Spannungserfassungseinrichtung abgeschaltet, um dadurch den Ladestrom zu unterbrechen. Demgemäß kann ein Überladen der Batterie sicher verhindert werden. Ferner kann Wartbarkeit der Batterie gewährleistet werden.

Ferner wird beim Entladen der Batterie durch Anschließen derselben an eine externe Last die Anschlussspannung der gesamten Batteriesäule immer durch eine dritte Spannungserfassungseinrichtung erfasst. Wenn die erfasste Anschlussspannung dem vorbestimmten Wert oder der Sollspannung gleich wird, oder kleiner wird, wird der erste FET-Schalter entsprechend dem Ausgangssignal der dritten Spannungserfassungseinrichtung abgeschaltet, um dadurch den Entladestrom zu unterbrechen.

Dadurch kann ein Tiefentladen der Batterie sicher verhindert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Grundaufbaus zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung, wobei dieser Aufbau nicht zur Erfindung gehört.

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines in Fig. 2 dargestellten Spannungsdetektors.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Grundaufbaus zum weiteren Erläutern von Prinzipien der Erfindung, wobei dieser Aufbau nicht zur Erfindung gehört.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen eines Herstellprozesses (erste Stufe) einer Batteriesäule, bei der die Erfindung angewandt wird.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen des Herstellprozesses (zweite Stufe) in Fortsetzung zur Fig. 5.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Lithiumionen-Sekundärbatterie.

Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Ladeenergie und der Batteriespannung einer Lithiumionen-Sekundärbatterie veranschaulicht.

Fig. 9 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Entladeenergie und der Batteriespannung einer Lithiumionen-Sekundärbatterie veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die Erfindung nutzt die oben angegebene Korrelation zwischen der Batteriespannung und dem Batteriespeichervermögen (Lade- und Entladeenergie) einer Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Lösungsmittel. Z. B. wird immer die Anschlussspannung von in Reihe geschalteten Batterien erfasst, und wenn die erfasste Anschlussspannung eine Designspannung für die Batterien überschreitet, wird der Ladestrom durch eine elektronische Schaltung unterbrochen. Ferner wird durch diese elektronische Schaltung ein Entladestrom unterbrochen, wenn die erfasste Anschlussspannung einer Sollspannung für die Batterien gleich wird, oder kleiner wird. So können das Überladen und das Tiefentladen der Batterien wirkungsvoll verhindert werden, was für Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterien sorgt.

Nun werden Grundprinzipien und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Grundaufbau einer Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung, die aus einer Überladungsschutzvorrichtung und einer Tiefentladungsschutzvorrichtung besteht, die integriert sind, wobei dieser Grundaufbau nicht zur Erfindung gehört. Bei diesem Grundaufbau sind zwei in Reihe geschaltete Batterien verwendet.

Gemäß Fig. 1 umfasst die Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung einen gemeinsamen Anschluss 11, einen Entladeanschluss 12, einen Ladeanschluss 13 sowie zwei in Reihe geschaltete Batterien 14 (14A und 14B). Ein Ende (positiver Elektrodenanschluss) der in Reihe geschalteten Batterien 14 ist mit dem gemeinsamen Anschluss 11 verbunden, und das andere Ende (negativer Elektrodenanschluss) ist mit einer ersten Schalteinrichtung 15 zum Unterbrechen eines Entladestroms mit dem Entladeanschluss 12 verbunden, und es ist auch über eine zweite Schalteinrichtung 16 zum Unterbrechen eines Ladestroms mit dem Ladeanschluss 13 verbunden. Ein erster Spannungsdetektor 17 zum Erfassen der Batteriespannung der Batterie 14A ist zwischen entgegengesetzte Anschlüsse der Batterie 14A geschaltet, und ein zweiter Spannungsdetektor 18 zum Erfassen der Batteriespannung der Batterie 14B ist in ähnlicher Weise zwischen entgegengesetzte Anschlüsse der Batterie 14B geschaltet. Die Ausgänge des ersten und zweiten Spannungsdetektors 17 und 18 sind mit der zweiten Schalteinrichtung 16 verbunden. Der erste und der zweite Spannungsdetektor 17 und 18 sowie die zweite Schalteinrichtung 16 bilden die Überladungsschutzvorrichtung. Ferner ist ein dritter Spannungsdetektor 19 zum Erfassen der Batteriespannung der in Reihe geschalteten Batterien 14 zwischen entgegengesetzte Anschlüsse der in Reihe geschalteten Batterien 14 geschaltet, und der Ausgang des dritten Spannungsdetektors 19 ist mit der ersten Schalteinrichtung 15 verbunden. Der erste Spannungsdetektor 19 und die erste Schalteinrichtung 15 bilden die Tiefentladungsschutzvorrichtung.

