СХЕМА ЗАРЯДКИ ДЛЯ ВТОРИЧНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
CHARGING CIRCUIT FOR SECONDARY ACCUMULATOR BATTERY

1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к схеме для зарядки вторичной аккумуляторной батареи, состоящей из множества последовательно соединенных элементов аккумуляторной батареи. В частности, данное изобретение относится к схеме для зарядки вторичной аккумуляторной батареи, способной предотвращать утечку тока каждого элемента батареи и точно определять напряжение каждого элемента.
2. Описание предшествующего уровня техники
Мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и другие современные переносные электронные устройства оснащены перезаряжаемыми аккумуляторами в качестве источника питания. Чаще всего из аккумуляторов используют литий-ионные аккумуляторы и специальные схемы зарядки, в которых множество элементов, составляющих литий-ионную аккумуляторную батарею, соединены последовательно или параллельно. Возрастают требования к увеличению зарядной емкости и плотности таких аккумуляторных батарей.
Для осуществления зарядки аккумуляторной батареи схема зарядки соединена с зарядным устройством. Однако из-за избыточного напряжения или тока зарядного устройства аккумуляторная батарея может перейти в состояние перезарядки. Например, если литий-ионный аккумулятор переходит в состояние перезарядки, он получает избыточную величину напряжения или тока, вследствие чего аккумулятор нагревается, что вызывает деформацию, а в некоторых случаях разрушение или возгорание.
Для того чтобы решить описанные выше проблемы, разработаны схемы защиты от перезарядки. В случае зарядки множества последовательно соединенных элементов литий-ионных аккумуляторов эта схема защиты от перезарядки контролирует величину полного напряжения элементов литий-ионных аккумуляторов, а при превышении величины полного напряжения сверх эталонного, характеризующего переход элементов литий-ионных аккумуляторов в состояние перезарядки, прекращает процесс зарядки.
Однако в такой схеме защиты от перезарядки, где определение состояния перезарядки элементов литий-ионного аккумулятора основано на величине полного напряжения множества последовательно соединенных элементов литий-ионного аккумулятора, невозможно определить, находится ли каждый элемент литий-ионного аккумулятора в состоянии перезарядки и точно узнать изменение напряжения каждого элемента аккумулятора. Например, допустим, что в схеме зарядки, имеющей три соединенных последовательно литий-ионных аккумулятора на напряжение 4,2 В в полностью заряженном состоянии, зарядка каждого элемента аккумулятора прекращается, когда напряжение на любом элементе аккумулятора станет равным или выше 4,4 В.
В этом случае, если на каждом из трех элементах полностью заряженного аккумулятора будет достигнуто напряжение 4,4 В, полное напряжение аккумулятора составит 13,2 В, что будет определено как состояние перезарядки и не возникнет никаких проблем. Однако если напряжение на элементах аккумулятора будет отличаться одно от другого из-за повреждения или колебаний напряжения, состояние перезарядки каждого элемента аккумулятора не может быть выявлено точно. Другими словами, если на трех элементах напряжение составляет 4,2 В, 4,3 В и 4,5 В соответственно, то полное напряжение будет равно 13,0 В. Хотя не будет отмечено никаких аномалий, т.к. величина полного напряжения составляет менее 13,2 В, являющегося критерием состояния перезарядки, напряжение 4,5 В на элементе аккумулятора превышает нормальное значение напряжения полностью заряженного элемента аккумулятора, и это означает, что аккумулятор находится в состоянии перезарядки.
Чтобы обнаружить состояние перезарядки любого элемента аккумулятора, необходимо контролировать напряжение на каждом элементе. Например, на фиг.4 представлена схема зарядки, в которой детектор избыточного напряжения, соответствующий каждому из множества соединенных элементов литий-ионной аккумуляторной батареи, непосредственно детектирует напряжение на этом элементе для определения, не находится ли этот элемент литий-ионной батареи в состоянии перезарядки.
В зарядном устройстве, показанном на фиг.4, детекторы избыточного напряжения, обозначенные 4-6 соответственно, фиксируют напряжение на каждом из трех последовательно соединенных элементов аккумуляторной батареи (последовательное соединение элементов 1-3 аккумуляторной батареи обозначено «аккумулятор») и подсоединены параллельно каждому элементу 1-3 аккумулятора. Кроме того, имеется контроллер 7 зарядки, определяющий, находятся ли элементы 1-3 аккумуляторной батареи в состоянии перезарядки, на основе напряжений, обнаруженных детекторами 4-6 избыточного напряжения, и управляющий включением/выключением части 8 переключателя зарядки.
Дополнительно положительный электрод аккумулятора соединен с входной клеммой А1 через часть 8 переключателя зарядки, а отрицательный электрод подсоединен к входной клемме А2. Зарядное или другое подобное устройство соединено с входными клеммами А1, А2 и таким образом входные клеммы А1, А2 используются для зарядки элементов 1-3, составляющих аккумуляторную батарею, и, следовательно, для подачи напряжения на элементы 1-3 аккумулятора. Как показано на фиг.4, детекторы 4-6 избыточного напряжения, которые подсоединены параллельно элементам 1-3 аккумулятора и обнаруживают напряжение на элементах 1-3 аккумулятора, соответственно, состоят из двух последовательно соединенных сопротивлений и шунтирующих стабилизаторов, контрольные электроды которых подключены к точкам соединения сопротивлений. Эти детекторы 4-6 избыточного напряжения определяют, не превышают ли обнаруженные напряжения аккумуляторов заданные ранее эталонные напряжения.
