DE10006420A1 - Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien und Betriebsverfahren dafür - Google Patents
Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien und Betriebsverfahren dafürInfo
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Abstract
Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien und Betriebsverfahren dafür, welches die Haltbarkeit von Batterien erhöht und den Ladeeffekt durch Aufrechterhalten der Abschaltspannung der wiederaufladbaren Batterien, welche in allen Arten von elektrischen Vorrichtungen verwendet werden, verlängert. Erfindungsgemäß wird ein Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien geschaffen, welches eine Mehrzahl von Zellen (101), einen Regelschaltkreis, mittels welchem die Zellen parallel schaltbar sind, ein elektrisches Lastmittel (123) mit einer Normalspannung, welche Summe der maximalen Ausgangsspannung der Mehrzahl von Zellen (101) in Parallelschaltung entspricht, welche mittels dem Regelschaltkreis (105) parallel geschaltet sind, und ein Schalt-Mittel (107) aufweist, welches zwischen die Mehrzahl von Zellen (101) und das elektrische Lastmittel (123) geschaltet ist und von dem der in dem elektrischen Lastmittel (123) fließende Strom für den Fall abschaltbar ist, dass die Entlade-Schlußspannung der Mehrzahl von wiederaufladbaren Zellen (101) erreicht ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Betriebssteuersystem für
wiederaufladbare Batterien (oder Sekundärbatterien,
Speicherbatterien) sowie ein Betriebsverfahren dafür.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein
Verfahren zum Steuern des Betriebs einer wiederaufladbaren
Batterie, welche in unterschiedlichen, tragbaren, elektrischen
Vorrichtungen, wie beispielsweise kabellosen Radios,
Audiokassetten-Wiedergabegeräten, Kameras, elektrischen
Leuchten usw. verwendbar ist, wobei die Schlußspannung unter
Verwenden eines Parallel-Entladeverfahrens vergleichmäßigt
wird, bevor die wiederaufladbare Batterie geladen wird, so dass
die Haltbarkeit der wiederaufladbaren Batterie verlängert und
die Effizienz des Ladens verbessert wird.
Wiederaufladbare Batterien, sogenannte Sekundärbatterien oder
Speicherbatterien, werden in unterschiedlichen Typen und Größen
hergestellt und verkauft. Die typischen Arten wiederaufladbarer
Batterien sind, entsprechend deren Komponenten, Nickelkadmium-
(NiCd), Bleisäure-, Nickelmetallhydrid- (NiMH), Lithiumionen-,
Lithiumpolymer-, Alkali-Batterien usw.. Diese wiederaufladbaren
Batterien sollten unter Verwenden des geeigneten Ladeverfahrens
geladen werden, damit die volle Lebensdauer erreicht wird.
Beispielsweise wird eine NiCd-Batterie zunächst vollständig
periodisch entladen, bevor sie verwendet wird. Die
Lithiumionen-Batterie, welche in Notebook-Computern,
Videocameras, Mobiltelefonen usw. verwendet wird, wird geladen,
bevor sie bis zur Entladeschlußspannung entladen wird. Die
Lithiumpolymer-Batterie wird in kleinen elektrischen
Vorrichtungen, medizinischen Ausrüstungsgegenständen, Computern
usw. verwendet und sollte immer in geladenem Zustand sein,
bevor sie durch Entladen entleert wird. Die Haltbarkeit von
Lithiumpolymerbatterien kann verkürzt werden, wenn sie wie eine
Nickelkadmiumbatterie vollständig entladen werden. Wie oben
erwähnt, wird trotz der unterschiedlichen Verwendungsart,
entsprechend den unterschiedlichen Typen, bei vielen
wiederaufladbaren Batterien die volle Lebensdauer nicht
erreicht und vergeudet, da die Benutzer die Batterien falsch
betreiben. Die vergeudeten wiederaufladbaren Batterien sind ein
Faktor der Umweltverschmutzung, insbesondere verursachen die
Nickelkadmium-Batterien ein ernstzunehmendes Umweltproblem, da
Kadmium giftig ist. Viele Länder geben Geld für
Aufklärungskampagnen zum Sammeln der verwendeten Batterien aus.
Außerdem bedeutet das Wegwerfen der wiederaufladbaren Batterien
eine Verschwendung von natürlichen Resourcen. Nachfolgend
werden wiederaufladbare Batterien vom Ni-Cd-Typ und vom Ni-MH-
Typ näher erläutert, welche mit der Erfindung verknüpft sind.
