DE69733854T2

DE69733854T2 - Schaltung zur Auswahl und Bestimmung eines Master-Batteriepakets in einem Computersystem

Info

Publication number: DE69733854T2
Application number: DE69733854T
Authority: DE
Inventors: Brian C. The Woodlands Fritz
Original assignee: Compaq Computer Corp
Current assignee: Compaq Computer Corp
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: JPH103329A; DE69733854D1; JP3766500B2; EP0794480B1; US5717937A; EP0794480A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Computersystem, bei dem entnehmbare Batteriepakete für die Stromversorgung verwendet werden, und insbesondere auf eine Schaltung, die wirkungsvoll ein Batteriepaket als Master kennzeichnet.
Computer werden oft an Orten benötigt, an denen herkömmlicher Wechselstrom nicht verfügbar ist, weshalb wiederaufladbare Batterien normalerweise als alternative Stromquelle verwendet werden. Beispielsweise beschreibt EP-A-0607 Stromversorgungen für tragbare Vorrichtungen. Beispiele für Batterien für eine derartige Verwendung umfassen Batterien auf Nickelbasis und Lithiumionen-Batterien. Diese Batterien können einem tragbaren Computersystem für mehrere Stunden Strom zur Verfügung stellen. Batteriezellen befinden sich in einem Batteriepaket, wobei die Batteriezellen normalerweise in Reihe angeordnet sind. Bisweilen enthält jedes Paket zwei oder mehrere parallelgeschaltete Zellen. Das Batteriepaket wird normalerweise entweder in einem externen Ladegerät oder durch die Stromversorgung des Host-Computersystems wiederaufgeladen.
Ein fundamentales Erfordernis der Lithiumionen-Batterien besteht darin, dass sie kontrolliert entladen und geladen werden müssen. Dieses Erfordernis ist vorherrschend, da die Möglichkeit besteht, dass eine Lithiumbatterie explodiert, wenn sie unsachgemäß geladen oder entladen wird. Batteriepakethersteller schließen normalerweise zwei Feldeffekttransistoren (FETs) ein, die in der Lage sind, das Laden und Entladen der Batterie zu blockieren, wodurch der Sicherheitsgrad erhöht wird.
Darüber hinaus ist in vielen Fällen eine Sensorschaltung im Batteriepaket enthalten, um die Spannung jeder Lithiumionenzelle zu überwachen und eine Batteriestandsmessung einzurichten. Die Batteriestandsmessung ist der Vorgang der Ermittlung, wie viel nutzbare Ladung in der Batterie verbleibt, und wird normalerweise durch Coulomb-Zählung bewerkstelligt. Die Anschlusszellenspannung ist für wenigstens vier unterschiedliche Zellenzustände kennzeichnend. In einem Zustand ist die Zelle ordnungsgemäß geladen und in der Lage, dem Computersystem Strom zu Verfügung zu stellen. In einem weiteren Zustand wird die Zelle tiefentladen. Wenn eine Zelle auf Nickelbasis oder eine Lithiumionenzelle tiefentladen wird, fällt die Anschlusszellenspannung auf eine Tiefentladungsminimalspannung, die anzeigt, dass die Zelle nicht wiederaufgeladen werden kann und normalerweise entsorgt wird. Ein weiterer Zustand für die Zelle wird durch eine geringfügig höhere Spannung als die Tiefentladungsminimalspannung angezeigt, die anzeigt, dass die Zelle entladen ist, jedoch wiederaufgeladen werden kann. Ein vierter Zustand für die Zelle tritt auf, wenn die Anschlussspannung eine Maximalspannung überschreitet, wodurch angezeigt ist, dass die Zelle überladen ist.
Bei als "intelligent" bekannten Batteriepaketen, leitet die Sensorschaltung in der Packung Zellspannungsinformationen zu einem Batterie-Mikrocontroller. Der Mikrocontroller ermittelt seinerseits, ob die Batteriepackung geladen werden muss, entladen werden könnte, oder entsorgt werden muss. Ein Batteriepaket dieser Art enthält zudem einen Ladungsschalter und einen Entladungsschalter, die durch den Mikrocontroller gesteuert werden und das Laden und Entladen des Batteriepaketes gemäß dem Zustand der Zellen ermöglichen.
Wiederaufladbare Batterien haben einen begrenzten Lebenszyklus, wobei die Entladungszykluszeit normalerweise in Stunden und nicht in Tagen gemessen wird. Um diesem Problem zu begegnen, haben Computerhersteller begonnen, mehrere Batteriepakete in tragbare Computersysteme einzubauen. Die Verwendung mehrerer Batteriepakete ermöglicht es dem Benutzer, für einen längeren Zeitraum in einer mobilen Umgebung zu bleiben. Mehrere Batteriepakete stellen zudem eine bestimmte Größe einer Stromversorgungs-Redundanz bereit.
Die Verwendung mehrerer Batteriepakete kann jedoch Probleme bei der Bauweise hervorrufen. Wenn zwei oder mehr Batteriepakete gleichzeitig aktiv sind, können Unterschiede der Ladungspegel zwischen den Paketen bewirken, dass ein Strom vom einen Batteriepaket zu anderen fließt. Eine derartige "Rückladung" kann zerstörerische Auswirkungen auf die Batteriezellen haben. Um diese und andere Probleme zu bewältigen, muss eine Schaltung, die sicherstellt, dass lediglich ein Batteriepaket (das "Master-Batteriepaket") dem System Strom zu einer bestimmten Zeit zur Verfügung stellt, entweder im Host-Computer oder im Batteriepaket an sich enthalten sein. Die Batteriepaket-"Wähl"-Schaltung trägt zu unerwünschten Bauteilkosten und unerwünschter Größe des Computersystems bei. Sowohl die Kosten als auch die Größe sind Gebiete von spezieller Bedeutung auf dem Markt tragbarer Computer.
Kurz gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Schaltung zum Wählen eines Master-Batteriepaketes, um einem Computersystem Strom zuzuführen, das mehrere Batteriepakete aufnehmen kann. Insbesondere wird ein bidirektionales Master-Batteriesignal dem Mikrocontroller jedes installierten Batteriepaketes wie auch der Wählschaltung zugeführt, die im Host-System enthalten ist. Dieses Signal wird verwendet um zu kennzeichnen, welche Batterie im System Strom zur Verfügung stellt – die Master-Batterie. Das Batteriepaket, das als Master gewählt ist, erzeugt das Master-Batteriesignal, während alle anderen Batterien dieses Signal überwachen und darauf warten, dass es abgestellt wird. Ein Abstellen des Master-Batteriesignals kennzeichnet, dass das Masterbatteriepaket entfernt worden ist.
Das Master-Batteriesignal arbeitet in Verbindung mit einer Seriellbusschnittstelle zwischen jedem Batteriepaket im Computersystem. Bei der bevorzugten Ausführungsform entspricht der Seriellbus der herkömmlichen I²C-Bus-Spezifikation. Der Ladezustand jedes installierten Batteriepakets wie auch andere Informationen werden von jedem Batteriepaket-Mikrocontroller zur Master-Batterieabschnittsschaltung gesendet, die im Host-System enthalten ist. Wie bei älteren Batterien werden Batteriestatusinformationen durch eine Sensorschaltung bereitgestellt, die mit den Batteriezellen und dem Mikrocontroller jedes Pakets verbunden ist. Die Sensorschaltung überwacht die Batterie auf Unterspannungs-, Überspannungs-, Überladestrom- und Überentladestrombedingungen. Der Batterie-Mikrocontroller ist durch eine Steuerlogik mit den Steueranschlüssen von Lade- und Entladeschaltern verbunden, wodurch es dem Mikrocontroller gestattet ist, die Ladung zu steuern, die in das Batteriepaket gelangt oder dieses verlässt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriepaket für die Verwendung in einem Host-Computersystem mit einer Batteriepaket-Wählschaltung angegeben, wobei das Batteriepaket enthält:
Batteriepaketanschlüsse;
Batteriezellen;
eine Entladungsinkraftsetzschaltung, die mit den Batteriepaketanschlüssen und den Batteriezellen verbunden ist, wobei diese Entladungsinkraftsetzschaltung bei Freigabe eine Entladung der Batteriezellen durch die Batteriepaketanschlüsse ermöglicht und andernfalls das Entladen der Batteriezellen blockiert; und
eine Datenverarbeitungsschaltung, die mit der Entladungsinkraftsetzschaltung elektrisch verbunden ist, wobei die Datenverarbeitungsschaltung enthält:
eine Seriellbusschnittstelle, um Batteriestatusinformationen zur Batteriepaket-Wählschaltung des Host-Computersystems zu senden und Auswählbefehle von der Batteriepaket-Wählschaltung des Host-Computersystems zu empfangen;
eine Master-Batterie-Signalleitungsschnittstelle, um ein Master-Batteriesignal von wenigstens einer Batteriepaketschnittstelle zur Batterie-Wählschaltung zu senden, wobei das Master-Batteriesignal kennzeichnet, wo ein Batteriepaket dem Computersystem Strom zuführt;
eine Logik, die auf das Master-Batteriesignal reagiert und auf Auswahlbefehle reagiert, die über die Seriellbusschnittstelle empfangen werden, um die Entladungsinkraftsetzschaltung zu steuern; und
eine Logik, die wahlweise das Master-Batteriesignal in Abhängigkeit der Auswahlbefehle bereitstellt, die über die Seriellbusschnittstelle empfangen werden.