В качестве примера рассмотрим процесс определения состояния перезарядки в схеме зарядки, показанной на фиг.4. Прежде всего, для подачи напряжения зарядки на аккумулятор включается часть 8 переключателя зарядки и напряжение от входных клемм А1, А2 поступает на элементы 1-3 аккумулятора. Детекторы 4-6 избыточного заряда определяют, не превышает ли напряжение на каком-либо элементе 1-3 эталонное напряжение, указывающее состояние перезарядки, и в случае превышения эталонного напряжения передает сигнал избыточного напряжения на контроллер 7 зарядки.
Когда на контроллер 7 зарядки с любого из детекторов 4-6 избыточного напряжения поступает сигнал избыточного напряжения, контроллер переводит часть 8 переключателя зарядки в положение «выключено» и подача напряжения зарядки на элементы 1-3 аккумулятора прекращается. Если детекторы 4-6 избыточного напряжения не обнаруживают на элементах 1-3 аккумулятора превышения эталонного напряжения, указывающего состояние перезарядки, часть 8 переключателя зарядки остается в положении «включено».
Описанная конфигурация устройства используется не только в схеме, представленной на фиг.4, но также и в описании к японскому патенту №2007-14091, представляющему обычную технологию контроля напряжения каждого элемента батареи путем непосредственного определения напряжения каждого элемента батареи компаратором напряжения для выявления состояния перезарядки.
Между прочим, так как в схеме, показанной на фиг.4 или в японском патенте №2007-14091, для выявления состояния перезарядки каждого элемента аккумулятора контролируется напряжение на каждом элементе аккумулятора, то при различной величине напряжения на элементах аккумулятора вследствие повреждения аккумулятора или другой подобной причины, приводящей к возникновению потребления тока этим участком схемы, этот участок схемы является определяющим, находится ли элемент аккумулятора в состоянии перезарядки или нет. В результате ток, потребляемый участком схемы, является током зарядки и разрядки элементов аккумулятора и, следовательно, этот участок схемы сам нарушает баланс напряжения между элементами.
Допустим, например, что имеется схема зарядки, в которой детекторы 4-6 избыточного напряжения для обнаружения напряжения трех элементов 1-3 литий-ионных аккумуляторов, соединенных последовательно, подключены непосредственно к элементам 1-3 литий-ионных аккумуляторов, как показано на фиг.4. В этом случае, если выполняется соотношение токов в уравнении 1, где ток I1a, протекающий через детектор 4 избыточного напряжения, соответствующий элементу 1 аккумулятора, токи I2a и I2b, протекающие через детектор 5 избыточного напряжения, соответствующие элементу 2 аккумулятора, и токи I3a и I3b, протекающие через детектор 6 избыточного заряда, соответствующие элементу 3 аккумулятора, то токи зарядки и разрядки I1 и I2 не протекают через каждый элемент аккумулятора.
Уравнение 1
I2a+I2b=I1a
I3a+I3b=I2a
Однако если напряжения на элементах 1-3 аккумулятора не равны вследствие повреждения любого из элементов аккумулятора или колебания напряжения, или в том случае, когда не выполняется уравнение 1, контроллер 7 зарядки направляет токи зарядки/разрядки I1 и I2 через элементы 1 и 2 аккумулятора и заряжает и разряжает элементы 1 и 2 аккумулятора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения описанных проблем предложено настоящее изобретение, представляющее собой схему зарядки для аккумуляторной батареи, в которой осуществляется контроль напряжения средней точки между элементами аккумуляторной батареи, соединенными последовательно, и имеется возможность запрета протекания тока зарядки/разрядки от средней точки к каждому элементу аккумулятора путем подключения к средней точке операционного усилителя. Другой целью настоящего изобретения является выбор повторителя напряжения с операционным усилителем и npn-транзистором и использование выхода повторителя напряжения для создания основы схемы, которая обнаруживает и сравнивает напряжения, чтобы избыточное напряжение на каждом элементе аккумулятора могло быть обнаружено с высокой точностью без выполнения сложных расчетов.
Для достижения указанных целей настоящее изобретение представляет собой схему защиты от перезарядки вторичной аккумуляторной батареи, предназначенную для защиты аккумуляторной батареи, состоящей из множества соединенных последовательно элементов аккумулятора, имеющую средство обнаружения избыточного напряжения для обнаружения, для каждого элемента аккумулятора, напряжения элемента аккумулятора и определения, равно ли это напряжение или выше эталонного напряжения, указывающего состояние перезарядки, причем схема защиты от перезарядки дополнительно имеет средство управления зарядкой для прекращения зарядки множества элементов аккумулятора в том случае, если любым из средств обнаружения избыточного напряжения будет определено, что напряжение на элементе аккумулятора равно или выше эталонного напряжения и повторитель напряжения, частью которого является операционный усилитель, служащий в качестве элемента с высоким входным сопротивлением, а напряжение в средней точке между двумя соседними элементами аккумулятора является входным напряжением повторителя напряжения, и выходное напряжение повторителя подается на средство обнаружения избыточного напряжения.
