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Dokumentenidentifikation DE10203909C1 20.11.2003
Titel Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine wiederaufladbare Batterie
Anmelder Dialog Semiconductor GmbH, 73230 Kirchheim, DE
Erfinder Pannwitz, Axel, Dr., 73252 Lenningen, DE
Vertreter Prietsch, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 80687 München
DE-Anmeldedatum 31.01.2002
DE-Aktenzeichen 10203909
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.11.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.11.2003
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse H02J 7/00   H02H 9/04   
Zusammenfassung Eine Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine wiederaufladbare Batterie vermag eine an den Ladeanschlüssen anliegende, temporäre Überspannung von einer dauerhaften Überspannung zu unterscheiden und im letzteren Fall aus Sicherheitsgründen die Batterie endgültig von den Ladeanschlüssen zu trennen. Hierzu umfaßt die Schutzschaltung entweder parallel zu dem Laststromschalter (LS) oder parallel zu den Ladeanschlüssen eine Anzahl von Teilschaltern (15[1:]) und einen Überspannungsdetektor (10), der bei einer Überspannung alle Teilschalter über eine Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die anschließend einen Teilschalter nach dem anderen öffnet. Ein die Restspannung über den Teilschaltern überwachender Spannungsdetektor (16) sperrt jedoch das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein gegebener Restspannungswert ist. Wenn der Zyklus innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. bei Zeitablauf mindestens noch der letzte Teilschafter geschlossen ist, löst die Steuerschaltung die dauerhafte Abtrennung der Batterie von den Ladeanschlüssen aus.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine über eine Schmelzsicherung abgesicherte, wiederaufladbare Batterie, mit einer Steuerschaltung, die einen Laststromschalter in Abhängigkeit von den Werten der Batteriespannung, der Spannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen der Schutzschaltung und dem Lade- oder Entladestrom schließt oder öffnet.

Derartige Schutzschaltungen werden insbesondere in sog. battery packs für Mobiltelefone eingesetzt und überwachen unter anderem die Ladeschlussspannung und die Entladeschlussspannung der Batterie sowie den maximal zulässigen Lade- und Entladestrom. Bei unzulässigen Werten öffnen sie den Laststromschalter. Ein Beispiel einer solchen Schutzschaltung ist aus der DE 197 37 775 A1 bekannt. Diese Schutzschaltung kann insbesondere zwischen einer einzigen Lithiumionenzelle und der Elektronik eines Mobiltelefons angeordnet sein.

Alle Hersteller bieten auf ihre Mobiltelefone und deren Batterie abgestimmte, spezielle Ladegeräte an. Dennoch wird mitunter versucht, die Batterie unter Verwendung eines Fremdladegerätes wiederaufzuladen. So ist aus dem vorstehend genannten Dokument eine Schutzschaltung bekannt, die unter anderem eine z. B. von einem defekten Ladegerät oder einem Fremdladegerät gelieferte, zu hohe Ladespannung erkennt und die Batterie zur Vermeidung einer gefährlichen Überladung sicher abtrennt, bevor die Schutzschaltung selbst durch die Überspannung zerstört wird. Die Schutzschaltung kann allerdings nicht zwischen einer nur kurzzeitig anliegenden und einer dauerhaft anliegenden Überspannung unterscheiden, trennt also auch dann die Batterie dauerhaft von den Lade/Entlade-Anschlüssen ab und wird gegebenenfalls auch selbst zerstört, wenn die Überspannung lediglich durch einen auf eine erhöhte Leerlaufspannung eines Ladegerätes aufgeladenen Kondensator geliefert wird. Eine derartige Schutzschaltung gilt auch aus der DE 101 03 336 C1 als bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die eine kurzzeitig an den Lade/Entlade-Anschlüssen anliegende Überspannung von einer dauerhaft anliegenden Überspannung zu unterscheiden vermag. Im ersteren Fall soll die Überspannung sicher abgeleitet, im letzteren Fall die Batterie dauerhaft abgetrennt werden.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Schutzschaltung der einleitend angegebenen Gattung darin, dass parallel zu dem Laststromschalter eine Anzahl von Teilschaltern liegt, dass ein Überspannungsdetektor bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen alle Teilschalter über eine Steuerlogik schließt, die anschließend zyklisch fortschaltend einen Teilschalter nach dem anderen öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern überwachender Spannungsdetektor das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgegebener Restspannungswert ist und dass die Steuerlogik die dauerhafte Abtrennung der Batterie von den Lade/Entlade- Anschlüssen auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen ist.