Wenn das Batteriepaket, das als Master gewählt wurde, aus dem System entfernt wird, oder es beginnt, Strom zu empfangen anstelle Strom abzugeben, wird das Master-Batteriesignal unwirksam. Die Unwirksamkeit des Master-Batteriesignals bewirkt, dass die Entladungsschalter in sämtlichen übrigen Batteriepaketen geschlossen werden. Das Host-Computersystem entscheidet anschließend, welche der übrigen Batteriepakete den Befehl der Master-Batterieleitung empfangen sollen und befiehlt dem gewählten Paket, das Master-Batteriesignal wirksam zu machen und die Master-Batterie zu werden. Die Verwendung eines Master-Batteriesignals und einer Seriellschnittstelle gestattet es Sicherheits-FETs des Batteriepaketes Teil des Entscheidungsprozesses zu werden. Die Erfindung verringert somit den Umfang von Schaltungen, die erforderlich sind, um ein Master-Batteriepaket zu wählen, und verringert zudem den erforderlichen Nachrichtendurchsatz.
Die Erfindung wird mit der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen besser verständlich.
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Batteriepaket gemäß der Erfindung darstellt, das in ein bekannten Host-Computersystem eingesetzt ist;
2A ist eine schematische Darstellung von Details der Steuerlogik von 1;
2B ist ein Zeitgabediagramm, das Steuersignalübergänge zeigt, die dem Einsetzen eines Batteriepaketes in ein Host-Computersystem ohne derzeitigem Master-Batteriepaket folgen;
2C ist ein Zeitgabediagramm, das Steuersignalübergänge während des Übergangs vom Master-Batteriepaket zu einem zweiten Master-Batteriepaket darstellt;
3 ist eine schematische Darstellung der Umschaltschaltung von 1;
4A und 4B sind Flussdiagramme, die die Auswahl eines Master-Batteriepaketes zeigen, wenn ein neues Batteriepaket dem System hinzugefügt wird; und
5 ist ein Flussdiagramm von Schritten, die von einem System gemäß der Erfindung unternommen werden, wenn ein Batteriepaket entnommen wird.
Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, so ist 1 ein Blockschaltbild eines Batteriepaketes B, das in ein Host-Computersystem C eingesetzt ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Host-Computer C in der Lage, vom Batteriepaket B Strom sowohl zu erhalten als auch diesem zuzuführen. Die Anschlüsse VBATT+ und VBATT– sind die positiven bzw. negativen Anschlüsse des Batteriepaketes, über die der Strom dem Host-Computer C zugeführt wird und über die er diesen empfängt. 1 zeigt zwei installierte Batteriepakete B und B', wenngleich die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit beinhalten würde, eine größere Zahl von installierten Batteriepaketen zu unterstützen, die ähnliche oder identische Schaltungen enthalten.
Betrachtet man zunächst das Batteriepaket B ist ein Batterie-Mikrocontroller 100 enthalten, um Überwachungsfunktionen zum Steuern des Ladens und Entladens der Batteriezellen 102 bereitzustellen. Ein CHARG_EQ-Signal, ein TRICKLE_EQ-Signal, ein DISCHG_EN-Signal und ein DISCHG_EQ-Signal werden vom Batterie-Mikrocontroller 100 einem Steuerlogikblock 104 bereitgestellt. Diese Signale werden vom Steuerlogikblock 104 (detailliert in 2A) bei der Erzeugung von Steuersignalen für unterschiedliche Elemente einer Umschaltschaltung 106 (3) verwendet. Insbesondere stellt der Steuerlogikblock 104 ein CHARGE-Signal, ein TRICKLE-Signal und ein DISCHARGE-Signal der Umschaltschaltung 106 bereit. Der Steuerlogikblock 104 und die Umschaltschaltung 106 stellen eine Schaltung dar, um das Eintreten oder Austreten von Ladung in die oder aus den Batteriezellen 102 zu verhindern oder zuzulassen. Das CHARGE-Signal, das TRICKLE-Signal und das DISCHARGE-Signal steuern das Laden der Batteriezellen 102, das Teilladen der Batteriezellen 102 bzw. das Entladen der Batteriezellen 102. Das Einsetzen einer dieser drei Steuersignale aktiviert dessen Funktion. Auf andere Signale und Schaltungen wurden aus Gründen der Klarheit verzichtet.
Die Umschaltschaltung 106 ist mit dem positiven Anschluss "+" der Batteriezellen 102 verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Batteriezellen 102 des Batteriepaketes B aus vier Reihenbänken von zwei parallelen Ionenzellen, wobei jedoch andere Konfigurationen in Erwägung gezogen werden. Wie es im folgenden in Verbindung mit 3 beschrieben wird, steuern unterschiedliche Transistoren im Umschaltschaltblock 106 das Laden und Entladen der Batteriezellen 102.
Die Umschaltschaltung 106 wird verwendet, um die Spannung VBATT+, die den Batteriezellen 102 zugeführt wird, wie auch den Strom zu steuern, der in und aus dem Batteriepaket B fließt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind beide Kontakte VBATT+ und VBATT– in der Lage, eine ununterbrochene Ladung von vier Ampere zuzuführen. Darüber hinaus sind die beiden Stromkontakte deaktiviert, wenn das Batteriepaket ermittelt, dass eine Ladespannung oder -strom anliegt, ohne das ein gültiger Handshake über die Steuerleitungen erfolgt. Die Umschaltschaltung 106 ist zudem mit dem unregulierten Spannungseingang IN eines Spannungsregulators 120 verbunden. Der Ausgang des Spannungsregulators 120 führt eine Versorgungsspannung von +5 Volt zu.
Zudem ist in 1 eine Überwachungsschaltung 108 dargestellt, die mit den "+"- und "–"-Anschlüsssen der Batteriezellen 102 verbunden ist. Die Überwachungsschaltung versorgt den Batterie-Mikrocontroller 100 mit Informationen betreffend den Status der Batteriezellen 102. Funktionen, die durch die Überwachungsschaltung 108 bereitgestellt werden, beinhalten ohne Einschränkung darauf: die Überwachung der Batteriezellenüberspannung, die Überwachung der Zellenunterspannung, die Überwachung des Überentladestromes und die Überwachung des Überladestromes.
Wendet man sich nun dem Abschnitt des Host-Computers C von 1 zu, so ist ein mobiler Multifunktions-Supereingangs/-ausgangschip MSIO 110 in der bevorzugten Ausführungsform enthalten. Der MSIO 110 stellt unterschiedliche Verarbeitungs- und Steuerfunktionen bereit und kommuniziert mit dem Batterie-Mikrocontroller 100 über einen herkömmlichen I²C-Bus und ein Master-Batteriesignal MSTR_BAT. Die zwischen-integrierte Schaltung (IC) oder der I²C-Bus ist ein einfacher bidirektionaler Zweileitungsbus für eine effiziente Zwischen-IC-Steuerung. Details des I²C-Busses finden sich in "The I²C-Bus and How to Use It (Including Specification)", veröffentlicht von Phillips Semiconductors, Januar 1992.