В схеме защиты от перегрузки вторичной аккумуляторной батареи с описанными выше характеристиками напряжение средней точки между множеством последовательно соединенных элементов аккумулятора обнаруживают операционные усилители, а затем производится преобразование сопротивления, чтобы токи, текущие от средней точки и к средней точке, препятствовали друг другу, а входной/выходной ток от средней точки элементов аккумулятора к каждому элементу был запрещен. Таким образом, в схеме зарядки с пассивными элементами можно предотвратить ухудшение характеристик схемы, вызванное поглощением тока. В данном случае считается, что повторитель напряжения имеет высокое входное сопротивление и коэффициент усиления 1. Это предположение основывается на свойствах повторителя напряжения, определяющихся технологией.
Одной особенностью описанного выше изобретения схемы защиты от перезарядки аккумуляторной батареи является то, что повторитель напряжения имеет npn-транзистор, а выходная клемма операционного усилителя соединена с базой npn-транзистора.
В соответствии с описанной выше особенностью несмотря на то, что напряжение на выходе операционного усилителя составляет около 70% напряжения питания, npn-транзистор, соединен с выходом операционного усилителя для настройки повторителя напряжения таким образом, чтобы компенсировать потери в операционном усилителе. Следовательно, даже в том случае, если напряжение на аккумуляторе будет иметь самое высокое значение или будет равно нулю при коротком замыкании аккумулятора, на напряжение в средней точке будет воздействовать точное преобразование сопротивления и напряжение каждого элемента аккумулятора может быть определено с высокой степенью точности.
Другой особенностью описанной выше схемы защиты от перезарядки аккумуляторной батареи является то, что аккумуляторная батарея состоит из последовательного соединения множества элементов аккумулятора, и плюсовой и минусовой выводы находятся, соответственно, с двух сторон последовательного соединения, и что основой средства обнаружения избыточного напряжения для обнаружения напряжения каждого второго и последующего элемента аккумуляторной батареи, следующего от минусовой клеммы, является выходное напряжение повторителя напряжения.
В соответствии с описанной выше особенностью, если аккумуляторная батарея находится в состоянии перезарядки, основой для определения избыточного напряжения каждого элемента аккумулятора средством обнаружения избыточного напряжения является напряжение на выходе повторителя напряжения, состоящего из операционного усилителя и npn-транзистора. В результате избыточное напряжение каждого элемента аккумулятора может быть определено с высокой степенью точности без сложных расчетов.
Еще одной особенностью данного изобретения, в котором в схеме защиты от перезарядки аккумуляторной батареи основой средства обнаружения избыточного напряжения служит напряжение на выходе повторителя напряжения, является то, что схема защиты от перезарядки имеет сопротивление обнаружения тока зарядки для обнаружения тока зарядки, один конец которого соединен с клеммой, запитанной током зарядки снаружи, и другой конец с минусовой клеммой, и что эмиттер npn-транзистора соединен с одним концом сопротивления обнаружения тока зарядки.
Описанная выше особенность позволяет исключить напряжение насыщения между коллектором и эмиттером npn-транзистора в том случае, когда на одном из последовательно соединенных элементов аккумулятора возникает короткое замыкание (напряжение равно 0 В). В частности, напряжение на входной клемме сопротивления обнаружения тока, к которому подключено напряжение питания от зарядного устройства или подобного ему, ниже, чем напряжение на минусовом выводе (обозначенном здесь как отрицательный электрод), на величину тока i, умноженную на величину сопротивления обнаружения тока, где i - является током зарядки, протекающим к аккумулятору. Следовательно, при подсоединении эмиттера npn-транзистора к входному выводу сопротивления обнаружения тока, напряжение на коллекторе npn-транзистора будет контролироваться такой же величиной напряжения, как напряжение отрицательного электрода, так что будет исключена разница напряжений из-за напряжения насыщения.
Еще одной особенностью данного изобретения схемы защиты от перезарядки аккумуляторной батареи с описанными выше основными характеристиками является то, что схема защиты от перезарядки имеет часть переключателя зарядки, который включается/выключается для зарядки аккумулятора, и когда определено, что напряжение элемента аккумулятора, обнаруженного любым из средств обнаружения избыточного напряжения, равно или выше эталонного напряжения, средство управления зарядкой осуществляет управление выключением части переключателя зарядки для прекращения зарядки элементов аккумулятора.
В соответствии с описанной выше особенностью, когда средство обнаружения избыточного напряжения определяет, что фактическое напряжение на элементе аккумулятора является избыточным напряжением, средство управления зарядки осуществляет управление включения части переключателя зарядки, причем часть переключателя зарядки сконфигурирована pmos-транзистором и т.п. таким образом, что ток зарядки, подаваемый на второй аккумулятор, может быть легко блокирован.