Eine zweite Lösung der genannten Aufgabe besteht darin, dass parallel zu den Lade/Entlade-Anschlüssen eine Kurzschlussschalteranordnung aus parallel geschalteten Teilschaltern liegt, dass ein Überspannungsdetektor bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen alle Teilschalter über eine Steuerlogik schließt, die anschließend zyklisch fortschaltend einen Teilschalter nach dem anderen öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern überwachender Spannungdetektor das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgegebener Restspannungswert ist und dass die Steuerlogik die dauerhafte Abtrennung der Batterie von den Lade/Entlade-Anschlüssen auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen ist.

Beide Lösungen haben den Grundgedanken gemeinsam, eine temporäre Überspannung über einen niederohmigen Strompfad, der im Fall der ersten Lösung über die Batterie und im Fall der zweiten Lösung über die Kurzschlussschalteranordnung führt, kurzzuschließen, periodisch in rascher Folge mit entsprechend der abnehmenden Zahl noch geschlossener Teilschalter und damit zunehmendem Schalterdurchlaßwiderstand zu prüfen, ob der Kurzschlussstrom verschwindet und nur dann, wenn dies innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht der Fall ist, die Batterie aus Sicherheitsgründen dauerhaft und endgültig von den Lade/Entlade-Anschlüssen abzutrennen, im anderen Fall jedoch die normale Funktion der Lade/Entlade- Schutzschaltung zuzulassen. Dabei hat der Einsatz mehrerer paralleler Teilschalter auch den Zweck, zunächst einen so niederohmigen Strompfad zu schaffen, daß auch ein hoher Kurzschlußstrom, den z. B. ein geladener Kondensator verursacht, keine unzulässig hohe Spannung an den Anschlüssen der Schutzschaltung erzeugt und damit deren Funktion gefährdet.

Vorzugsweise umfasst die Steuerlogik zur dauerhaften Abtrennung der Batterie einen deren Anschlüsse über die Sicherung verbindenden, gesteuerten Schalter, den die Steuerlogik schließt, wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls mindestens noch der letzte Teilschalter geschlossen ist (Anspruch 3). Die Batterie liefert dann einen die Sicherung zerstörenden Kurschlussstrom.

Zur Realisierung des Zeitkriteriums kann die Steuerlogik einen Timer umfassen, dessen Verzögerungszeit länger als das vorgegebene Zeitintervall zum zyklischen Öffnen sämtlicher Teilschalter ist, und der nach Ablauf seiner Verzögerungszeit ein Signal liefert, das die dauerhafte Abtrennung der Batterie auslöst (Anspruch 4), also insbesondere das Signal, das den zuvor genannten Schalter schließt, der die Batterie über die Sicherung verbindet.

Um sicherzustellen, dass die Schutzschaltung nach Erkennung einer Überspannung auch dann, wenn letztere, z. B. weil sie von einem Kondensator kleiner Kapazität geliefert wird, frühzeitig wegfällt, wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt, kann die Steuerlogik ein RS-Flipflop zur Speicherung einer erkannten Überspannung umfassen, wobei der Ausgang des RS-Flipflops mit den Freigabeeingängen des Timers und einer Schalterlogik verbunden ist, die ein Taktsignal erhält und zyklisch fortschreitend die Steuersignale zum Öffnen eines Teilschalters nach dem anderen liefert, solange an ihrem weiteren Eingang das Ausgangssignal des Spannungsdetektors anliegt, das einer Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern entspricht, die höher als der vorgegebene Restspannungswert ist (Anspruch 5).

Zweckmäßig erhält dann das RS-Flipflop an seinem Rücksetzeingang ein von dem den letzten Teilschalter steuernden Schaltsignal abgeleitetes Rücksetzsignal (Anspruch 6).