Kurz gesagt besteht der I²C-Bus aus zwei Leitungen: einer seriellen Taktleitung (SCL) und einer seriellen Datenleitung (SDA). Jede dieser Leitungen ist bidirektional. Die SCL-Leitung stellt das Taktsignal für Datentransfers bereit, die über den I²C-Bus auftreten. Logikpegel für dieses Signal beziehen sich auf VBATT–, was sämtlichen installierten Batteriepaketen B gemein ist. Die SDA-Leitung ist die Datenleitung für den Datentransfer, der über den I²C-Bus auftritt. Wiederum beziehen sich die Logikpegel für dieses Signal auf VBATT–. Wie es mit einem zweiten installierten Batteriepaket B' dargestellt ist, ist der Batterie-Mikrocontroller 100 eines zu sätzlichen Batteriepaketes ebenfalls mit dem MSIO 110 über den I²C-Bus verbunden. Reihenwiderstände geringen Wertes (nicht gezeigt) sind normalerweise an jeder Vorrichtungsverbindung für einen Schutz vor Hochspannungsspitzen vorgesehen.
Jede Vorrichtung, die mit dem I²C-Bus verbunden ist, wird als einzigartige Adresse erkannt – ob sie der MSIO 110 oder der Batterie-Mikrocontroller 100 eines installierten Batteriepaketes B ist. Sowohl der MSIO 110 als auch der Batterie-Mikrocontroller 100 enthalten eine Auf-Chip-Schnittstelle, die es ihnen gestattet, direkt miteinander über den I²C-Bus zu kommunizieren. Weitere Details, die die Kommunikation über den I²C-Bus betreffen, sind im folgenden in Verbindung mit 2B erläutert. Die Verwendung des I²C-Busses in Verbindung mit dem Master-Batteriesignal MSTR_BAT verringert die Zahl von Schnittstellensignalen, die für eine effiziente Batterieverwaltung erforderlich sind. US-A-5641587 zeigt unterschiedliche Aspekte von Batteriepaketen auf Nickelbasis und Lithiumionenbasis sowie Kommunikationen über einen seriellen Bus.
Ein Widerstand 116 ist ebenfalls im Host-Computer C enthalten, um bei der Erzeugung eines analogen PACK_ID-Signals zu helfen. Das PACK_ID-Signal wird verwendet, um den physikalischen Ort eines installierten Batteriepaketes innerhalb des Computersystems C zu definieren. Jeder Batterieschlitz innerhalb des Computersystems C koppelt dieses Signal mit einem Widerstand 116 eines geringfügig anderen Ohmwertes (es ist aus Gründen der Klarheit lediglich ein derartiger Widerstand dargestellt). Wenn das Batteriepaket B im Host-Computer C installiert ist, bezieht sich ein Ende des Widerstandes 116 auf die Erde, während das andere Ende mit dem Batterie-Mikrocontroller 100 durch einen Widerstand 118 verbunden ist. Die Widerstände 116 und 118 bilden einen Spannungsteiler, wobei die Spannung, die am gemeinsamen Knoten anliegt (das PACK_ID-Signal), von den Werten der beiden Widerstände abhängig ist. Der Spannungspegel des PACK_ID-Signals unterscheidet sich für jedes installierte Batteriepaket, da der Wert des Widerstandes 116 ebenfalls unterschiedlich ist. Jeder Spannungspegel repräsentiert einen einzigartigen Schlitzort innerhalb des Computersystems C.
Das PACK_ID-Signal wird der Überwachungsschaltung 108 bereitgestellt. Bei der beschriebenen Ausführungsform kann der Batterie-Mikrocontroller 100 eine Digitaldarstellung des Spannungspegels des PACK_ID-Signals von der Überwachungsschaltung 108 abfragen. Anschließend kann der Batterie-Mikrocontroller 100 den Wert des Widerstands 116 ermitteln und den physikalischen Ort und die Adresse des Batteriepaketes innerhalb des Systems feststellen. Das PACK_ID-Signal ist direkt mit einer "interrupt on transition"- ("Unterbrechung beim Übergang"-) Eingang zum Batterie-Mikrocontroller 100 verbunden. Bevor ein Batteriepaket B installiert wird, wird das PACK_ID-Signal durch den Widerstand 118 mit hohem Ohmwert zur positiven Versorgung gezogen. Wenn das Batteriepaket B zu Beginn in das Computersystem C eingefügt wird, dient ein Übergang am PACK_ID-Signal dazu, das Batteriepaket B "aufzuwecken", und bewirkt, dass ein Warnsignal zum Computersystem C über den I²C-Bus gesendet wird. Das Warnsignal, wie es umfassender im folgenden beschrieben wird, warnt den Host-Computer C über ein neu installiertes Batteriepaket B.
Wie es oben bereits erwähnt wurde, hat das PACK_ID-Signal andere nützliche Verwendungen bei der bevorzugten Ausführungsform. Beispielsweise kann dieses Signal als Teil einer Sicherheitsschaltung verwendet werden, um die Anschlüsse des Batteriepaketes B außer Kraft zu setzen, wenn das Batteriepaket nicht in einem Computersystem installiert ist. Insbesondere sind die Entladungs- und Lade-FETs des Batteriepakets derart konfiguriert, dass sie abgeschaltet bleiben, solange das PACK_ID-Signal zur positiven Versorgungsschiene gezogen ist, wie es der Fall ist, wenn das Batteriepaket B nicht installiert ist. Versehentliches Laden und Entladen des Batteriepaketes B kann dadurch vermieden werden.
Von besonderem Interesse bei der vorliegenden Beschreibung ist, dass ein bidirektionales Master-Batteriesignal MSTR_BAT zwischen dem Batterie-Mikrocontroller 100, dem Steuerlogikblock 104 und dem MSIO 110 ausgetauscht wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform empfangen sämtliche anderen installierten Batteriepakete B' (aus Gründen der Klarheit ist lediglich eines dargestellt) ebenfalls das Master-Batteriesignal MSTR_BAT. Das Signal wird zum Anzeigen verwendet, ob, sofern vorhanden, ein Batteriepaket B Strom zuführt oder vom Hostcomputer C aufgeladen wird. Die Auswahl des Master-Batteriepaketes kann auf dem Ladezustand der installierten Batteriepakete, der Schlitzreihenfolge oder unterschiedlichen anderen Kriterien basieren. Das Batteriepaket, das als Master-Batteriepaket gewählt ist, macht das Master-Batteriesignal MSTR_BAT wirksam, während alle anderen installierten Batteriepakete und der MSIO 110 das Signal überwachen und darauf warten, dass es unwirksam wird. Ein niedriger Übergang des Master-Batteriesignals MSTR_BAT kennzeichnet im allgemeinen, dass das momentane Master-Batteriepaket entweder entfernt wurde oder nicht länger in der Lage ist, Strom zuzuführen.
Sind keine Batteriepakete im Host-Computer C installiert, senkt ein Absenkwiderstand 112 das Master-Batteriesignal MSTR_BAT auf einen niedrigen Logikpegel ab. Wenn das Batteriepaket B, das als Master-Batteriepaket dient, aus dem Host-Computer C entnommen wird, senkt der Widerstand 112 in ähnlicher Weise das Batteriesignal MSTR_BAT ab. Der Übergang auf einen niedrigen Pegel bewirkt, dass sich die Entladungs-FETs aller anderen installierten Batteriepakete einschalten. Zusätzliche Details des Betriebs des Master-Batteriesignals MSTR_BAT werden im folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen umfangreicher beschrieben.