Nach dem Ni-Cd-Batterien kostengünstig, einfach zu lagern und
liefern sowie schnellladefähig sind, sind sie in vielen Feldern
verwendbar, obwohl sie bereits vor langer Zeit entwickelt
wurden. Außerdem sind sie im industriellen Feld die beste Art
der wiederaufladbaren Batterie, da die entladbare Energiemenge
pro Zeit groß ist, die Haltbarkeit lang ist und sie öfter
wieder aufgeladen werden können, als andere Typen. Sie werden
bei elektrischen Vorrichtungen verwendet, welche großen
Energiebedarf haben, wie beispielsweise Kamerablitzgeräte,
drahtlose Telefone, Radios, Satellitenhilfsbatterien,
Motorantriebe, tragbare und drahtlose Staubsauger, Tauchlampen,
ferngesteuerte Modelle (Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe) usw.
Wenn die Ni-Typ-Batterie ohne Tiefentladung wiederaufgeladen
wird, ist die Ladezeit verkürzt, da aufgrund des Memory-Effekts
die wiederladbare Kapazität durch Kristallisation der
unreagierten, aktiven Materialien verringert ist. Im
allgemeinen werden wiederaufladbare Batterien in
Reihenschaltung mit vielen Zellen verwendet, mit der Ausnahme
für den Fall, dass lediglich eine Zelle verwendet wird. In
diesem Fall werden die Zellen derart entladen, dass sie sich in
unterschiedlichen Energiezuständen befinden. Da die in
Reihenschaltung verwendeten Zellen derart entladen werden, dass
sie sich in unterschiedlichen Energiezustand befinden, sind die
Energiezustände der Zellen auch nach dem Wiederaufladen
unterschiedlich. Wenn eine solche Zellengruppe oft entladen und
wiederaufgeladen wird, können die Schlußspannungen einiger
Zellen geringer als 0,1 V sein. Wenn in diesem Zustand diese
Zellen weiter verwendet werden, wird das elektrische Potential
umgekehrt, so dass diese Zellen sich in einem umgekehrten
Batteriezustand befinden. Wenn die Sekundärbatterie, welche
viele wiederaufladbare Zellen aufweist, welche unterschiedliche
Energiezustände aufweisen und in Reihe geschaltet sind, wieder
aufgeladen wird, wird das Wiederaufladen gestoppt, wenn eine
Zelle mit dem höchsten Energiezustand das Schlußsignal für das
Wiederaufladen zu dem Ladegerät schickt, obwohl die Zelle mit
dem geringsten Energiezustand noch nicht wiederaufgeladen ist.
Wenn auf der anderen Seite, in dem Fall, bei welchem die
Sekundärbatterie eine über-entladene Zelle aufweist, erreichen
die anderen Zellen einen überladenen Zustand, bevor die über-
entladene Zelle vollständig wiederaufgeladen ist. D. h. der
Zustand einiger Zellen, welche von der Sekundärbatterie
aufgewiesen werden, bewegt sich zwischen einem unvollständig
geladenen Zustand und dem über-entladenen (oder Invers-
Batterie-) Zustand hin und her. Gleichzeitig bewegt sich der
Zustand der anderen Zellen zwischen dem vollständig geladenen
Zustand und dem unvollständig entladenen Zustand hin und her.
Daher werden alle Zellen beschädigt.
Die Leistung der wiederaufladbaren Nickel-Typ-Batterie kann
durch periodisches Tiefentladen vergrößert werden, so dass die
kristallisierten Elektrolyte entfernt werden. Jedoch weist die
Sekundärbatterie im allgemeinen viele Zellen auf, welche in
Reihe geschaltet sind, um die gewünschte elektrische Spannung
zur Verwendung des elektrischen Gerätes zu erreichen.
Unter diesen Umständen können einige Zellen der
Sekundärbatterie über-entladen werden oder in den inversen
Batteriezustand geraten, wenn die Sekundärbatterie für
Wartungszwecke entladen wird. D. h., es ist schwierig, die
Zellen unter Verwenden der Entlademethode in Reihenschaltung zu
regenerieren oder die Ladezustände auszugleichen. Um dieses
Problem zu lösen, wurde in dem US-Patent Nr. 3,980,940 die
individuelle Entlademethode vorgeschlagen, welche aus Fig. 1
ersichtlich ist. Hierbei wird ein Verfahren zum Betreiben der
Sekundärbatterie vorgeschlagen, bei welchem die Zellen durch
individuelles Tiefentladen ausgeglichen werden, ehe sie in
Reihenschaltung wiederaufgeladen werden. Die wiederaufladbaren
Batterien (Zellen) 1a, 1b, 1c und 1d sind in Reihe geschaltet.