Eine Weiterbildung der Schutzschaltung erkennt, ob nach dem Anschließen eines Ladegerätes, das kurzzeitig eine Überspannung abgibt, innerhalb einer vorgegebenen Zeit erneut eine (kurzfristige oder dauerhafte) Überspannung auftritt, z. B. weil das Ladegerät defekt ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgang des Überspannungsdetektors mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang einer Speicherschaltung verbunden ist, deren Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des Überspannungsdetektors verbunden ist und die nach dem ersten Überspannungsereignis den zweiten Eingang des UND-Gliedes während einer vorgegebenen Zeit, die länger als die Zykluszeit ist, auf "1" setzt, so dass das nächste während dieser vorgegebenen Zeit auftretende Überspannungsereignis am Ausgang des UND-Gliedes eine "1" erzeugt und dadurch die dauerhafte Abtrennung der Batterie auslöst (Anspruch 7).

Die Zeichnung veranschaulicht blockschaltbildartig zwei Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei der eine Überspannung über die Batterie kurzgeschlossen wird,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, bei der eine Überspannung über eine Kurzschlußschalteranordnung kurzgeschlossen wird und

Fig. 3 eine im Zusammenhang mit der ersten und der zweiten Ausführungsform realisierbare Verbesserung.

Die in dem Fig. 1 und 2 dargestellte Schutzschaltung liegt als integrierte Schaltung zwischen den Polen einer Li-Ionenzelle 1 und zwei Lade/Entlade-Anschlüssen 50 und 60, zu denen ein Filterkondensator 40 als Schutz gegen steilflankige Spannungsanstiege parallel liegt. An die Lade/Entlade-Anschlüsse 50 und 60 ist zur Aufladung der Li- Ionenzelle 1 ein nur angedeutetes Ladegerät 100 mit seinen Anschlüssen 150 und 160 anschließbar. Eine Steuerschaltung 30 überwacht in an sich bekannter Weise die Ladeschlußspannung und die Entladeschlußspannung der Li-Ionenzelle 1 sowie über einen Strommeßwiderstand RS den maximal zulässigen Lade- und Entladestrom und öffnet bei unzulässigen Werten einen Laststromschalter LS. Wenn die Li-Ionenzelle 1 zumindest teilweise entladen ist, schließt die Steuerschaltung 30 diesen Laststromschalter LS. Arbeitet das Ladegerät 100 korrekt, so fließt nach dessen Anschließen über RS, LS und eine Sicherung Si in die Li-Ionenzelle 1 ein zulässiger Ladestrom, bis die Ladeschlußspannung erreicht ist und die Steuerschaltung 30 deshalb den Lastschalter LS öffnet.

Die meisten Ladegeräte enthalten ausgangsseitig einen durch den Kondensator 101 angedeuteten Glättungs- und/oder Filterkondensator. Letzterer kann auf eine über der zulässigen Anschlußspannung an den Anschlüssen 50, 60 liegende Leerlaufspannung aufgeladen sein; ebenso kann es vorkommen, daß das Ladegerät 100 an seinen Anschlüssen 150, 160 eine zu hohe Spannung abgibt, sei es, weil das Ladegerät defekt ist, sei es, weil es sich um ein nicht für die Li-Ionenzelle 1 sondern z. B. für eine wiederaufladbare Batterie mit mehreren Zellen ausgelegtes, "fremdes" Ladegerät handelt. Bei wiederaufladbaren Batterien, insbesondere solchen für Mobilfunktelefone, muß aber, zumal wenn es sich um Li- Ionenzellen handelt, unter allen Umständen sichergestellt sein, daß die gesamte Schaltung, insbesondere jedoch die Steuerschaltung 30, nicht infolge einer Überspannung funktionsunfähig und infolgedessen die Stromquelle überladen wird, im ungünstigsten Fall bis zur Explosion.