Das Master-Batteriesignal MSTR_BAT kann zudem vom Computersystem C verwendet werden, um die Gegenwart eines Wechselstrom-Netzstromes anzuzeigen. Ist Wechselstrom verfügbar, macht die Stromversorgung (nicht gezeigt) das AC-Erfassungssignal AC_DETECT wirksam. Das Signal wird durch eine Diode 114 mit dem Master-Batteriesignal MSTR_BAT zu ODER geschaltet. Wenn das Signal AC_DETECT hoch ist, ist demzufolge das Master-Batteriesignal MSTR_BAT ebenfalls hoch. Andere Verfahren des Erfassens von Wechselstrom werden ebenfalls in Erwägung gezogen. Es könnte Beispielsweise eine Vergleichsschaltung verwendet werden, die erfasst, wenn sich die Versorgungsspannung über einen bestimmten Pegel befindet. Bei dieser Ausführungsform ist der vorbestimmte Spannungspegel im Idealfall auf eine höhere Spannung eingestellt als das Batteriepaket B zuführen kann. Wenn die Stromversorgungsspannung über diesen vorbestimmten Pegel ansteigt, wird das Wechselstrom-Erfassungssignal AC_DETECT wirksam. Die Ver wendung einer Erfassungsschaltung dieser Art macht Änderungen beim Entscheidungsvorgang notwendig. Wenn ein Batteriepaket B aufgeladen wird, muss beispielsweise das Master-Batteriesignal MSTR_BAT auf einen hohen logischen Pegel gesteuert werden, da die Wechselstrom-Adapterspannung auf die Spannung abgesenkt wird, mit der das Batteriepaket B geladen wird. Die bewirkt wiederum, dass das Wechselstrom-Erfassungssignal AC_DETECT selbst dann unwirksam wird, wenn weiterhin Wechselspannung verfügbar ist. Um diesem potentiellen Problem zu begegnen, sucht das Batteriepaket B nach einer Änderung in der Stromrichtung. Wenn der Strom beginnt, aus dem Batteriepaket anstelle in das Batteriepaket während eines Ladungszyklus zu fließen, ist der Batterie-Mikrokontroller 100 in der Lage zu erkennen, dass ein Wechselstrom nicht länger vorhanden ist. Der Batterie-Mikrocontroller 100 schaltet anschließend seinen Ladungs-FET aus und deaktiviert das Master-Batteriesignal MSTR_BAT, um einen neue Entscheidung zu erzwingen.
Wegen des Erfassungsverfahrens, das für die Wechselstromerfassung bei der beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, kann, sobald einem Batteriepaket B die Erlaubnis gegeben ist, das Computersystem C zu laden, dieses nicht länger die Gegenwart von Wechselstrom ermitteln. Daher fällt die Verantwortlichkeit der Wechselstromerfassung während des Ladens dem Batteriepaket B zu, das derzeit geladen wird. Sobald die Erlaubnis zum Laden gegeben ist, muss das Batteriepaket B das Master-Batteriesignal MSTR_BAT anheben und diesen Zustand so lange beibehalten, wie erfasst wird, dass während der Ladeperioden Strom in die Batterie fließt. Wenn während einer Ladeperiode festgestellt wird, dass kein Strom in das Batteriepaket B fließt, macht der Batterie-Mikrocontroller 100 die Ausgabe des Master-Batteriesignals MSTR_BAT wirksam und beendet das Laden mit einem abnormen Ladebeendigungssignal und gibt ein Warnsignal ATTN an das Computersystem C über den I²C-Bus aus. Wenn darüber hinaus während der Zuordnung als Master-Batterie ein Batteriepaket B erfasst, dass es Strom empfängt, anstelle dem Computersystem C Strom zur Verfügung zu stellen, gibt es seinen Status als Master-Batterie auf.
Wendet man sich nun 2A zu, so sind Details der Steuerlogik 104 von 1 dargestellt. Diese Schaltung wird verwendet, um die Leistungs-FETs (im folgenden Transistoren genannt) der Umschaltschaltung 106 (3) zu steuern. Wie es erwähnt wurde, werden das CHRG_EQ-, das DISCHG_EN- und das DSCHG_EQ-Signal vom Batterie-Mikrocontroller 100 erzeugt. Das CHARGE-Steuersignal wird vom Ausgang eines Zweieingangs-AND-Gate 200 ausgegeben, dessen Eingänge das Master-Batteriesignal MSTR_BAT und das CHRG_EQ-Signal beinhalten. Ein Absenkwiderstand 202 befindet sich am letztgenannten Eingang und macht das Ladesignal CHARGE unwirksam, wenn des CHRG_EQ-Signal nicht gesendet wird. Somit müssen, damit das CHARGE-Signal wirksam sein kann, sowohl das CHRG_EG- als auch das MSTR_BAT-Signal wirksam sein.
Das Steuersignal TRICKLE wird am Ausgang eines weiteren Zweieingangs-AND-Gates 204 bereitgestellt. Die Eingänge dieses AND-Gates 204 werden durch das Master-Batteriesignal MSTR_BAT und das TRICKLE_EQ-Signal angesteuert. Ein Absenkwiderstand 206 ist zwischen das Master-Batteriesignal MSTR_BAT und Erde geschaltet und leitet das Signal zur Erde, wenn es nicht gesendet wird. In ähnlicher Weise ist ein Absenkwiderstand 208 zwischen das TRICKLE_EQ-Signal und Erde geschaltet. Das TRICKLE-Signal wird dadurch wirksam, wenn das TRICKLE_EQ- und das MSTR_BAT-Signal wirksam sind.
Das DISCHARGE-Signal wird durch den Ausgang eines Zweieingangs-OR-Gates 220 gesendet. Eingänge dieses OR-Gates 220 enthalten das DISCHG_EQ-Signal, das durch einen Absenkwiderstand 218 mit Erde verbunden ist. Der zweite Eingang des OR-Gates 220 wird durch den Ausgang eines Zweieingangs-AND-Gates 210 angesteuert. Eingänge in dieses AND-Gate enthalten das DISCHG_EN-Signal und den Ausgang eines Inverters 212, dessen Eingang das Master-Batteriesignal MSTR_BAT ist. Ein Absenkwiderstand 214 senkt das DISCHG_EN-Signal zur Erde ab, wenn es nicht gesendet wird. Das DISCHARGE-Signal wird nur wirksam, wenn entweder das DISCHG_EQ-Signal wirksam wird, oder wenn das DISCHG_EN-Signal wirksam wird, während das MSTR_BAT-Signal unwirksam ist.
Das DISCHG_EN-Signal ist für den Zustand der Batteriezellen 102 kennzeichnend, wie er durch die Überwachungsschaltung 108 und den Batterie-Mikrocontroller 100 ermittelt wird. DISCHG_EN wird durch den Batterie-Mikrocontroller 100 wirksam, wenn das Batteriepaket B in der Lage ist, dem Computersystem C in ausreichendem Maße Strom zuzuführen. Die Verwendung des DISCHG Signals gestattet es der Schaltung von 2, das DISCHARGE-Signal wirksam zu machen und den Entladungstransistor 300 (3) einzuschalten, wenn das Master-Batteriesignal MSTR_BAT freigegeben und durch den Widerstand 112 (1) abgesenkt wird. Sobald eine neue Master-Batterie gewählt ist und das MSTR_BAT-Signal wieder wirksam ist, kann der Batterie-Mikrocontroller 100 das DISCHG_EQ-Signal wirksam machen, um es dem Entladungstransistor zu gestatten, in einem leitfähigen Zustand zu bleiben.
Die Logikpegel des DISCG_EQ-, CHRG_EQ- und TRICKLE_EQ-Signals, wie sie durch den Batterie-Mikrocontroller 100 eingestellt sind, werden durch die folgenden Gleichungen bestimmt:
Lade-/Entladegleichungen

DISCHG_EQ = MASTER*DISCHG_EN
CHRG_EQ = (*FAST_CHG) + (MSTR_BAT*DISCHG_EN)
TRICKLE_EQ = *SLOW_CHG

Das Master-Signal ist ein Signal im Batterie-Mikrocontroller 100 und wird wirksam, wenn der Batterie-Mikrocontroller 100 einen Hinweis vom Computersystem C empfängt, dass es als neues Master-Batteriepaket gewählt wurde. Das FAST_CHG- und das SLOW_CHG-Signal sind ebenfalls Signale im Batterie-Mikrocontroller 100 und gestatten es ihm, die Laderate zu verwalten, während Strom dem Batteriepaket B zugeführt wird. Insbesondere werden diese Signale verwendet, um den Ladetransistor 302 und den Erhaltungstransistor 318 von 3 einzuschalten.