Еще одной особенностью изобретения является то, что схема защиты от перезарядки аккумуляторной батареи, имеющая описанные выше характеристики, содержит часть переключателя разрядки, которая включается/выключается для разрядки аккумулятора, и средство обнаружения чрезмерной разрядки для определения любым средством обнаружения избыточного напряжения равна или менее эталонного значения величина напряжения в состоянии чрезмерной разрядки, и когда средство обнаружения чрезмерной разрядки определяет, что напряжение на любом элементе аккумулятора равно или ниже эталонного значения, указывающего состояние чрезмерной зарядки, средство управления зарядки переводит часть переключателя разрядки в положение «выключено».
В соответствии с описанной выше особенностью защита от перезарядки осуществляется путем обнаружения избыточного напряжения на каждом элементе аккумулятора, а состояние чрезмерной разрядки определяется на основе напряжения разрядки на аккумуляторной батарее, когда она находится в состоянии перезарядки. Таким же образом аккумуляторная батарея может быть защищена от перехода в состояние чрезмерной разрядки.
Здесь состояние разрядки означает, что аккумуляторная батарея разряжается путем перевода средством управления зарядки части переключателя зарядки в положение «выключено» и одновременного перевода части переключателя разрядки в положение «включено». Следовательно, когда фактическое напряжение на элементе аккумулятора, определяемое при разрядке аккумуляторной батареи, меньше или равно эталонному напряжению, указывающему состояние чрезмерной разрядки, средство обнаружения чрезмерной разрядки выключает часть переключателя разрядки для прекращения разрядки.
В соответствии с настоящим изобретением напряжение в средней точке между множеством элементов аккумулятора, соединенных последовательно, обнаруживается операционным усилителем и затем происходит преобразование сопротивления таким образом, чтобы запретить протекание тока к средней точке и от средней точки и протекание входного/выходного тока от средней точки между элементами аккумулятора к каждому элементу аккумулятора. Соответственно, в схеме зарядки с пассивными компонентами может быть предотвращено искажение характеристик тока, вызванных поглощением тока.
Далее, при определении состояния перезарядки аккумуляторной батареи для определения, является ли напряжение на каждом элементе аккумулятора избыточным напряжением, основой средства обнаружения избыточного напряжения служит вывод повторителя напряжения с операционным усилителем и npn-транзистором. В результате избыточное напряжение каждого элемента аккумулятора может быть определено с высокой степенью точности без выполнения сложных расчетов.
Дополнительно, хотя напряжение на выходе операционного усилителя составляет приблизительно 70% напряжения питания, для того чтобы компенсировать потери в операционном усилителе, npn-транзистор соединен с выходом операционного усилителя, входящего в состав повторителя напряжения. Следовательно, даже в том случае, если напряжение на аккумуляторной батарее будет наивысшим из-за короткого замыкания аккумулятора (напряжение равно 0 В), на напряжение в средней точке окажет воздействие преобразование сопротивления и напряжение на каждом элементе аккумулятора может быть определено с высокой степенью точности.
Если соединенные элементы аккумулятора включают в себя короткозамкнутый элемент (напряжение равно 0 В), между коллектором и эмиттером npn-транзистора возникает напряжение насыщения, которое трудно исключить из-за характеристик прибора. В частности, если даже транзистор находится в полностью включенном состоянии, когда происходит замыкание аккумулятора, из-за напряжения насыщения между коллектором и эмиттером, напряжение коллектора npn-транзистора больше напряжения эмиттера приблизительно на величину нескольких десятков милливольт.
Однако напряжение на входной клемме сопротивления обнаружения тока меньше, чем напряжение на отрицательном электроде на величину тока i, умноженную на величину сопротивления сопротивления обнаружения тока, где i - протекающий через аккумулятор ток зарядки. Следовательно, при соединении эмиттера npn-транзистора с входной клеммой упомянутого сопротивления обнаружения тока напряжение на коллекторе npn-транзистора может регулироваться такой же величиной напряжения, как и напряжение на отрицательном электроде, так что будет исключено различие, вызванное напряжением насыщения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 представлена блок-схема варианта осуществления данного изобретения схемы зарядки для аккумулятора.
На Фиг.2 представлена блок-схема другого варианта осуществления данного изобретения схемы зарядки для аккумулятора.
На Фиг.3 представлена блок-схема еще одного варианта осуществления данного изобретения схемы зарядки, способной осуществлять защиту чрезмерной разрядки аккумулятора.
На Фиг.4 представлена блок-схема обычной схемы зарядки для аккумулятора.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
1. Настоящий вариант осуществления
1.1 Основная конфигурация
Далее описана базовая конфигурация схемы зарядки, соответствующая данному изобретению, представленная на фиг.1.
Так как конфигурация схемы зарядки, соответствующая данному изобретению, получена путем добавления новых компонентов к обычной схеме зарядки, показанной на фиг.4, использована та же самая нумерация одинаковых компонентов, как и на фиг.4, и здесь эти объяснения опущены.