Hierzu umfaßt die vorgeschlagene Schutzschaltung zusätzlich zu der an sich bekannten Steuerschaltung 30 in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 folgende Komponenten:

Parallel zu dem Lastschalter LS liegen mehrere steuerbare Teilschalter 15[1:n]. Die gemeinsamen Anschlüsse dieser Anordnung sind mit den Eingängen eines Restspannungsdetektors verbunden, der aus einem Spannungskomparator 16 und einer Referenzspannungsquelle 16.1 besteht, die eine Spannung im Bereich von etwa 30 mV liefert. Der Spannungskomparator 16 erzeugt an seinem Ausgang ein logisches Signal "1", solange die Spannung über den geschlossenen Teilschaltern 15[1:n] kleiner als die vorgegebene Restspannung ist. Der Ausgang des Spannungskomparators 16 ist mit einem Weiterschalteingang "ws" einer Schalterlogik 17 verbunden. Diese steuert über getrennte Ausgänge [1:n] einzeln die Teilschalter 15[1:n]. Zusätzlich ist der Ausgang "n" der Schalterlogik 17 über einen Inverter 18 mit dem Eingang R eines RS-Flipflops 11 verbunden. Solange der Ausgang "n" den logischen Wert "0" hat, liegt deshalb an dem Reseteingang des RS-Flipflops 11 der Wert "1" an. Dessen Seteingang S ist mit dem Ausgang eines Überspannungsdetektors in Form eines Komparators 10 verbunden, der die Spannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 mit der Spannung einer Referenzspannungsquelle 10.1 vergleicht und bei einer Überspannung an seinem Ausgang das logische Signal "1" liefert. Das RS-Flipflop 11 ist so ausgelegt, daß dessen Eingang S dominiert. Wenn am Eingang S des RS-Flipflops 11 das logische Signal "1" anliegt, geht deshalb dessen Ausgang Q auf den logischen Wert "1". Dieses Signal wird den Freigabeeingängen "en" eines Taktgenerators 12, eines Timers oder Zeitgebers 13, und der Schalterlogik 17 zugeführt. Der Ausgang des Zeitgebers 13 ist mit dem Steuereingang eines Halbleiterschalters 19 verbunden, der die Anschlüsse der Li-Ionenzelle 1 über die Sicherung Si verbindet und normalerweise offen ist.

Wenn an dem Freigabeeingang "en" des Taktgenerators 12 das Signal "1" anliegt, liefert der Taktgenerator 12 Taktimpulse, z. B. mit einer Pulsfolgefrequenz von 1 kHz, sowohl an einen Takteingang "clk" des Zeitgebers 13 als auch an einen Takteingang "clk" der Schalterlogik 17. Der Zeitgeber 13, der in diesem Beispiel ein Abwärtszähler ist, aber auch ein Monoflop sein könnte (und dann keine Taktimpulse benötigen würde), erzeugt nach Ablauf seiner Verzögerungszeit, die im Bereich von einigen hundert Millisekunden bis einige Sekunden liegen kann, an seinem Ausgang das logische Signal "1", das den Schalter 19 schließt.

Diese Schaltung arbeitet bei einer an den Lade/Entlade- Anschlüssen 50, 60 anliegenden Überspannung, gleich welcher Ursache, wie folgt:

Der Überspannungsdetektor 10, 10.1 setzt den Ausgang Q des RS-Flipflops 11 auf "1". Die Schalterlogik 17 erhält dieses Signal "1" an ihrem Eingang "en". Daraufhin setzt die Schalterlogik 17 alle ihre Ausgänge [1:n] ebenfalls auf den logischen Wert "1", so daß alle Teilschalter 15[1:n] sofort schließen. Bevor die Teilschalter 15 schließen, steht an ihnen die Überspannung abzüglich der Batteriespannung an, so daß der Restspannungsdetektor 16, 16.1 das Ausgangssignal "0" an den Eingang "ws" der Schalterlogik 17 liefert, wodurch diese in ihrem augenblicklichen Schaltzustand verharrt.

Sobald alle Teilschalter 15 geschlossen haben, besteht zwischen den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 ein niederohmiger Strompfad. Ist die Überspannung durch einen aufgeladenen Kondensator verursacht, entsteht der bekannte, abklingende Ausgleichsstrom. Ist hingegen ein falsches oder defektes Ladegerät die Ursache der Überspannung, dann bleibt der erzeugte Strom zeitlich im wesentlichen konstant. Die vorgeschlagene Schaltung ermöglicht eine sichere Unterscheidung dieser beiden Fälle. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung der Durchlaßwiderstände der geschlossenen Teilschalter 15[1:n] ist dabei so niedrig, daß die Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 in allen in der Praxis denkbaren Fällen zusammenbricht, das heißt zumindest auf einen Wert sinkt, der kleiner als der maximal an den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 zulässige Wert ist.