Die Batterien 14A und 14B sind Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyt, wie Lithiumionen-Sekundärbatterien, wie oben angegeben. Es ist bevorzugt, dass die Spannungsdetektoren 17, 18 und 19 niedrigen Energieverbrauch und hohe Spannungserfassungsgenauigkeit aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die Schalteinrichtungen 15 und 16 bei großem Strom niedrigen Ein-Widerstand aufweisen.

Beim Laden der zwei in Reihe geschalteten Batterien 14A und 14B durch Verbinden des gemeinsamen Anschlusses 11 und des Ladeanschlusses 13 mit einer Ladespannungsquelle wird die zweite Schalteinrichtung 16 eingeschaltet, um den Ladevorgang auszuführen, während die Anschlussspannungen der Batterien 14A und 148 durch den ersten bzw. zweiten Spannungsdetektor 17 bzw. 18 einzeln erfasst werden. Wenn die Anschlussspannung mindestens einer der Batterien 14A und 14B, z. B. die Anschlussspannung der Batterie 14A eine Designspannung (siehe Fig. 8) überschreitet, wird die zweite Schalteinrichtung 16 entsprechend einem Ausgangssignal vom ersten Spannungsdetektor 17, das der Batterie 14A zugeordnet ist, abgeschaltet, um dadurch einen Ladestrom zu unterbrechen, um ein Überladen zu verhindern.

Beim Entladen der geladenen Batterien 14 durch Anschließen des gemeinsamen Anschlusses 11 und des Entladeanschlusses 12 an eine externe Last wird die erste Schalteinrichtung 15 eingeschaltet, um den Entladevorgang auszufüh ren, während die Anschlussspannung der in Reihe geschalteten Batterien 14 durch den dritten Spannungsdetektor 19 erfasst wird. Wenn die Anschlussspannung der Batterien 14 einer Sollspannung b (siehe Fig. 9) gleich wird, oder kleiner als diese wird, wobei diese als höherer Wert hinsichtlich einer Auflösungsspannung eines eine negative Elektrode der Batterien 14 bildenden Stromsammlermetall und einer Unterbrechungsspannung einer Ausrüstung als externer Last definiert ist, wird die erste Schalteinrichtung 15 entsprechend dem Ausgangssignal des dritten Spannungsdetektors 19 abgeschaltet, um dadurch einen Entladestrom zu unterbrechen, um Tiefentladung zu verhindern.

Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, deren Prinzipien durch den oben genannten Grundaufbau erläutert wurden.

Ein Ende (positiver Elektrodenanschluss) der in Reihe geschalteten Batterien (14A und 14B) ist mit dem gemeinsamen Anschluss (positiver Anschluss) 11 verbunden, und das andere Ende (negativer Elektrodenanschluss) ist über die erste Schalteinrichtung 15 in Form eines n-Kanal-FET und die zweite Schalteinrichtung 16 in Form eines n-Kanal-FET mit dem Ladeanschluss (negativer Anschluss) 13 verbunden. Ferner ist der mittlere Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten n-Kanal-FET 15 und 16 mit dem Entladeanschluss (negativer Anschluss (12) verbunden. D&sub1; und D&sub2; bezeichnen parasitäte Dioden.