Eine beispielhafte Interaktion zwischen den unterschiedlichen Signalen von 2A ist in 2B gezeigt. Insbesondere zeigt 2B Signalübergänge, die dem Einfügen eines Batteriepaketes B in einen Host-Computer C folgen, der momentan kein Master-Batteriepaket hat. Das neu installierte Batteriepaket B stellt fest, dass die Takt-SCL- und die Daten-SDA-Leitung durch die Absenkwiderstände (nicht gezeigt) im Host-Computer C angehoben wurden. Die Logik von 2A bewirkt zudem, dass das DISCHARGE-Signal des Batteriepaketes B wirksam wird, wodurch der Entladetransistor 300 eingeschaltet wird. Damit der Batterie-Mikrocontroller 100 bestätigt, dass sich der I²C-Bus im Leerlauf befindet, muss entweder die Taktleitung SCL für wenigstens 1,0 Millisekunden (ms) hoch bleiben, oder es muss die Datenleitung SDA für wenigstens 9,0 ms hoch bleiben. Der Batterie-Mikrocontroller 100 senkt daraufhin die SDA-Leitung für 1,0 bis 3,0 ms ab, wodurch dem Computersystem C signalisiert wird, dass auf eines der Batteriepakete geachtet werden muss. Dies ist der einzige Zeitpunkt, zu dem sich das Batteriepaket B wie ein I²C-Master verhält. das Computersystem C fragt anschließend die Batteriepakete einzeln ab, um jedem Batteriepaket B die Möglichkeit einer Kommunikation zu geben.
Wenn das neu installierte Batteriepaket B als Master-Batteriepaket festgelegt werden soll, weist das Computersystem C seinen Batterie-Mikrocontroller 100 an, das DISCHG_EQ-Signal wirksam zu machen. Wie es erwähnt wurde, kann die Auswahl eines Master-Batteriepaketes aufgrund einer Zahl von Faktoren, wie etwa einer Schlitzreihenfolge oder der größten Entladungsfähigkeit vorhergesagt werden. Kurz nachdem das DISCHG_EQ-Signal wirksam wurde, wird ebenfalls das MSTR_BAT-Signal durch den Batterie-Mikrocontroller 100 wirksam. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist es notwendig, das DISCHG-EQ-Signal zuerst wirksam zu machen, um sicherzustellen, dass das DISCHARGE-Signal wirksam bleibt (d.h. die Wirksamkeit des MSTR_BAT-Signals bewirkt, dass der Ausgang des AND-Gates 210 zu einem niedrigen Logikpegel zurückkehrt). Die Wirksamkeit des MSTR_BAT-Signals bewirkt, dass die Entladetransistoren sämtlicher installierter Batteriepakete abgeschaltet werden. Eine ausreichende Zeit nach diesem Vorfall macht der Batterie-Mikrocontroller 100 des neuen Master-Batteriepaketes B sein CHRG_EQ-Signal wirksam, wodurch das CHARGE-Signal wirksam wird. Der Ladetransistor 302 wird anschließend angeschaltet. Wie es im folgenden umfangreicher beschrieben wird, erlaubt es das Anschalten des Ladetransistors dem Master-Batteriepaket, den Strom in effizienterer Art und Weise zuzuführen.
Wendet man sich nun 2C zu, so ist ein Zeitgabediagramm dargestellt, das den Steuersignalübergang während des Übergangs von einem Master-Batteriepaket A zu einem zweiten Master-Batteriepaket B zeigt. Das neu installierte Batteriepaket B – das in der Lage ist, dem Computersystem C Strom zuzufügen, wie es mit dem Wirksammachen seines DISCG_EN-Signals gezeigt ist – sendet zunächst ein Warnsignal zum Computersystem C über den I²C-Bus. Im Gegensatz zum Beispiel von 2B, wird das DISCHARGE-Signal des Batteriepaketes B zu diesem Zeitpunkt nicht wirksam, da das MSTR_BAT-Signal durch ein weiteres Batteriepaket A angehoben ist.
Das Warnsignal bewirkt, dass das Computersystem C sämtliche Batteriepakete abfragt. Es wird jedoch ebenfalls in Erwägung gezogen, dass Informationen, die aus früheren Abfragen installierter Batteriepakete stammen, durch das Computersystem C gespeichert werden können, wodurch es nicht sämtliche Batteriepakete, sondern lediglich das neu installierte Batteriepaket abfragen muss. Beim Beispiel von 2C wird das Batteriepaket B infolge der Abfrage nicht als Master-Batteriepaket gewählt.
Zu einem späteren Zeitpunkt wird das Batteriepaket entweder aus dem Computersystem C entfernt, oder verliert die Fähigkeit, eine geeignete Leitung bereitzustellen. Es gibt anschließend die Steuerung des MSTR_BAT-Signals auf, und das MSTR_BAT-Signal wird durch den Widerstand 112 von 1 abgesenkt. Anschließend wird ein Warnsignal zum Computersystem C durch das Batteriepaket B gesendet, wodurch das Computersystem C veranlasst wird, erneut sämtliche installierten Batteriepakete abzufragen, um ein neues Master-Batteriepaket zu wählen. Gemäß 2C wird anschließend das Batteriepaket B als neuer Master gewählt, das das MSTR_BAT-Signal wirksam macht, wodurch die Entlade-FETs beliebiger installierter Batteriepakete abgeschaltet werden. Das DISCHG_EQ- und das CHRG_EQ-Signal des Batteriepaketes B funktionieren wie bei der vorangehenden Zeichnung.
Die Umschaltschaltung 106 ist in 3 detaillierter dargestellt. Wendet man sich nun dieser Zeichnung zu, sind der Entladetransistor 300, der Ladetransistor 302 und der Erhaltungstransistor 318 dargestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind dies P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit einem sehr geringen Durchlasswiderstand wie auch sehr geringen Gatesteuerspannun gen. Diese Transistoren steuern das Laden und Entladen des Batteriepaketes B. Um darüber hinaus einen Schutz für die Batteriezellen 102 zu bieten, können die Leistungstransistoren als eine Art "verteilter Wahlschalter" konzipiert sein.
Wendet man sich dem ersten Ladetransistor 302 zu, ist die Source dieses Transistors mit dem positiven Versorgungsanschluss "+" der Batteriezellen 102 verbunden. Das Gate des Ladetransistors 302 ist mit dem Drain eines N-Kanal-Transistors 310 verbunden. Das Gate dieses Transistors 310 wird durch das CHARGE-Signal von 2A angesteuert, während seine Source mit Erde verbunden ist. Ein hochohmiger Widerstand 312 ist zudem zwischen das Gate des Transistors 310 und Erde geschaltet. Der Widerstand stellt sicher, dass sich der Transistor 310 nicht in einem Leitzustand befindet, wenn das CHARGE-Signal nicht gesendet wird.
Ein Kondensator 314 ist zwischen die Source und das Gate des Ladetransistors 302 geschaltet. Nach dem Wirksammachen des CHARGE-Signals verlängert dieser Kondensator 314 die Zeit, die für den Ladetransistor 302 erforderlich ist, sich einzuschalten, wenn sein Gate durch den Transistor 310 abgesenkt wird, wodurch die Möglichkeit einer Versorgungsspannungsschwankung und unerwünschter elektromagnetischer Interferenzen verringert wird. Ein Widerstand 316 ist zwischen das Gate des Ladetransistors 302 und dessen Drain geschaltet. Der Widerstand 316 ist enthalten, um zu verhindern, dass das Gate des Ladetransistors bei einem Zwischenspannungspegel in einen Float-Zustand versetzt wird, wenn der Transistor 310 nicht leitet. Anders gesagt verhindert der Widerstand 316, dass der Ladetransistor 302 versehentlich eingeschaltet wird.
Die Hilfsschaltung für den Erhaltungstransistor 318 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, wie jene des Ladetransistors 302. Ein Widerstand 322 verbindet die Source des Erhaltungstransistors 318 mit dem positiven Anschluss "+" der Batteriezellen 102. Das Gate des Erhaltungstransistors 318 ist mit dem Drain eines N-Kanal-Transistors 324 verbunden, dessen Gate durch das TRICKLE-Signal von 2A angesteuert wird und dessen Source mit Erde verbunden ist. Ein Absenkwiderstand 326 verbindet das Gate des Transistors 324 mit Erde, um zu verhindern, dass das Gate in einen Float-Zustand versetzt wird, wenn das Signal nicht gesendet wird. Ein zweiter Widerstand 328 ist zwischen das Gate des Transistors 318 und dessen Drain geschaltet und verhindert, dass sich der Transistor 318 einschaltet, wenn der Transistor 324 ausgeschaltet ist.