Je nach dem Betrag des von der Überspannung verursachten Stroms über die geschlossenen Teilschalter 15[1:n] fällt über letzteren eine ihrem Durchlaßwiderstand proportionale Spannung ab, die größer oder kleiner als die Schaltschwelle des Restspannungsdetektors 16, 16.1 von ca. 30 mV ist. Ist der Spannungsabfall größer als die Schaltschwelle, dann liefert der Restspannungsdetektor an den Weiterschalteingang "ws" der Schalterlogik 17 das logische Signal "0", so daß diese in ihrem Schaltzustand "alle Teilschalter geschlossen" verharrt. Ist der Spannungsabfall kleiner oder wird er durch Abbau der Überspannung kleiner als die Schaltschwelle, dann liefert der Restspannungsdetektor an den Weiterschalteingang "ws" der Schalterlogik 17 das logische Signal "1", so daß die Schalterlogik 17 entsprechend den von dem Taktgenerator 12 an ihren Eingang "clk" gelieferten, gleichnamigen Taktimpulsen ihre Ausgänge [1:n] nacheinander von "1" auf "0" setzt und damit die entsprechenden Teilschalter 15.1, 15.2, . . . 15.n sequentiell öffnet.

Entsprechend erhöht sich stufenweise der Durchlaßwiderstand der Teilschalteranordnung. Damit erhöht sich die Empfindlichkeit der Schaltung für den durch die Überspannung verursachten Ausgleichsstrom. Wenn der über die Teilschalteranordnung fließende Strom noch so hoch ist, daß die über dem stufenweise erhöhten Durchlaßwiderstand der Teilschalteranordnung abfallende Restspannung größer als die Schaltschwelle des Restspannungsdetektors 16, 16.1 wird, dann geht dessen Ausgangssignal "ws" von "1" auf "0" und sperrt damit das Weiterschalten der Schalterlogik 17, so daß kein weiterer Teilschalter mehr öffnet.

Währenddessen läuft der Zeitgeber 13 weiter. Wenn dessen Verzögerungszeit abgelaufen ist, und zu diesem Zeitpunkt zumindest noch der letzte Teilschalter 15.n geschlossen ist, liefert der Zeitgeber 13 an seinem Ausgang das schon genannte Steuersignal, das den Schalter 19 schließt, was die unmittelbare Zerstörung der Sicherung Si durch den entstehenden Kurzschlußstrom und damit die dauerhafte Abtrennung der Li-Ionenzelle 1 zur Folge hat.

Wenn hingegen während der Verzögerungszeit des Zeitgebers die Überspannung abgebaut wird, öffnet die Schalterlogik 17 auch den letzten Teilschalter 15.n, indem sie auch ihren Ausgang "n" auf "0" setzt. Dieser Ausgang ist, wie schon beschrieben, zusätzlich über den Inverter 18 mit dem Rücksetzeingang R des RS-Flipflops 11 verbunden. Dessen Ausgang Q geht deshalb auf "0", sperrt damit den Taktgenerator 12 und setzt den Zeitgeber 13 sowie die Schalterlogik 17 auf den Ausgangszustand zurück.

Die Steuerschaltung 30 übernimmt dann ihre normale, einleitend erläuterte Funktion der Steuerung des Lastschalters LS. Dessen Funktion kann jedoch alternativ auch die Teilschalteranordnung übernehmen, wenn die Steuereingänge der Teilschalter 15[1:n] über Logikglieder derart verknüpft sind, daß das Ausgangssignal der Steuerschaltung 30 im normalen Lade- und Entladebetrieb der Schutzschaltung alle Teilschalter 15[1:n] jeweils gleichzeitig öffnet oder schließt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform stimmt weitgehend mit derjenigen nach Fig. 1 überein. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der im Fall einer detektierten Überspannung geschaffene, niederohmige Stromkreis zwischen den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 nicht über den Laststromschalter LS, die Sicherung Si und die Li-Ionenzelle 1 verläuft sondern zwischen den Anschlüssen 50, 60 eine Kurzschlußschalteranordnung 20, bestehend aus parallelgeschalteten Teilschaltern 20[1:n] liegt. Diese Kurzschlußschalteranordnung 20 entspricht funktionsmäßig der Teilschalteranordnung 15[1:n] in Fig. 1 und wird von einem Restspannungsdetektor überwacht, der aus einem Spannungskomparator 26 und einer Referenzspannungsquelle 26.1 besteht. Der Spannungskomparator 26 entspricht dem Spannungskomparator 16 in Fig. 1. Alle übrigen Komponenten sind die gleichen wie in Fig. 1. Die Beschreibung der Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 gilt deshalb auch für die Ausführungsform nach Fig. 2.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsergänzung, die sowohl für die Ausführungsform nach Fig. 1 als auch für diejenige nach Fig. 2 verwendbar ist und die Erkennung von wiederholten Überspannungsereignissen ermöglicht.