Der gemeinsame Anschluss 11 ist über einen Widerstand R&sub4; mit dem Gate des zweiten n-Kanal-FET 16 verbunden. Ferner ist der gemeinsame Anschluss 11 über ein pnp-Transistor Q&sub3; sowie Widerstände R&sub5; und R&sub6; mit dem Ladeanschluss 13 verbunden. Ein pnp-Transistor Q&sub4; ist zwischen das Gate und die Source (die mit dem Ladeanschluss 13 verbunden ist) des zweiten n-Kanal-FET 16 geschaltet. Das Gate des npn-Transistors Q&sub4; ist mit dem mittleren Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R&sub5; und R&sub6; verbunden.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, besteht sowohl der erste als auch der zweite und dritte Spannungsdetektor 17, 18 und 19 aus einem Komparator 21 mit einem Ausgangsanschluss t&sub1;, einem Anschluss t&sub2; für eine positive Spannung und einem Anschluss t&sub3; für eine negative Spannung. An den negativen Eingangsanschluss des Komparators 21 ist eine Bezugsspannung V&sub2; angelegt. Zwischen den positiven Spannungsanschluss t&sub2; und den negativen Spannungsanschluss t&sub3; sind Widerstände R&sub1; und R&sub2; geschaltet. Eine Spannung V&sub1; am mittleren Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R&sub1; und R&sub2; ist an den posi tiven Eingangsanschluss des Komparators 21 gelegt. In diesem Spannungsdetektor 17 (18, 19), entspricht, bei V&sub1; < V&sub2;, die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; der Spannung Vt3 am negativen Spannungsanschluss t&sub3; (Vt1 = Vt3), während dann, wenn V&sub1; > V&sub2; gilt, die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; der Spannung Vt2 am positiven Spannungsanschluss t&sub2; entspricht (Vt1 = Vt2).

Im ersten und zweiten Spannungsdetektor 17 und 18 gilt, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen t&sub2; und t&sub3; der Designspannung (z. B. 4,3 V) der Batterieeinheiten 14A und 14B entspricht, oder kleiner ist, V&sub1; < V&sub2;, während dann, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen t&sub2; und t&sub3; die Designspannung überschreitet, V&sub1; > V&sub2; gilt. Andererseits gilt im dritten Spannungsdetektor 19, dann wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen t&sub2; und t&sub3; der Sollspannung (z. B. 4,3 V als Anschlussspannung im Fall von zwei in Reihe geschalteten Batterien) entspricht, oder kleiner ist, V&sub1; > V&sub2;, während dann, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen t&sub2; und t&sub3; größer als die Sollspannung ist, V&sub1; < V&sub2; gilt.