Схема зарядки в соответствии с данным изобретением, показанная на фиг.1, также как и обычная схема зарядки, показанная на фиг.4, представляет собой схему для зарядки аккумуляторной батареи, состоящей из трех элементов 1-3 аккумулятора, соединенных последовательно. Эта схема зарядки содержит детекторы 4-6 избыточного напряжения, которые обнаруживают, является ли напряжение на каждом из элементов 1-3 аккумулятора избыточным, контроллер 7 зарядки, определяющий на основе значений напряжения, полученных детекторами 4-6 избыточного заряда, находятся ли элементы аккумуляторной батареи в состоянии перезарядки, и управляющий включением/выключением части 8 переключателя зарядки. В этом варианте осуществления детекторы 4-6 избыточного заряда не подсоединены последовательно к элементам 1-3 литий-ионного аккумулятора, а повторители 101, 102, напряжения, состоящие из операционного усилителя, npn-транзистора и т.п., подключены к средней точке между последовательно соединенными элементами 1-3 аккумулятора, т.е. к точке между элементом 1 аккумулятора и элементом 2 аккумулятора и к точке между элементом 2 аккумулятора и элементом 3 аккумулятора, соответственно. В этом случае выходные напряжения повторителей 101, 102 напряжения являются основой для детекторов 5 и 6 избыточного напряжения соответственно.
Так как повторители 101, 102 напряжения обеспечены группой элементов 1-3 аккумуляторной батареи и группой детекторов 4-6 избыточного напряжения, напряжения между средними точками (напряжение между средней точкой элемента 1 аккумулятора и элемента 2 аккумулятора обозначено V1, а напряжение между средней точкой элемента 2 аккумулятора и элемента 3 аккумулятора обозначено V2) поступают на операционный усилитель, служащий в качестве элемента с высоким входным элементом, что препятствует протеканию токов заряда/разряда, обозначенных на фиг.4 как I1, I2, к средней точке между элементами 1 и 2 аккумулятора и к средней точке между элементами 2 и 3 аккумулятора. В данном варианте осуществления считается, что «повторитель напряжения» определен как имеющий характеристики «высокое входное сопротивление напряжения» и коэффициент усиления равен 1”, как уже описано выше.
1.2. Особенности конфигурации
Далее особенности конфигурации данного варианта осуществления схемы зарядки описаны подробно со ссылками на фиг.1. Отметим, что использована та же самая нумерация одинаковых компонентов, как и в обычной схеме зарядки, показанной на фиг.4, и здесь эти объяснения опущены.
В данном варианте осуществления, как показано на фиг.1, повторитель 101 напряжения состоит из операционного усилителя IC1, npn-транзистора Q1 и других компонентов. Повторитель 102 напряжения состоит из операционного усилителя IC2, npn-транзистора Q2 и других компонентов.
out
Напряжение V1 со средней точки между последовательно соединенными элементами 1 и 2 аккумулятора поступает на инвертирующий вход (минусовую клемму) операционного усилителя IC1, входящего в состав повторителя 101 напряжения, а выход этого операционного усилителя IC1 через сопротивление R1 соединен с базой npn-транзистора Q1. Выход коллектора транзистора Q1-V1 соединен с неинвертирующим входом (плюсовой входной клеммой) операционного усилителя IC1.
out
Для уменьшения скорости срабатывания npn-транзистора Q1 к нему подключен конденсатор С1 с относительно большой емкостью и сопротивление R2, и выходное напряжение V1на коллекторе становится таким же, как и V1.
out
Подобным образом напряжение V2 со средней точки между последовательно соединенными элементами 2 и 3 аккумулятора поступает на инвертирующий вход (минусовую клемму) операционного усилителя IC2, входящего в состав повторителя 102 напряжения, а выход этого операционного усилителя IC2 через сопротивление R3 соединен с базой npn-транзистора Q2. Выход коллектора транзистора Q2-V2 соединен с неинвертирующим входом (плюсовой входной клеммой) операционного усилителя IC2.
out
Для уменьшения скорости срабатывания npn-транзистора Q2 к нему подключен конденсатор С2 с относительно большой емкостью и сопротивление R4, и выходное напряжение V2на коллекторе становится таким же, как V2.
out
out
Сопротивления R11, R12 соединены с входной клеммой А1 и коллекторами npn-транзисторов Q1 и Q2, соответственно. Сопротивления R11, R12 удерживают напряжение на входе А1, восполняя токи потребления npn-транзисторов Q1 и Q2, чтобы стабилизировать выходное напряжение V1 и V2 на коллекторах. Так как сопротивления R11, R12, на которые поступает напряжение от входной клеммы А1, соединены как описано выше с коллекторами npn-транзисторов Q1 и Q2, напряжение на входной клемме А1 является входным напряжением на неинвертирующих входах (плюсовых клеммах) операционных усилителей IC1, IC2.
out
out
Детекторы 4-6 избыточного напряжения, состоящие из сопротивлений и шунтирующих стабилизаторов и обнаруживающие напряжения на элементах 1-3 аккумулятора, как показано на фиг.1, расположены таким образом, что основание детектора 4 избыточного напряжения подключено к отрицательному электроду аккумуляторной батареи, напряжение на основании детектора 5 избыточного напряжения является выходным напряжением V1 повторителя 101 напряжения, а напряжение на основании детектора 6 избыточного напряжения является выходным напряжением V2 повторителя 102 напряжения. Таким образом детекторы 4-6 избыточного напряжения могут обнаруживать напряжения на элементах аккумулятора без использования арифметической схемы.