Das Wiederauflademittel 11 ist an die wiederaufladbaren
Batterien 1a bis 1d angeschlossen. Das Entlademittel 21 weist
die elektrischen Lastmittel 23a, 23b, 23c und 23d sowie
Entladesperrschalter 25a, 25b, 25c und 25d auf, welche
individuell zwischen die wiederaufladbaren Batterien 1a bis 1d
geschaltet sind. D. h., die elektrischen Lastmittel 23a bis 23d
und die Entladesperrschalter 25a bis 25d sind jeweils an die
wiederaufladbaren Batterien 1a bis 1d angeschlossen. Hierbei
wird jede Zelle 1a bis 1d, unter Verwendung der Entlademittel
21, individuell entladen, wonach die Zellen in Reihenschaltung,
unter Verwenden des Wiederauflademittels 11, wiederaufgeladen
werden. Hierbei ist jedoch die Menge der verschwendeten Energie
während des individuellen Entladens sehr groß und es dauert
sehr lange, alle Zellen mit unterschiedlichem Energiezustand
vollständig zu entladen.
Es ergibt sich ein Bedarf an einem System und einem Verfahren,
bei welchem die wiederaufladbaren Batterien ohne Tiefentladen
jeder einzelnen Batterie ausgeglichen werden. Danach kann das
Laden in einer kürzeren Zeitperiode durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird ein System und ein Verfahren zum Steuern
des Betriebs wiederaufladbarer Batterien geschaffen, bei
welchem diese vor Beschädigungen aufgrund Über-Entladen oder
Überladen geschützt sind, indem die Energieunterschiede der
einzelnen wiederaufladbaren Batterien ausgeglichen werden.
Außerdem wird erfindungsgemäß ein System und ein Verfahren zum
Steuern des Betriebs der aufladbaren Batterien geschaffen, bei
welchem die wiederaufladbaren Batterien in Parallelschaltung
zum Ausgleich der Energiezustände jeder Batterie entladen
werden und anschließend in Reihenschaltung wiederaufgeladen
werden, so dass die Entlade-Effizienz maximiert ist und das
Laden schnell durchgeführt wird.
Ein erfindungsgemäßes Betriebssteuersystem für wiederaufladbare
Batterien weist eine Mehrzahl von wiederaufladbaren
Einzelbatterien, einen Regelschaltkreis, mittels welchem die
Zellen elektrisch parallel geschaltet werden, ein elektrisches
Lastmittel mit Normalspannung, welche die Summe der maximalen
Ausgangsspannungen der Mehrzahl von Zellen ist und welches
parallel zu den wiederaufladbaren Zellen geschaltet ist, welche
mittels des Regelschaltkreis parallel geschaltet sind, eine
wiederaufladbare Batterien-Betriebssteuervorrichtung, welche
einen Entladesperrschalter aufweist, der zwischen die Mehrzahl
von Zellen und die elektrischen Lastmittel geschaltet ist, um
den in dem elektrischen Lastmittel fließenden Strom für den
Fall abzuschalten, dass die Entladeschlußspannung der Mehrzahl
von wiederaufladbaren Zellen erreicht ist. Außerdem schafft die
Erfindung ein Betriebsverfahren für wiederaufladbare Batterien,
welches die Schritte Entladen für einen vorbestimmten
Zeitabschnitt durch Parallelschalten der Mehrzahl von
wiederaufladbaren Zellen mit unterschiedlichem Energieniveau
unter Verwenden der Batteriesteuervorrichtung zum Entladen
aufweist. Außerdem schafft die Erfindung eine Mehrzahl von
wiederaufladbaren Zellen, ein Regelkreisschaltmittel, mittels
welchem die wiederaufladbaren Zellen verbunden sind, einen
Auswahlschalter, der an das Regelkreisschaltmittel
angeschlossen ist und ermöglicht, die Zellen entweder parallel
oder seriell zu verbinden, ein elektrisches Lastmittel mit
Normalspannung, welche die Summe der maximalen
Ausgangsspannungen der Mehrzahl von Zellen ist, und welches zu
den wiederaufladbaren Zellen parallel geschaltet ist, welche
mittels des Regelschaltkreises parallel geschaltet sind, und
eine Steuervorrichtung für wiederaufladbare Batterien, welche
ein Spannungsanlegemittel aufweist, welches die Ladespannung
zwischen die beiden Elektroden der Zellen, welche in Reihe
geschaltet sind, für den Fall anlegt, dass die Zellen in Reihe
geschaltet sind und gleichzeitig der in dem elektrischen
Lastmittel fließende Strom mittels des Schaltmittels
abgeschaltet wird. Außerdem schafft die Erfindung ein
Betriebsverfahren für wiederaufladbare Batterien, welches die
Schritte Entladen der Mehrzahl von wiederaufladbaren Zellen mit
unterschiedlichem Energieniveau für eine bestimmte Zeitperiode
durch Verbinden derselben in Parallelschaltung, unter Verwenden
der Steuervorrichtung für wiederaufladbare Zellen, sowie
Aufladen der Mehrzahl der wiederaufladbaren Zellen durch
Verbinden derselben in Reihe nach der oben beschriebenen
Parallel-Entladung aufweist.