Die Drains der Transistoren 302 und 318 sind mit der Source des Entladetransistors 300 verbunden. Das Gate dieses Entladungstransistors 300 ist mit dem Drain eines N-Kanal-Transistors 304 verbunden. Das Gate des Transistors wird durch das DISCHARGE-Signal von 2A angesteuert, während dessen Source mit Erde verbunden ist. Darüber hinaus ist ein Absenkwiderstand 306 zwischen das Gate des Transistors 304 und Erde geschaltet, um zu verhindern, dass das Gate in einen Float-Zustand versetzt wird, wenn das DISCHARGE-Signal nicht gesendet wird. Ein hochohmiger Widerstand 308 verbindet das Gate des Entladetransistors 300 mit dessen Source, um den Transistor 300 abzuschalten, wenn der Transistor 304 abgeschaltet ist.
Das Drain des Entladetransistors 300 stellt die Spannung bereit, die am Kontakt VBATT+ des Batteriepaketes B anliegt. Die Anode einer Diode 336 ist mit VBATT+ verbunden, während deren Kathode mit dem Eingang N des Spannungsregulators 120 verbunden ist. Dieser lineare Spannungsregulator 120 stellt eine regulierte Versorgungsspannung von +5 V an seinem Ausgang bereit. Die Versorgungsspannung wird verwendet, um den Batterie-Mikrocontroller 100 mit Strom zu versorgen. Ein Kondensator 338 ist zwischen den Eingang des Spannungsregulators 120 und Erde geschaltet und stabilisiert die unregulierte Spannungseingabe. Ein zweiter Kondensator 304 verbindet den +5 V-Ausgang mit Erde und dient dazu, die regulierte Ausgangsspannung zu stabilisieren.
Damit das Batteriepaket B dem Computersystem C Strom zuführen kann, wird das DISCHARGE-Signal durch die Schaltungen von 1 und 2A eingesetzt. Wenn dieses Signal wirksam ist, wird der Transistor 304 eingeschaltet, wodurch das Gate des Entladetransistors 300 wirkungsvoll mit Erde kurzgeschlossen wird. Dies wiederum erzeugt eine ausreichende Gate-Source-Spannung, um den Entladetransistor 300 einzuschalten. Vorausgesetzt, der Ladetransistor 302 und der Erhaltungstransistor 318 leiten nicht, während der Entladetransistor 300 eingeschaltet ist, wird es der Ladung gestattet, von den Batteriezellen 102 durch die parasitäre Diode 302a des Transistors 302 und durch den Entladetransistor 300 zum Anschluss VBATT+ zu fließen. Der Entladetransistor 300 ist normalerweise eingeschaltet, und der Ladetransistor 302 ist normalerweise ausgeschaltet, wenn sich das Master-Batteriesignal MSTR_BAT auf einem niedrigen Logikpegel befindet. Dieser Zustand ist umfassender in Verbindung mit 2B gezeigt.
Wie es in 2B gezeigt ist, macht eine neue Master-Batteriebackung B ihr CHARGE-Signal wirksam, nachdem die Entladetransistoren 300 aller anderen Batteriepakete ausreichend Zeit hatten, deaktiviert zu werden. Das CHARGE-Signal schaltet den Transistor 310 ein, der das Gate des Transistors 302 zu Erde absenkt. Der Ladetransistor 302 schaltet sich jedoch nicht vollständig ein, solange der Kondensator 314 nicht ausreichend entladen wurde. Wie es oben erwähnt wurde, erhöht der Kondensator 314 die Zeit, die für den Ladetransistor 302 erforderlich ist, um sich einzuschalten, wodurch Übergangsspannungsspitzen in der Versorgungsleitung verringert werden. Das Einschalten des Ladetransistors 302 gestattet es dem Batteriepaket B, dem Computersystem C effizienter Strom zuzuführen. Während der Ladetransistor abgeschaltet ist, muss Strom, der durch das Batteriepaket B bereitgestellt wird, die parasitäre Diode 302a durchlaufen, die einen Spannungsabfall von etwa 0,5 bis 0,7 Volt hat. Dieser Stromweg bewirkt einen Abbau unbenutzter Leistung (Strom*Spannung) und verkürzt die nutzbare Ladelebensdauer der Batteriezellen 102. Leitet der Ladetransistor 302 jedoch, wird sehr wenig Leistung durch dieses Element infolge seines geringen Durchgangswiderstandes abgebaut.
Das Batteriepaket B kann entweder durch die Wechselstromquelle oder durch andere Installierte Batteriepakete aufgeladen werden. Während einer der Ladebetriebsarten befindet sich der Entladetransistor 300 normalerweise in einem nicht leitenden Zustand. Dies erfordert, dass der Ladestrom die parasitäre Diode 300a des Entladetransistors 300 durchfließt. Auf diese Weise können die Batteriezellen 102 vor übergroßen Ladeströmen geschützt werden.
Es werden zwei Ladebetriebsarten in Erwägung gezogen – eine Schnelllade- und ein Langsamlade- (Erhaltungs-) Betriebsart. Damit das Batteriepaket B in der Schnellladebetriebsart geladen wird, muss der Ladetransistor 302 leitend sein. Ist er aus, blockiert die parasitäre Diode 302a das Fließen des Stroms in die Batteriezellen 102.
Während der Langsamladebetriebsart wird das TRICKLE-Signal wirksam, während das CHARGE-Signal unwirksam ist. Die Wirksamkeit des TRICKLE-Signals bewirkt das Einschalten des Transistors 324, der wiederum den Erhaltungstransistor 318 in einen Leitzustand versetzt. Die Langsamladebetriebsart wird verwendet, wenn die Batteriezellen 102 eine vorbestimmte und relativ geringe Spannung haben. In diesem Zustand besteht die Gefahr, dass ein übermäßiger Ladestrom die Batteriezellen 102 beschädigt. Daher leitet der Batterie-Mikrocontroller 100 den Ladestrom durch die parasitäre Diode 300a, durch den Erhaltungstransistor 318 und schließlich durch den Strombegrenzungswiderstand 322, bevor er die Batteriezellen 102 erreicht. Dadurch werden die Batteriezellen 102 geschützt, wenn sie sich in einem entleerten Zustand befinden.
Wendet man sich nun 4A und 4B zu, so ist die Auswahl eines Master-Batteriepaketes, gefolgt vom Einsetzen eines neuen Batteriepaketes B dargestellt. Die Schritte, die in diesen Zeichnungen (wie auch 5) unternommen werden, stellen die allgemeinen Systemebenenvorgänge dar, wobei mit ihnen nicht beabsichtigt ist, die Aktionen einer speziellen Systemkomponente darzustellen. Der Auswahlvorgang beginnt in Schritt 400, wenn ein neues Batteriepaket dem Computersystem C hinzugefügt wird. Die Steuerung schreitet anschließend zu Schritt 402 fort, bei dem das AP- oder Präsenzmeldungsbit im Batteriemikrocontroller 100 eingestellt wird. Das AP-Bit ist eines von mehreren Bitkennzeichen, die durch den Batteriemikrocontroller eingestellt werden können, um den Typ den Aufmerksamkeit zu kennzeichnen, den das Batteriepaket B anfragt. Andere Beispiele der Bitkennzeichen in der bevorzugten Ausführungsform beinhalten: eine Anfrage nach einem Ladebit, ein Ladestatusbit, eine Anfrage, die Ladespannung und das momentane Bit einzustellen, ein Batterieniedrigstand-Alarmbit, ein Dauerfehlerbit, ein Stromrichtungsbit, ein Testbetriebsartbit, ein Amperstunden-Lesebit, das Master-Batteriebit, ein Langsamladebetriebsartbit, ein Temporärfehlerbit und unterschiedliche Ladebeendigungsbits, die eine normale, abnormale oder katastrophale Ladebeendigung anzeigen.