out
Относительно детекторов избыточного напряжения нужно отметить, что детектор 4 избыточного напряжения содержит два сопротивления R5, R6 и шунтирующий стабилизатор IC3, причем контрольный электрод шунтирующего стабилизатора IC3 подключен к соединяющей точке между последовательно соединенными сопротивлениями R5, R6, катод шунтирующего стабилизатора IC3 подключен к контроллеру 7 зарядки и анод стабилизатора - к основанию детектора 4 избыточного напряжения. Следует отметить, что вывод сопротивления R5, противоположный тому, который соединен с сопротивлением R6, подключен к выходу V1 повторителя 101 напряжения.
out
Таким образом, шунтирующий стабилизатор IC3 посредством сопротивления R5, R6 делит напряжение V1 элемента 1 аккумулятора. Когда потенциал общей точки сопротивлений R5, R6 равен или выше эталонного напряжения шунтирующего стабилизатора IC3, через катод протекает ток и сигнал избыточного напряжения передается от шунтирующего стабилизатора IC3 на контроллер 7 зарядки.
out
out
Так же, как и в случае детектора 4 избыточного напряжения, детектор 5 избыточного напряжения содержит два сопротивления R7, R8 и шунтирующий стабилизатор IC4, причем контрольный электрод шунтирующего стабилизатора IC4 подключен к общей точке между последовательно соединенными сопротивлениями R7, R8, катод шунтирующего стабилизатора IC4 подключен к контроллеру 7 зарядки и анод стабилизатора - к основанию детектора 5 избыточного напряжения, которое имеет выходное напряжение V1 повторителя 101 напряжения. Следует отметить, что вывод сопротивления R7, противоположный тому, который соединен с сопротивлением R8, подключен к выходу V2 повторителя 102 напряжения.
out
out
Таким образом, шунтирующий стабилизатор IC4 посредством сопротивлений R7, R8 делит напряжение V2-V1 элемента 2 аккумулятора. Когда потенциал общей точки сопротивлений R7, R8 равен или выше эталонного напряжения шунтирующего стабилизатора IC4, через катод протекает ток и сигнал избыточного напряжения передается от шунтирующего стабилизатора IC3 на контроллер 7 зарядки.
out
Так же, как и в случае детекторов 4 и 5 избыточного напряжения, детектор 6 избыточного напряжения содержит два сопротивления R9, R10 и шунтирующий стабилизатор IC5, причем контрольный электрод шунтирующего регулятора IC5 подключен к общей точке между последовательно соединенными сопротивлениями R9, R10, катод шунтирующего стабилизатора IC5 подключен к контроллеру 7 зарядки и анод стабилизатора - к основанию детектора 6 избыточного напряжения, которое имеет выходное напряжение V2 повторителя 102 напряжения. Следует отметить, что вывод сопротивления R9, противоположный тому, который соединен с сопротивлением R10, подключен к положительному электроду аккумуляторной батареи.
out
Таким образом, шунтирующий стабилизатор IC5 посредством сопротивлений R9, R10 делит напряжение, напряжение V2 положительного электрода, являющееся напряжением элемента 3 аккумулятора. Когда потенциал, соединяющей точки между сопротивлениями R9, R10, равен или выше предварительного эталонного напряжения шунтирующего стабилизатора IC5, через катод протекает ток и сигнал избыточного напряжения передается от шунтирующего стабилизатора IC5 на контроллер 7 зарядки.
is
Следует отметить, что положительный электрод аккумуляторной батареи, соединенный последовательно с элементами 1-3 аккумулятора, подключен к входной клемме А1 через часть 8 переключателя зарядки и диод D1, расположенный между частью 8 переключателя зарядки и положительным электродом, служит для предотвращения обратного протекания тока. Кроме того, отрицательный электрод аккумулятора через сопротивление R обнаружения тока соединен с входной клеммой А2. Часть 8 переключателя зарядки содержит диод и pmos-транзистор.
is
Эмиттеры npn-транзисторов Q1, Q2 подсоединены к сопротивлению R обнаружения тока со стороны входной клеммы А2, чтобы исключить разницу напряжения насыщения между коллектором и эмиттером каждого транзистора Q1, Q2 при коротком замыкании любого элемента 1-3 аккумулятора (напряжении на аккумуляторе, равном 0 В).
sat
А именно, из-за напряжения насыщения V между коллектором и эмиттером каждого npn-транзистора Q1, Q2 напряжение на коллекторе каждого npn-транзистора Q1, Q2 выше, чем напряжение на эмиттере на несколько десятков милливольт, даже в том случае, когда транзисторы Q1, Q2 находятся в полностью открытом состоянии. Другими словами эта разница между напряжениями не может быть исключена из-за характеристик аккумулятора, даже если операционные усилители IC1, IC2 и соответственно повторители 101, 102 напряжения будут управлять выходом.
is
is
is
Когда ток i зарядки протекает между элементами 1-3 аккумулятора, напряжение на входной клемме А2 со стороны сопротивления R обнаружения тока меньше, чем напряжение на отрицательном электроде аккумулятора на величину i×R. Таким образом, при соединении эмиттеров npn-транзисторов Q1, Q2 к входной клемме А2 со стороны сопротивления R тока, напряжение на которой меньше, чем на отрицательном электроде, на коллекторах транзисторов Q1, Q2 будет такое же напряжение, как и на отрицательном электроде. Чтобы это было верным, должно выполняться выражение 2.