Aus Fig. 1 ist ein System ersichtlich, mittels welchem
wiederaufladbare Batterien individuell, nach vollständigem
Entladen, unter Verwenden eines herkömmlichen Verfahrens einer
Individual-Entlademethode, wiederaufladbar sind.
Fig. 2a zeigt ein Blockschaltbild eines Betriebssteuersystems
für wiederaufladbare Batterien, mittels welchem Parallel-
Entladen, nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
durchführbar ist.
Fig. 2b zeigt ein Blockschaltbild eines Mangamentsystems für
wiederaufladbare Batterien durch Parallel-Entladen, unter
Verwenden eines Diodenschalters zum Sperren von Über-Entladen.
Fig. 2c zeigt ein Blockschaltbild eines Betriebssteuersystems
für wiederaufladbare Batterien, welches Parallel-Entladen,
unter Verwenden eines Zeitgebers zum Sperren von Über-Entladen
verwendet.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild, aus welchem die
Hauptkomponenten der Erfindung ersichtlich sind, welche ein
Verfahren und ein System zum Steuern des Betriebs
wiederaufladbarer Batterien durch Parallel-Entladen und
Seriell-Laden vorschlägt.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines Regelkreises nach einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5a zeigt ein Schaltbild, aus welchem die Zellen durch
Betrieb des Schalters parallel geschaltet ersichtlich sind.
Fig. 5b zeigt ein Schaltbild, aus welchem die Zellen durch
Betrieb des Schalters in Reihe geschaltet ersichtlich sind.
Fig. 6 zeigt ein Flussbild, aus welchem die Betriebszustände
der Batteriebetriebssteuer-Vorrichtung nach einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ersichtlich sind.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand
bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.
Aus Fig. 2a ist ein Schaltbild, aus welchem eines Teils einer
erfindungsgemäßen Betriebssteuervorrichtung für
wiederaufladbare Batterien ersichtlich ist. Aus der Figur ist
der Kernbereich der Erfindung, das Betriebssteuer-Modul und das
Betriebssteuerverfahren dazu ersichtlich, welche einen
Ausgleich der wiederaufladbaren Batterien mittels Parallel-
Schaltung ermöglichen. Eine wiederaufladbare Batterie, anders
ausgedrückt eine Sekundärbatterie, weist eine oder mehrere
Zellen auf, welche eine Gruppe bilden. Im allgemeinen sind 2,
3, 4, 5, 6, 8 oder 10 Zellen in Reihenschaltung zu einer
Sekundärbatterie verbunden und werden verwendet, um eine für
das verwendete Gerät geeignete, elektromotorische Kraft zu
erhalten. Bei dieser Ausführungsform werden vier Zellen 101a,
101b, 101c, 101d verwendet, welche im allgemeinen in
Digitalkameras, Kamera-Blitzgeräten, Unterwasser-Tauch-
Blitzgeräten und Spielzeugen verwendet werden. Für den Fall,
dass mindestens eine der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d die
Entlade-Schlußspannung erreicht, wenn die Sekundärbatterie in
einem Gerät verwendet wird, muss sie wiederaufgeladen werden.