Der Ausgangsanschluss t&sub1; des dritten Spannungsdetektors 19 zum Erfassen einer Entladespannung ist mit dem Gate des ersten n-Kanal-FET 15 als erster Schalteinrichtung verbunden. Der positive Spannungsanschluss t&sub2; des dritten Spannungsdetektors 19 ist mit dem gemeinsamen Anschluss 19, d. h. einem Ende (positiver Elektrodenanschluss) der Batterien 14 verbunden. Der negative Spannungsanschluss t&sub3; des dritten Spannungsdetektors 19 ist mit dem anderen Ende (negativer Elektrodenanschluss) der Batterien 14 verbunden. Ferner ist der positive Spannungsanschluss t&sub2; des ersten Spannungsdetektors 17 zum Erfassen der Anschlussspannung der Batterie 14A mit dem positiven Elektrodenanschluss der Batterie 14A verbunden. Der negative Spannungsanschluss t&sub3; des ersten Spannungsdetektors 17 ist mit dem negativen Elektrodenanschluss der Batterie 14A verbunden. Der Ausgangsanschluss t&sub1; des ersten Spannungsdetektors 17 ist über einen Widerstand R&sub7; mit der Basis eines npn-Transistors Q&sub1; verbunden, der eine Schaltstufe bildet. Der Emitter des Transistors Q&sub1; ist mit dem negativen Spannungsanschluss t&sub3; des ersten Spannungsdetektors 17 verbunden, und der Kollektor des Transistors Q&sub1; ist über einen Widerstand R&sub9; und eine Diode D&sub3; mit der Basis des pnp-Transistors Q&sub3; verbunden. Ferner dient der positive Spannungsanschluss t&sub2; des zweiten Spannungsdetektors 18 zum Erfassen der Anschlussspannung der Batterie 14B (d. h. am mittleren Verbindungspunkt zwischen den Batterien 14A und 14B). Der negative Spannungsanschluss des zweiten Spannungsdetektors 18 ist mit dem negativen Elektrodenanschluss der Batterie 14B verbunden. Der Ausgangsan schluss t&sub1; des zweiten Spannungsdetektors 18 ist über einen Widerstand R&sub8; mit der Basis eines npn-Transistors Q&sub2; verbunden, der eine Schaltstufe bildet. Der Emitter des Transistors Q&sub2; ist mit dem negativen Spannungsanschluss t&sub3; des zweiten Spannungsdetektors 18 verbunden, und der Kollektor des Transistors Q&sub2; ist über einen Widerstand R&sub1;&sub0; und eine Diode D&sub4; mit der Basis des pnp-Transistors Q&sub3; verbunden. Ferner ist ein Widerstand R&sub1;&sub1; zwischen die Basis und den Emitter des pnp-Transistors Q&sub3; geschaltet.

Nun wird die Funktion der in Fig. 2 dargestellten Schaltung beschrieben. Als erstes wird der Fall des Ladens der in Reihe geschalteten Batterien 14 durch Anschließen des gemeinsamen Anschlusses 11 und des Ladeanschlusses 13 an eine Ladespannungsquelle beschrieben. Im Anfangsstadium des Ladevorgangs gilt im ersten und zweiten Spannungsdetektor 17 und 18 V&sub1; < V&sub2;, und demgemäß entspricht die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; der Spannung Vt3 am negativen Spannungsanschluss t&sub3;. Daher befinden sich beide Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; im abgeschalteten Zustand. Dagegen befindet sich der erste n-Kanal- FET 15 im eingeschalteten Zustand. Demgemäß wird eine positive Spannung über den gemeinsamen Anschluss 11 an das Gate des zweiten n-Kanal-FET 16 gelegt, um diesen einzuschalten, so dass vom gemeinsamen Anschluss 11 über die Batterien 14A und 14B, den ersten n-Kanal-FET 15 und den zweiten n- Kanal-FET 16 ein Ladestrom zum Ladeanschluss 13 fließt, wodurch die Batterien 14A und 14B geladen werden.

Wenn im Verlauf des Ladevorgangs die Ladespannung an mindestens einer der Batterien 14A und 148, z. B. die Ladespannung an der Batterie 14A die Designspannung a überschreitet, gilt im ersten Spannungsdetektor 17 V&sub1; > V&sub2;, und demgemäß wird die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; der Spannung Vt2 am positiven Spannungsanschluss t&sub2; gleich, wodurch eine positive Spannung an die Basis des Transistors Q&sub1; angelegt wird, um diesen einzuschalten. Wenn der Transistor Q&sub1; eingeschaltet wird, wird der pnp-Transistor Q&sub3; eingeschaltet und der Transistor Q&sub4; wird entsprechend eingeschaltet, um dadurch den zweiten n-Kanal-FET 16 abzuschalten, um dadurch den Ladestrom zu unterbrechen. Im Gegensatz hierzu wird, wenn die Ladespannung der Batterie 14B die Designspannung früher überschreitet, die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; des zweiten Spannungsdetektors 18 der Spannung Vt2 am positiven Spannungsanschluss t&sub2; gleich, um dadurch den zweiten n-Kanal-FET 16 entsprechend dem Ausgangssignal des zweiten Spannungsdetektors 18 abzuschalten und den Ladestrom zu unterbrechen. So wird der Ladevorgang angehalten, um ein Überladen der Batterien 14A und 14B zu verhindern.