Die Steuerung schreitet als nächstes zu Schritt 404 fort, bei dem das neu installierte Batteriepaket den Status des MSTR_BAT-Signals ermittelt. Ist das MSTR_BAT-Signal wirksam, hat das Computersystem C bereits ein Master-Batteriepaket B (oder es ist Wechselstrom verfügbar) und bleiben die Entlade- und Ladetransistoren 300 und 302 des neu installierten Batteriepaketes B abgeschaltet. Diese Aktion ist durch Schritt 406 dargestellt. Befindet sich das MSTR_BAT-Signal auf einem niedrigen Logikpegel, wie es in Schritt 404 ermittelt wurde, schreitet die Steuerung zu Schritt 408 fort und der Entladetransistor 300 des Batteriepaketes B wird abgeschaltet, wenn der Mikrocontroller 100 des Batteriepaketes das DISCHG_EN-Signal wirksam gemacht hat, was anzeigt, dass das Batteriepaket in der Lage ist, dem Computersystem C Strom zuzuführen. Diese Funktion wird durch die Hardware auf 2A ausgeführt. Die Steuerung schreitet anschließend weiter zu Schritt 410 fort, bei dem ein Interrupt zum Mikrocontroller 100 des Batteriepaketes gesendet wird. Die Steuerung fährt daraufhin zu Schritt 412 fort, bei dem der Interrupt bewirkt, dass der Mikrokontroller 100 ein Warnsignal zum MSIO 110 sendet. Wie in 2b gezeigt, wird das Warnsignal eingerichtet, indem die I²C-Bus-Datenleitung SDA abgesenkt und sie anschließend nach 1,0 bis 3,0 ms freigegeben wird.
Die Steuerung schreitet anschließend zu Schritt 414 fort, bei dem der Batterie-Mikrocontroller 100 den I²C-Bus überwacht, um zu ermitteln, ob der MSIO 110 das Batteriepaket B innerhalb von vier Sekunden abfragt, nachdem des Warnsignal gesendet wurde. Wenn nicht, schreitet die Steuerung zu Schritt 416 fort, bei dem das Warnsignal erneut gesendet wird, worauf die Steuerung zu Schritt 414 zurückkehrt. Wird das Batteriepaket B zeitlich abgestimmt abgefragt, geht die Steuerung zu Schritt 418 über, bei dem das AP-Bit gelöscht wird. Anschließend schreitet die Steuerung zu Schritt 420 fort, bei dem der Batterie-Mikrocontroller 100 ermittelt, ob der MSIO 100 das neu installierte Paket als neue Master-Batterie wünscht, wie es durch Betriebscodes angezeigt wird, die über den I²C-Bus ausgetauscht werden. Erfolgt keine Wahl, schreitet die Steuerung zu Schritt 422 fort, bei dem das MSTR_BAT-Signal entweder durch ein anderes Batteriepaket B, das als Master gewählt wurde, angehoben wird oder alternativ auf einem niedrigen Logikpegel bleibt, wenn kein Master-Batteriepaket B gewählt ist. Die Steuerung schreitet anschließend zu Schritt 424 fort, bei dem der Entladetransistor 300 des neu gewählten Batteriepaketes B abgeschaltet wird. Die Steuerung schreitet anschließend zu Schritt 426 fort, bei dem der Entscheidungsvorgang beendet wird.
Wenn das neu installierte Batteriepaket B als Master gewählt ist, wie es in Schritt 420 festgelegt ist (d.h. der MSIO 102 sendet den geeigneten Betriebscode zur Adresse des neuen Batteriepaketes), schreitet die Steuerung zu Schritt 428 fort und der Batterie-Mikrocontroller 100 stellt sein internes Master-Batteriebit MB ein. Die Steuerung schreitet anschließend zur Schritt 430 von 4B fort, bei dem das neue Batteriepaket das MSTR_BAT-Signal wirksam macht. Die Steuerung schreitet zu Schritt 432 fort, bei dem die Entladetransistoren 300 beliebiger anderer installierter Batteriepakete durch das MSTR_BAT-Signal abgeschaltet werden. Der Batterie-Mikrocontroller 100 des neuen Master-Batteriepaketes macht anschließend sein CHARGE_EQ-Signal in Schritt 434 wirksam, wodurch sein Ladetransistor 302 eingeschaltet wird. Anschließend schreitet die Steuerung zu Schritt 436 fort, bei dem das neue Master-Batteriepaket damit fortfährt, dem Computersystem C Strom zuzuführen, bei es keinen Strom mehr bezieht. Eine Änderung der Stromrichtung kann beispielsweise entweder dafür kennzeichnend sein, dass Wechselstrom innerhalb des Systems vorhanden ist, oder dass die nutzbare Ladung der Batteriezellen 102 erschöpft ist.
Zu diesem Zeitpunkt schreitet die Steuerung zu Schritt 438 weiter, bei dem der Batterie-Mikrokontroller 100 sein internes Stromrichtungsbit CD einstellt, wodurch angezeigt ist, das kein Strom mehr bezogen wird. Anschließend schreitet die Steuerung zu Schritt 440 fort, bei dem der Batterie-Mikrokontroller 100 die Steuerung des MSTR_BAT-Signals aufgibt und seine Ladebeendigungsbits einstellt, um eine anormale Beendigung der Ladung anzuzeigen. Sobald es nicht mehr gesendet wird, wird das MSTR_BAT-Signal vom Widerstand 112 abgesenkt. Die Steuerung schreitet zu Schritt 442 fort, bei dem ein Warnsignal erneut zum MSIO 110 über den I²C-Bus gesendet wird. Schließlich schreitet die Steuerung zu Schritt 444 fort, bei dem der MSIO 110 ein neues Master-Batteriepaket B aufnimmt, worauf der Vorgang bei Schritt 446 endet.
Wendet man sich nun 5 zu, so ist das Entfernen eines Master-Batteriepaktes B aus einem Computersystem C gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Nach dem Entfernen des Master-Batteriepaketes B in Schritt 500 schreitet die Steuerung zu Schritt 502 fort, bei dem der Widerstand 112 (1) bewirkt, dass das MSTR_BAT-Signal abgesenkt wird. Anschließend schreitet die Steuerung zu Schritt 504 fort, bei dem die Entladetransistoren von verbleibenden Batteriepaketen eingeschaltet werden. Die Steuerung schreitet zu Schritt 506 fort, bei dem der MSIO 110 ermittelt, welches der verbleibenden Batteriepakete, sofern vorhanden, das neue Master-Batteriepaket B sein soll. Anschließend schreitet die Steuerung zu Schritt 508 fort, bei dem das neue Master-Batteriepaket B das MSTR_BAT-Signal erhöht. Die Steuerung schreitet zu Schritt 510 fort, bei dem Entladetransistoren 300 verbleibender Batteriepakete abgeschaltet werden. Der Entscheidungsvorgang endet anschließend in Schritt 512.
Somit wurde eine Schaltung beschrieben, die ein Master-Batteriepaket in einem Computersystem wählen kann, das in der Lage ist mehrere Batteriepakete aufzunehmen. Ein bidirektionales Master-Batteriesignal wird dem Mikrocontroller jedes installierten Batteriepaketes zugeführt, wie auch einer Entscheidungsschaltung, die im Host-System enthalten ist. Das Master-Batteriesignal arbeitet in Verbindung mit einer Seriellbusschnittstelle zwischen jedem Batteriepaket im Computersystem, um zu ermitteln, welches Batteriepaket das Computersystem mit Strom versorgen soll. Das Batteriepaket, das als Master gewählt ist, macht das Master-Batteriesignal wirksam, während alle anderen Batterien dieses Signal überwachen und darauf warten, dass es unwirksam wird. Andere Batteriepakete nutzen das Master-Batteriesignal, um ihre eigene Lade- und Entladeschaltung zu steuern. Die Unwirksamkeit des Master-Batteriesignals kennzeichnet, dass das Master-Batteriepaket entfernt wurde und ein neues Master-Batteriepaket B gewählt werden muss. Die Verwendung des Master-Batteriesignals in dieser Art und Weise, verringert den Umfang an erforderlichen Schaltungen, die notwendig sind, um das Master-Batteriepaket zu wählen und zu kennzeichnen.