Hierzu ist der Überspannungsdetektor, also der Ausgang des Komparators 10 in den Fig. 1 und 2, nicht nur mit dem Eingang S des RS-Flipflops 11 sondern auch mit dem Eingang S eines weiteren RS-Flipflops 111, einem Inverter 118 und dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 70 verbunden. Dessen Ausgang ist über ein ODER-Glied 71 mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters 19 in den Fig. 1 und 2 verbunden. Der zweite Eingang des ODER-Gliedes erhält das Ausgangssignal des Zeitgebers 13 in den Fig. 1 und 2.

Der zweite Eingang des UND-Gliedes 70 in Fig. 3 ist mit dem Ausgang Q eines D-Flipflops 72 verbunden, dessen Takteingang T über eine Verzögerungsschaltung 73 mit dem Ausgang des Inverters 118 verbunden ist. Der Ausgang Q des zweiten RS-Flipflops 111 ist mit den Freigabeeingängen "en" eines Taktgenerators 112 und eines Zeitgebers 113 verbunden. Der Ausgang des Zeitgebers 113 ist sowohl mit dem RS- Eingang des D-Flipflops 72 als auch über einen Inverter 74 mit dem Rücksetzeingang R des RS-Flipflops 111 verbunden.

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Sobald der Überspannungsdetektor eine Überspannung feststellt und dementsprechend das logische Signal "1" liefert, geht der Ausgang Q des RS-Flipflops 111 auf den logischen Wert "1" und startet damit den Taktgenerator 112 und den Zeitgeber 113 über deren Freigabeeingänge "en". Der Ausgang des Zeitgebers 113, dessen voreingestellte Verzögerungszeit z. B. 10 Minuten betragen kann, geht dann sofort auf den logischen Wert "1", so daß wegen des Inverters 74 an dem Eingang R des RS-Flipflops 111 der logische Wert "0" anliegt, wodurch das RS-Flipflop zum Zurücksetzen vorbereitet wird. Gleichzeitig wird das D-Flipflop 72 aus dem Reset genommen. Nach dem Abbau der Überspannung mittels der Schaltung nach Fig. 1 oder Fig. 2 geht das Ausgangssignal des Überspannungsdetektors von "1" auf "0". Diese fallende Flanke setzt mit der durch das Verzögerungsglied 73 erzeugten Verzögerung τ von z. B. einigen Millisekunden das D- Flipflop 72, so daß dessen Ausgang Q den Wert "1" annimmt und damit das UND-Glied 70 für das nächste Ausgangssignal "1" des Überspannungsdetektors 10, das innerhalb der Verzögerungszeit des Zeitgebers 113 auftritt, durchlässig schaltet, woraufhin der Halbleiterschalter 19 schließt und, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, die Li-Ionenzelle 1 endgültig von den Lade/Entlade-Anschlüssen 50, 60 abtrennt.