Als nächstes wird der Fall eines Entladens der geladenen Batterien 14 (14A und 14B) durch Anschließen des gemeinsamen Anschlusses 11 und des Entladeanschlusses 12 an eine externe Last beschrieben. Es fließt ein Entladestrom vom Entladeanschluss 12 über den ersten n-Kanal-FET 15 und die Batterien 14B und 14A zum gemeinsamen Anschluss 11. Wenn im Verlauf des Entladens der Speicherinhalt der in Reihe geschalteten Batterien 14A und 14B abnimmt, so dass er der Sollspannung b gleich wird, oder kleiner wird, gilt im dritten Spannungsdetektor 19 V&sub1; < V&sub2;, und demgemäß wird die Spannung Vt1 am Ausgangsanschluss t&sub1; der Spannung Vt3 am negativen Spannungsanschluss t&sub3; gleich. Daher wird der erste n-Kanal-FET 15 durch die Ausgangsspannung des dritten Spannungsdetektors 19 abgeschaltet, um dadurch den Entladestrom zu unterbrechen. So wird der Entladevorgang angehalten, um ein Tiefentladen der Batterien 14A und 14B zu verhindern.

Auf diese Weise ist es gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel möglich, ein Überladen zu verhindern, bei dem die Anschlussspannung einer Batterieeinheit 4,3 V überschreitet, und auch ein Tiefentladen zu verhindern, bei dem die Anschlussspannung der zwei in Reihe geschalteten Batterien 4,3 V gleich wird, oder kleiner wird.