Claims

Batteriepaket (B) für die Verwendung in einem Host-Computersystem (C) mit einer Batteriepaket-Wählschaltung, wobei das Batteriepaket (B) enthält: Batteriepaketanschlüsse (VBATT+, VBATT–); Batteriezellen (102); eine Entladungsinkraftsetzschaltung (106), die mit den Batteriepaketanschlüssen (VBATT+, VBATT–) und den Batteriezellen (102) verbunden ist, wobei die Entladungsinkraftsetzschaltung, wenn sie in Kraft gesetzt ist, die Entladung der Batteriezellen (102) durch die Batteriepaketanschlüsse (VBATT+, VBATT–) gestattet und andernfalls die Entladung der Batteriezellen (102) blockiert; und eine Datenverarbeitungsschaltung (100), die mit der Entladungsinkraftsetzschaltung (106) elektrisch gekoppelt ist, wobei die Datenverarbeitungsschaltung (100) enthält: eine Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus), die die Batteriestatusinformationen an die Batteriepaket-Wählschaltung (110) des Host-Computersystems (C) weiterleitet und Auswahlbefehle von der Batteriepaket-Wählschaltung (110) des Host-Computersystems (C) empfängt; eine Master-Batterie-Signalleitungsschnittstelle, die ein Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) von der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle zur Batteriepaket-Wählschaltung (110) weiterleitet, wobei das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) anzeigt, wo das Batteriepaket (B) dem Computersystem (C) Strom zuführt; eine Logik, die auf das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) und auf Auswahlbefehle reagiert, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden, um die Entladungsinkraftsetzschaltung (106) zu steuern; und eine Logik zum wahlweisen Bereitstellen des Master-Batteriesignals (MSTR_BAT) in Reaktion auf die Auswahlbefehle, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, bei dem die Logik, die auf das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) reagiert und auf die Auswahlbefehle reagiert, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden, die Entladungsinkraftsetzschaltung (106) aktiviert, wenn das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) anzeigt, dass die Batteriepaket-Wählschaltung (110) des Host-Computersystems (C) kein Master-Batteriepaket gewählt hat.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, bei dem die Logik, die auf das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) reagiert und auf die Auswahlbefehle reagiert, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden, die Entladungsinkraftsetzschaltung (106) deaktiviert, wenn das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) anzeigt, dass die Batteriepaket-Wählschaltung (110) des Host-Computersystems (C) ein weitere Stromquelle gewählt hat, die als Master-Batterie dient.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, bei dem die Logik zum wahlweisen Bereitstellen des Master-Batteriesignals (MSTR_BAT) in Reaktion auf die Auswahlbefehle, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden, das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) wirksam macht, wenn die Auswahlbefehle anzeigen, dass das Batteriepaket (B) das Master-Batteriepaket ist.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Ladeinkraftsetzschaltung, die mit der Datenverarbeitungsschaltung (100), den Batteriezellen (102) und den Batteriepaketanschlüssen (VBATT*, VBATT–) elektrisch gekoppelt ist.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 5, bei dem die Logik, die auf das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) reagiert und auf die Auswahlbefehle reagiert, die über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) empfangen werden, auch die Ladeinkraftsetzschaltung (106) steuert, und bei dem die Logik die Ladeinkraftsetzschaltung (106) aktiviert, wenn die Auswahlbefehle anzeigen, dass das Batteriepaket (B) das Master-Batteriepaket ist.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, bei dem die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) die I²C-Bus-Spezifikation erfüllt.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Batteriepaket-Identifizierungseinrichtung, die mit der Datenverarbeitungsschaltung (100) elektrisch gekoppelt ist, wobei diese Identifizierungseinrichtung in der Lage ist, Informationen bereitzustellen, um den Ort des Batteriepaketes innerhalb eines Host-Computersystems (C) zu ermitteln.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 8, bei dem die Batteriepaket-Identifikationseinrichtung eine Schaltung enthält, die in der Lage ist, sich mit einem Identifikationswiderstand innerhalb des Host-Computersystems (C) zu verbinden und dessen Widerstand zu ermitteln.
Batteriepaket (B) nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Sensorschaltung (108), die mit der Datenverarbeitungsschaltung elektrisch gekoppelt ist, um die Batteriezellen-Statusinformationen zu ermitteln und bereitzustellen.
Computersystem (C) für die Verwendung mit Batteriepaketen (B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Computersystem enthält: wenigstens eine Batteriepaketschnittstelle; eine Batteriepaket-Wählschaltung (110), die mit der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle gekoppelt ist; einen Seriellbus (I²C-Bus), der Batteriepaket-Statusinformationen von der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle zur Batteriepaket-Wählschaltung (110) übermittelt und der Befehle von der Batteriepaket-Wählschaltung (110) zu der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle übermittelt, um ein Batteriepaket (B) zu wählen, das mit der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle verbunden ist; und eine Master-Batterie-Signalleitung, um ein Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) von der wenigstens einen Batteriepaketschnittstelle zur Batteriepaket-Wählschaltung (110) zu übermitteln, wobei das Master-Batteriesignal (MSTR_BAT) anzeigt, ob ein Batteriepaket (B) dem Computersystem Energie zuführt.
Computersystem (C) nach Anspruch 11, bei dem die Batteriepaket-Wählschaltung (110) ein Master-Batteriepaket (B) auf der Basis der Ladungsmenge wählt, die in jedem installierten Batteriepaket gespeichert ist, wie es durch die Batteriepaket-Statusinformationen ermittelt wird, die über den Seriellbus (I²C-Bus) übermittelt werden.
Computersystem (C) nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens eine Batterieschnittstelle mehrere Batterieschnittstellen enthält und das Computersystem (C) weiterhin eine Einrichtung zum Ermitteln enthält, ob eine Batterie (B) mit jeder Batterieschnittstelle der zahlreichen Batterieschnittstellen verbunden ist.
Computersystem (C) nach Anspruch 11, bei dem die Batteriepaket-Wählschaltung (110) ein Master-Batteriepaket (B) aus Batteriepaketen wählt, von denen ermittelt wurde, dass sie mit den zahlreichen Batterieschnittstellen verbunden sind, wobei die Auswahl auf der Basis einer vorbestimmten Anordnung der Batterieschnittstellen in den zahlreichen Batterieschnittstellen erfolgt.
Computersystem (C) nach Anspruch 11, bei dem die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus) die I²C-Bus-Spezifikation erfüllt.
Computersystem (C) nach Anspruch 11, weiterhin enthaltend: eine Einrichtung (114) zum Erfassen der Gegenwart einer Wechselstromleistung und zum Bereitstellen eines Signals für die Master-Batterie-Signalleitung, wodurch das Entladen der Batterien (B) bei der Erfassung einer Wechselstromleistung verhindert wird.
Verfahren zum Auswählen eines Master-Batteriepaketes (B) zum Zuführen von Energie zu einem Host-Computersystem (C), das in der Lage ist, wenigstens ein Batteriepaket (B) aufzunehmen, wobei das Host-Computersystem (C) kein derzeitiges Master-Batteriepaket aufweist und das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ermitteln, dass kein Batteriepaket (B) derzeit als Master-Batteriepaket dient, indem der Spannungspegel einer Master-Batterie-Signalleitung untersucht wird, die das Host-Computersystem mit den installierten Batteriepaketen verbindet; Ermitteln des Ladungsstatus von beliebigen Batteriepaketen, die im Host-Computersystem installiert sind, durch Übermittlungen über eine Seriellbusschnittstelle zwischen dem Host-Computersystem (C) und dem installierten Batteriepaket (B); Auswählen eines Master-Batteriepaketes (B) auf der Basis vorbestimmter Auswahlkriterien; und Übermitteln der Auswahl zum nächsten Master-Batteriepaket durch weitere Übermittlungen über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus).
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin enthaltend folgende Schritte: Übermitteln der Auswahl des Master-Batteriepaketes (B) zu beliebigen anderen installierten Batteriepaketen (B) durch Bereitstellen eines geeigneten Signals auf der Master-Batterie-Signalleitung.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin enthaltend folgende Schritte: Signalisieren dem Host-Computer (C) die Gegenwart eines neu installierten Batteriepaketes (B) durch Übermittlungen über die Seriellbusschnittstelle (I²C-Bus), sofern der Spannungspegel der Master-Batterie-Signalleitung anzeigt, dass kein Batteriepaket momentan als Master-Batteriepaket (B) dient.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte enthält: vor dem Schritt des Ermittelns, dass kein Batteriepaket (B) momentan als Master-Batteriepaket (B) dient, Bewirken, dass der Spannungspegel der Master-Batterie-Signalleitung auf einen Pegel übergeht, der signalisiert, dass das vorherige Master-Batteriepaket (B) entweder aus dem Host-Computersystem (C) entfernt wurde oder nicht länger die bevorzugte Energiequelle für das Computersystem (C) ist.