Wenn während der Verzögerungszeit des Zeitgebers 113 kein weiteres Überspannungsereignis auftritt, geht der Ausgang des Zeitgebers 113 wieder auf den logischen Wert "0", wodurch sowohl das D-Flipflop 72 als auch das RS-Flipflop 111 in den Ausgangszustand zurückgesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine über eine Schmelzsicherung (Si) abgesicherte, wiederaufladbare Batterie (1), mit einer Steuerschaltung (30), die einen Laststromschalter (LS) in Abhängigkeit von den Werten der Batteriespannung, der Spannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) der Schutzschaltung und dem Lade- oder Entladestrom schließt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Laststromschalter (LS) eine Anzahl von Teilschaltern (15[1:n]) liegt, dass ein Überspannungsdetektor (10, 10.1) bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) alle Teilschalter (15[1:n]) über eine Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die anschließend zyklisch fortschaltend einen Teilschalter (15.1, 15.2, . . . 15.n) nach dem anderen öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern (15) überwachender Spannungdetektor (16, 16.1) das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgegebener Restspannungswert ist und dass die Steuerschaltung (11, 12, 13, 17, 18) die dauerhafte Abtrennung der Batterie (1) von den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter (15.n) geschlossen ist.
  2. 2. Lade/Entlade-Schutzschaltung für eine über eine Schmelzsicherung (Si) abgesicherte, wiederaufladbare Batterie (1), mit einer Steuerschaltung (30), die einen Laststromschalter (LS) in Abhängigkeit von den Werten der Batteriespannung, der Spannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) der Schutzschaltung und dem Lade- oder Entladestrom schließt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) eine Kurzschlussschalteranordnung (20) aus parallel geschalteten Teilschaltern (20[1:n]) liegt, dass ein Überspannungsdetektor (10) bei einer Überspannung an den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) alle Teilschalter (20[1:n]) über eine Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) schließt, die anschließend zyklisch fortschaltend einen Teilschalter (20.1, 20.2, . . . 20.n) nach dem anderen öffnet, dass ein die Restspannung über den Teilschaltern (20) überwachender Spannungdetektor (26, 26.1) das Öffnen des jeweils nächsten Teilschalters sperrt, wenn die Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern höher als ein vorgegebener Restspannungswert ist, und dass die Steuerlogik (11, 12, 13, 17, 18) die dauerhafte Abtrennung der Batterie (1) von den Lade/Entlade-Anschlüssen (50, 60) auslöst, wenn der Zyklus innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht vollständig durchlaufen ist, d. h. mindestens noch der letzte Teilschalter (20.n) geschlossen ist.
  3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik zur dauerhaften Abtrennung der Batterie (1) einen deren Anschlüsse über die Sicherung (Si) verbindenden, gesteuerten Schalter (19) umfaßt, den die Steuerlogik schließt, wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls mindestens noch der letzte Teilschalter (15.n, 20.n) geschlossen ist.
  4. 4. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik einen Timer (13) umfaßt, dessen Verzögerungszeit länger als das vorgegebene Zeitintervall zum zyklischen Öffnen sämtlicher Teilschalter (15[1:n]; 20[1:n]) ist und der nach Ablauf seiner Verzögerungszeit ein Signal liefert, das die dauerhafte Abtrennung der Batterie (1) auslöst.
  5. 5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik ein RS-Flipflop (11) zur Speicherung einer erkannten Überspannung umfaßt, und dass der Ausgang des RS-Flipflops (11) mit den Freigabeeingängen (en) des Timers (13) und einer Schalterlogik (17) verbunden ist, die ein Taktsignal (clk) erhält und zyklisch fortschreitend die Steuerignale zum Öffnen eines Teilschalters (15[1:n]); 20[1:n]) nach dem anderen liefert, solange an ihrem weiteren Eingang (ws) das Ausgangssignal des Spannungsdetektors (16, 16.1; 26, 26.1) anliegt, das einer Restspannung über den noch geschlossenen Teilschaltern entspricht, die höher als der vorgegebene Restspannungswert ist.
  6. 6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das. RS-Flipflop (11) an seinem Rücksetzeingang (R) ein von dem den letzten Teilschalter (15.n; 20.n) steuernden Schaltsignal (n) abgeleitetes Rücksetzsignal erhält.
  7. 7. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Überspannungsdetektors (10) mit dem ersten Eingang eines UND- Gliedes (70) verbunden ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang einer rücksetzbaren Speicherschaltung (72) verbunden ist, deren Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des Überspannungsdetektors (10) verbunden ist und die nach dem ersten Überspannungsereignis den zweiten Eingang des UND-Gliedes (70) während einer vorgegebenen Zeit, die länger als die Zykluszeit ist, auf "1" setzt, so dass das nächste während dieser vorgegebenen Zeit auftretende Überspannungsereignis am Ausgang des UND-Gliedes (70) eine "1" erzeugt und dadurch die dauerhafte Abtrennung der Batterie (1) auslöst.






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