Fig. 4 zeigt einen zweiten Grundaufbau zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung, der jedoch nicht zur Erfindung gehört, bei dem vier Batterien 14 (14A, 14B, 14C und 14D) in Reihe und parallel geschaltet sind. In Fig. 4 werden Teile, die solchen entsprechen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und nachfolgend wird eine Erläuterung derselben weggelassen. Beim Laden der Batterien 14 wird, wenn die Ladespannung mindestens einer der Batterien 14A und 14C die Designspannung A überschreitet, die Schalteinrichtung 16 entsprechend dem Ausgangssignal des ersten Spannungsdetektors 17 abgeschaltet. Ferner wird, wenn die Ladespannung mindestens einer der Batterien 14B und 14D die Designspannung a überschreitet, die Schalteinrichtung 16 entsprechend dem Ausgangssignal des zweiten Spannungsdetektors 18 abgeschaltet. So wird der Ladestrom unterbrochen, um dadurch ein Überladen der Batterien 14A, 14B, 14C und 14D zu verhindern. Beim Entladen der Batterien wird, wenn die Anschlussspannung mindestens einer der in Reihe geschalteten Batterien 14A und 14B sowie der in Reihe geschalteten Batterien 14C und 14D der Sollspannung B gleich wird, oder kleiner wird, die Schalteinrichtung 17 entsprechend dem Ausgangssignal des dritten Spannungsdetektors 19 abgeschaltet, um dadurch den Entladestrom zu unterbrechen, um Tiefentladung zu verhindern. Dieser Grundaufbau kann Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Schaltung für die Überladungs- /Tiefentladungsschutzvorrichtung verwenden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Beispiel einer Batteriesäule mit der in Fig. 2 dargestellten Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung. In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszahl 22 eine gedruckte Leiterplatte mit einer Unterseite, auf der ein Leiterbahnmuster 33 entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ausgebildet ist, und mit einer Oberseite, auf der Schaltungsteile 24 montiert sind. Die gedruckte Leiterplatte 22 verfügt über eine solche Größe, dass die zwei in Reihe geschalteten Batterien 14A und 14B nebeneinander angeordnet werden können. Ein Ende der gedruckten Leiterplatte 22 ist mit einer positiven Elektrodenfahne 26 versehen, die nach oben hochsteht, um mit dem positiven Elektrodenanschluss der Batterie 14A verbunden zu werden, und sie ist auch mit einer negativen Elektrodenfahne 27 versehen, die nach oben hochsteht, um mit dem negativen Elektrodenanschluss der Batterie 14B verbunden zu werden. Ferner ist das andere Ende der gedruckten Leiterplatte 22 mit einer Verbindungsfahne 28 versehen, die nach oben hochsteht, um gemeinsam an den negativen Elektrodenanschluss der Batterie 14A und den positiven Elektrodenanschluss der Batterie 14B angeschlossen zu werden. Ferner ist ein Seitenrand der gedruckten Leiterplatte mit einer Anschlussbefestigungsplatte 29 versehen, die nach oben hochsteht, so dass der gemeinsame Anschluss 11, der Entladeanschluss 12 und der Ladeanschluss 13 an der Außenseite der Anschlussbefestigungsplatte 29 befestigt sind. Sowohl der gemeinsame Anschluss 11 als auch der Entladeanschluss 12, der Ladenanschluss 13 und die Fahnen 26, 27 und 28 sind mit den Leiterbahnmustern 23 der gedruckten Leiterplatte 22 verbunden. Die Schaltungsteile 24 sind im Zentrum der Oberseite der gedruckten Leiterplatte 22 montiert, wo zwischen den nebeneinander auf dieser Oberseite der gedruckten Leiterplatte 22 angeordneten zwei Batterien 14A und 14B ein Raum ausgebildet ist. Die den Fahnen 26, 27 und 28 entsprechenden Positionen sind mit denselben Bezugszahlen wie in Fig. 2 repräsentiert. Wie es in Fig. 6A dargestellt ist, werden die zwei Batterien 14A und 14B auf die gedruckte Leiterplatte 22 aufgesetzt. In diesem Zustand werden der positive Elektrodenanschluss der Batterie 14A und die positive Elektrodenfahne 26 elektrisch und mechanisch durch z. B. Schweißen fest miteinander verbunden. Auf ähnliche Weise werden der negative Elektrodenanschluss der Batterie 14A und die negative Elektrodenfahne 27 elektrisch und mechanisch z. B. durch Schweißen fest miteinander verbunden. Ferner werden der negative Elektrodenanschluss der Batterie 14A und der positive Elektrodenanschluss der Batterie 14B elektrisch und mechanisch durch z. B. Schweißen fest mit der Verbindungsfahne 28 verbunden. So sind die Batterien 14A und 14B und die gedruckte Leiterplatte 22 miteinan der integriert, und diese Baugruppe wird in einem Batteriegehäuse 33 aufgenommen, das aus einem oberen Gehäuse 21 und einem unteren Gehäuse 32 besteht. Das untere Gehäuse 32 ist mit Öffnungen 35, 36 und 37 versehen, die dem gemeinsamen Anschluss 11, dem Ladeanschluss 12 bzw. dem Entladeanschluss 13 entsprechen. Im Zustand, in dem die Baugruppe im Batteriegehäuse 33 aufgenommen ist, liegen der gemeinsame Anschluss 11, der Entladeanschluss 12 und der Ladeanschluss 13 in den Öffnungen 35, 36 bzw. 37 des unteren Gehäuses 32 frei. Auf diese Weise wird eine Batteriesäule 38 aufgebaut, wie in Fig. 6B dargestellt, die Überladen und Tiefentladen verhindern kann.

Die elektronische Schaltung kann z. B. auf drei oder mehr in Reihe geschaltete Batterien angewandt werden. Ferner kann ein Teil oder die Gesamtheit der elektronischen Schaltung innerhalb oder außerhalb der Batterie, der Batteriesäule oder einer Ladeeinrichtung eingebaut sein.

Ferner sind die obigen bevorzugten Ausführungsbeispiele zwar bei einer Lithiumionen-Sekundärbatterie angewandt, jedoch kann die Erfindung selbstverständlich bei beliebigen anderen nichtwässrigen Batterien mit nichtwässrigem Elektrolyt angewandt werden.