Выражение 2
sat
is
V≤R×i
1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Далее описан процесс защиты от перезарядки схемы зарядки, выполненной в соответствии с предложенной выше конфигурацией данного варианта осуществления. Отметим, что состоянием зарядки элементов 1-3 аккумулятора считается таким состоянием, при котором контроллер 7 зарядки осуществляет управление включения части 8 переключателя зарядки, и энергия передается на элементы 1-3 аккумулятора через входные клеммы А1, А2 путем включения части 8 переключателя зарядки.
В этом состоянии напряжение V1 средней точки между элементом 1 аккумулятора и элементом 2 аккумулятора является входным для инвертирующего (минусового) вывода операционного усилителя IC1, а на неинвертирующий вход операционного усилителя IC1 (плюсовой) передается электрический заряд от входа А1 через сопротивление R11. В то же время напряжение V2 в точке соединения элементов аккумулятора 2 и 3 является входным для инвертирующего (минусового) вывода операционного усилителя IC2, а на неинвертирующий вход операционного усилителя IC2 (плюсовой) передается электрический заряд от входа А1 через сопротивление R12.
Таким образом, когда напряжение на неинвертирующем (плюсовом) выводе выше, чем на инвертирующем (минусовом) выводе, с операционных усилителей IC1, IC2 передаются сильные выходные сигналы для включения npn-транзисторов Q1, Q2. Когда напряжение на неинвертирующем (плюсовом) выводе ниже, чем на инвертирующем (минусовом) выводе, с операционных усилителей IC1, IC2 передаются слабые выходные сигналы для выключения npn-транзисторов Q1, Q2. В состоянии зарядки с выхода операционных усилителей IC1, IC2 обычно снимаются сильные сигналы, т.к. напряжение на неинвертирующем входе (плюсовом выводе) больше, чем на инвертирующем входе (минусовом выводе).
В результате сильные выходные сигналы с операционных усилителей IC1, IC2 переводят npn-транзисторы Q1, Q2 в состояние включения. Далее детекторы 4-6 избыточного напряжения обнаруживают напряжения на элементах 1-3 аккумулятора и определяют, превышают ли обнаруженные напряжения заранее установленные эталонные напряжения шунтирующих стабилизаторов IC3-IC5 детекторов 4-6 избыточного напряжения, причем эталонные напряжения указывают состояние избыточного напряжения. Затем, если любой из детекторов 4-6 избыточного напряжения, соответствующих элементам 1-3 аккумулятора, определит, что напряжение аккумулятора выше эталонного значения, через катод шунтирующего стабилизатора этого детектора избыточного напряжения потечет ток. В результате сигнал избыточного напряжения будет передан на контроллер 7 зарядки.
С другой стороны, когда все из трех детекторов 4-6 избыточного напряжения, соответствующих элементам 1-3 аккумулятора, определяют, что напряжения аккумулятора не превышают эталонных напряжений, указывающих состояние избыточного напряжения, сигнал избыточного напряжения не передается на контроллер 7 зарядки, и каждый элемент аккумулятора продолжает заряжаться.
При поступлении сигнала избыточного напряжения от любого из детекторов 4-6 избыточного напряжения контроллер 7 зарядки определяет, что аккумуляторная батарея находится в состоянии перезарядки и выключает часть 8 переключателя зарядки из положения «включено» в положение «выключено». Затем, если какой-либо из элементов 1-3 аккумулятора находится в состоянии перезарядки, подача электрического заряда от входных клемм А1, А2 прекращается и процесс зарядки аккумулятора останавливается. Если зарядка останавливается путем выключения части 8 переключателя зарядки через диод части 8 выключателя зарядки течет ток разрядки.
В соответствии с представленным вариантом осуществления напряжения от точек соединения множества элементов аккумулятора, соединенных последовательно, определяются операционными усилителями и затем происходит преобразование величины полного сопротивления для того, чтобы препятствовать протеканию тока к точкам соединения элементов аккумулятора и от них и препятствовать протеканию входного/выходного тока между точками соединения элементов аккумулятора. В результате в схемах зарядки с некоторым количеством пассивных компонентов, предотвращается ухудшение характеристик схемы вследствие поглощения тока.
Далее при определении состояния перезарядки аккумулятора основой обнаружения избыточного напряжения служит выявление, является ли напряжение каждого элемента аккумулятора избыточным, путем измерения напряжения на выходе повторителя напряжения, состоящего из операционного усилителя и npn-транзистора. В результате величина избыточного напряжения каждого элемента аккумулятора может быть измерена с высокой точностью без сложных расчетов.