Gemäß dem oben genannten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann Überladen beim Laden einer Batterie verhindert werden. Demgemäß ist es möglich, eine Zersetzung des aktiven Materials der positiven Elektrode der Batterie, eine Zersetzung des Elektrolyten der Batterie, einen internen Kurzschluss der Batterie, einen anomalen Anstieg der Temperatur und des Innendrucks der Batterie sowie eine Zerstörung der Batterie durch einen anomalen Anstieg der Temperatur und des Innendrucks zu vermeiden. Ferner kann Tiefentladung beim Entladen der Batterie beim Anschließen derselben an eine externe Last verhindert werden. Demgemäß ist es möglich, eine Verringerung des Speichervermögens der Batterie, eine Verringerung der Ladezyklus-Lebensdauer und einen internen Kurzschluss der Batterie zu vermeiden. Demgemäß können die Wartbarkeit, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit der Batterie gewährleistet werden.

Gemäß der Erfindung kann Überladen beim Laden einer Batterie verhindert werden. Ferner kann beim Entladen der Batterie Tiefentladen verhindert werden. Demgemäß kann die Zerstörung der Batterie vermieden werden und es kann für Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterie gesorgt werden.


Anspruch[de]

1. Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung für eine Batteriesäule mit einer Reihenschaltung mindestens einer ersten Batterie (14A) und einer zweiten Batterie (14B), deren jeweilige Batteriespannungen sich abhängig vom jeweiligen Batteriespeichervermögen ändern, einem gemeinsamen Anschluss (11), einem Entladeanschluss (12) und einem Ladeanschluss (13), wobei diese Überladungs-/Tiefentladungsschutzvorrichtung folgendes aufweist:

- zumindest eine erste und eine zweite Spannungserfassungseinrichtung (17, 18) zum jeweiligen Erfassen der Spannung zwischen entgegengesetzten Anschlüssen jeder Batterie (14A, 14B) und

- eine FET-Schalteinrichtung (15, 16), die in Reihe mit den Batterien vorhanden ist und auf das Ausgangssignal der Spannungserfassungseinrichtung (17, 18) hin abgeschaltet wird, um einen Ladestrom zu unterbrechen, wenn die erfassten Spannungen der Batterien jeweils einen vorbestimmten Wert während eines Ladevorgangs überschreiten, und um einen Entladestrom zu unterbrechen, wenn eine Batteriespannung unter eine vorbestimmte Spannung fällt;

dadurch gekennzeichnet, dass

- ein dritter Spannungsdetektor (19) vorhanden ist, um die Batteriegesamtspannung der Säule der in Reihe geschalteten Batterien (14A, 14B) zu erfassen; und

- die FET-Schalteinrichtung (15, 16) folgendes aufweist:

- - zwei n-Kanal-FET-Schalter (15, 16) mit parasitären Dioden (D&sub1;, D&sub2;), wobei diese Schalter in Reihe mit dem gemeinsamen Anschluss und dem Ladeanschluss (13) geschaltet sind und ihre parasitären Dioden (D&sub1;, D&sub2;) in entgegengesetzten Richtungen angeschlossen sind, wobei der erste FET-Schalter (15) zwischen einen Batterieanschluss und den Entladeanschluss (12) geschaltet ist, der zweite FET-Schalter (16) zwischen den Entladeanschluss (12) und den Ladeanschluss (13) geschaltet ist und der erste FET-Schalter (15) abgeschaltet wird, wenn die durch den dritten Spannungsdetektor (19) erfasste Spannung während des Entladens einer Sollspannung gleich wird, oder kleiner wird, um den Entladestrom durch den Entladeanschluss zu unterbrechen, und der zweite Schalter (16) abgeschaltet wird, um den Ladestrom durch den Ladeanschluss (13) zu unterbrechen, wenn die jeweilige, durch die erste bzw. zweite Spannungsdetektoreinrichtung erfasste Spannung während des Ladens eine Batteriedesignspannung überschreitet.







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