Кроме того, хотя напряжение на выходе операционного усилителя составляет максимум 70% напряжения питания, к выходу операционного усилителя подключен npn-транзистор, входящий в состав повторителя напряжения, чтобы компенсировать потери в операционном усилителе. В том случае, если напряжение на аккумуляторе достигает наивысшего значения или на одном из элементов аккумулятора короткое замыкание (напряжение равно 0 В), на напряжение в точке соединения элементов воздействует точное преобразование величины полного сопротивления и напряжение каждого элемента аккумулятора может быть определено с высокой точностью.
sat
sat
Если среди соединенных элементов аккумулятора имеется короткозамкнутый элемент (напряжение равно 0 В), между коллектором и эмиттером npn-транзистора возникает напряжение V насыщения, которое из-за характеристик прибора трудно исключить. В частности, даже если при коротком замыкании аккумулятора транзистор находится полностью во включенном состоянии, напряжение насыщения V транзистора между коллектором и эмиттером увеличивает напряжение коллектора npn-транзистора по сравнению с напряжением эмиттера на несколько десятков милливольт.
is
is
is
sat
Однако напряжение на входной клемме А2 со стороны сопротивления R обнаружения тока меньше, чем напряжение на отрицательном электроде на величину i×R, где i - величина тока зарядки аккумулятора. Следовательно, при соединении эмиттера npn-транзистора с входной клеммой со стороны сопротивления R обнаружения тока, напряжением коллектора транзистора можно управлять такой же величиной напряжения, как и напряжение на отрицательном электроде, чтобы исключить разницу, обусловленную напряжением V насыщения.
ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, каждый повторитель напряжения имеет операционный усилитель и npn-транзистор, подключенные к средней точке соединения элементов аккумулятора, но конфигурация каждого повторителя напряжения не ограничена рамками данного варианта осуществления изобретения. Данное изобретение включает в себя и другие варианты осуществления, в которых повторитель напряжения имеет такую конфигурацию, что инвертирующий вход (минусовой вывод) операционного усилителя соединен непосредственно с выходом.
В частности, как показано на фиг.2 повторители 201, 202 напряжения подключены к средним точкам между тремя литий-ионными элементами аккумулятора так же, как показано на фиг.1. Однако напряжения V1, V2 соответствующих средних точек являются напряжениями на неинвертирующих входах (плюсовых выводах) операционных усилителей IC11, IC12 и эти входные напряжения V1, V2 являются основой детекторов 5, 6 избыточного напряжения. А именно, поскольку npn-транзисторы, показанные на фиг.1, не используются в варианте осуществления изобретения, показанного на фиг.2, рабочий диапазон операционных усилителей IC11, IC12 не принимается во внимание. Однако имеется и такой вариант осуществления изобретения, в котором выходы повторителей 201, 202 напряжения, соответствующие напряжениям V1, V2 со средних точек, поступают непосредственно на детекторы 4-6 избыточного напряжения.
Кроме того, данное изобретение не ограничивается схемой зарядки описанного выше варианта осуществления, в котором защита от перезарядки осуществляется путем обнаружения избыточного напряжения каждого элемента аккумулятора. Данное изобретение включает в себя также такой вариант, когда имеется схема разрядки для обнаружения напряжения чрезмерной разрядки каждого элемента аккумулятора в состоянии перезарядки. В частности, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, имеется не только часть 8 переключателя зарядки, действие которой в качестве элемента переключения показано на фиг.1, но и часть 9 переключателя разрядки для защиты от чрезмерной разрядки, расположенной на месте диода D1, предотвращающего протекание тока в обратном направлении. В схеме имеется также детектор 10 чрезмерной разрядки, который обнаруживает состояние чрезмерной разрядки по напряжению, обнаруженному детекторами избыточного напряжения контроллера 7 зарядки.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, показан фактический принцип действия разрядки аккумуляторной батареи, описанный далее. Сначала, когда выключена часть 8 переключателя зарядки и включена часть 9 переключателя разрядки, ток разрядки протекает от входной клеммы А1 через диод части 8 переключателя зарядки, находящегося в состоянии «выключено». Здесь детектор 10 чрезмерной разрядки контроллера 7 зарядки определяет состояние чрезмерной разрядки путем измерения напряжения одного из элементов аккумулятора, величина которого равна или менее эталонного напряжения, на основе измерения напряжений элементов 1-3 аккумуляторов детекторами 4-6 избыточного напряжения. Если детектор 10 чрезмерной разрядки определяет, что произошло изменение напряжения какого-либо элемента аккумулятора до уровня, равного или менее величины эталонного напряжения, контроллер 7 зарядки определяет, что аккумуляторная батарея находится в состоянии чрезмерной разрядки, выключает часть 9 переключателя разрядки и одновременно включает часть 8 переключателя зарядки.
В данном варианте осуществления в качестве аккумуляторной батареи используется литий-ионный аккумулятор, но изобретение предполагает также использование никель-металл-гидридных или никель-кадмиевых аккумуляторов.
Хотя в данном изобретении состояние перезарядки определяется в процессе зарядки по избыточному напряжению любого элемента 1-3 аккумулятора и затем процесс зарядки прекращается путем выключения части 8 переключателя зарядки, данное изобретение включает в себя также такой вариант, в котором используется жидкокристаллический или другой дисплей для передачи информации о нахождении аккумуляторной батареи в состоянии перезарядки. В частности, это позволяет не только осуществлять выключение части 8 переключателя зарядки, но и использовать дисплей для определения того, что часть переключателя зарядки находится в положении «выключено», а также для передачи информации о том, что, аккумулятор находится в состоянии перезарядки без выключения части переключателя зарядки. Подобным образом дисплей можно использовать для информирования о положении включено/выключено части 9 переключателя разрядки.