Nach dem Trennen der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d von dem
Gerät werden die Zellen parallel geschaltet. Dann werden die
Zellen mittels dem elektrischen Lademittel 123 parallel
geschaltet, welches eine Normalspannung entsprechend der
elektromotorischen Kraft der Zellen zwischen beiden Elektroden
der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d aufweist, welche parallel
geschaltet sind. Daher wird jede der Zellen 101a, 101b, 101c
und 101d, welche von der Sekundärbatterie aufgewiesen wird,
gleichzeitig entladen. Die Zellen 101a, 101b, 101c und 101d,
welche von der verwendeten Sekundärbatterie aufgewiesen werden,
haben unterschiedliche Spannungszustände. Wenn daher das
Entladen durchgeführt wird, nachdem diese in Parallelschaltung
verschaltet wurden, wird ein Ausgleich erreicht, anders
ausgedrückt wird eine identische Spannung und ein identischer
Entladezustand jeder der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d
erreicht. Nachdem jede der Zellen durch Ausführen der Parallel-
Entladung für eine bestimmte Zeitdauer ausgeglichen wurde,
werden die Zellen durch Verbinden mit dem Seriell-
Ladeschaltkreis aufgeladen. Die für das Steuern des Betriebs
der wiederaufladbaren Batterie, unter Verwenden der Parallel-
Entladung erforderliche Zeit kann, entsprechend dem Zustand der
Sekundärbatterie, unterschiedlich sein. Es ist bevorzugt, die
Zeit bis zum Erreichen der Entlade-Schlußspannung der
Sekundärbatterie, welche parallel verschaltet ist, als die
Betriebssteuer-Zeit zu verwenden. Daher kann eine Siliziumdiode
125, welche eine der Summe der Entlade-Schlußspannungen der
Sekundärbatterie entsprechende Schwellenspannung aufweist,
durch Parallelschalten mit den Zellen 101a, 101b, 101c und 101d
verwendet werden, wie aus Fig. 2b ersichtlich. Nach einem
anderen bevorzugten Verfahren, wird ein Zeitgeber 127
eingesetzt, welcher die Entlade-Zeit künstlich steuert, wie aus
Fig. 2c ersichtlich. Nach unserer Erfahrung, kann effektives
Steuern des Betriebs erreicht werden, indem drei bis fünf
Minuten entladen wird, wenn die Entlade-Rate zwischen 1C und 2C
liegt (wobei 1C Laden oder Entladen der Kapazität innerhalb
einer Stunde bedeutet).
Die erfindungsgemäße wiederaufladbare Batterie weist im
wesentlichen folgende Elemente auf: einen Batteriehalter 103a,
103b, 103c und 103d, mittels welchem die Zellen 101a, 101b,
101c und 101d elektrisch verbunden sind, anders ausgedrückt
eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batterien, bei denen das
erfindungsgemäße Betriebsverfahren für wiederaufladbare
Batterien durchgeführt wird. Die Zellen 101a, 101b, 101c und
101d können in Reihenschaltung verwendet werden, so dass sie
für das verwendete, elektrische Gerät geeignete
elektromotorische Kraft (Spannung) liefern. Ein
Regelschaltkreis 105, mittels welchem die Zellen 101a, 101b,
101c und 101d parallel geschaltet werden können, ist außerdem
vorgesehen. Ein elektrisches Lastmittel 123 ist parallel
geschaltet und weist eine Normalspannung auf, welche zu der
elektromotorischen Kraft der Zellen, zwischen beiden
Anschlüssen der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d in dem
Regelschaltkreis 105, passt. Als elektrisches Lastmittel 123
kann ein Widerstand, eine Glühbirne, ein Elektromotor oder
dergleichen verwendet werden, welche die der elektromotorischen
Kraft der Zelle entsprechende Spannung verbrauchen. Ein
Entlade-Sperrschaltkreis 125, welcher in Reihe mit dem
elektrischen Lastmittel 123 geschaltet ist und zu den Zellen
101a, 101b, 101c und 101d parallel geschaltet ist, ist
vorgesehen, um weiteres Entladen zu vermeiden, wenn die
parallel geschalteten Zellen 101a, 101b, 101c und 101d das
Entladen beginnen, um das Entladen beenden, wenn die Entlade-
Schlußspannung erreicht wird. Bevorzugt wird eine Siliziumdiode
mit minimaler Schwellenspannung, entsprechend der Entlade-
Schlußspannung der Sekundärbatterie, als Entlade-
Sperrschaltkreis 125 verwendet (die Entlade-Schlußspannung
entspricht der Summe der Spannung der Entlade-Schlußspannungen
der parallel geschalteten Zellen).
Mit der ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
eine Steuervorrichtung und ein Betriebsverfahren dafür
vorgeschlagen, mittels welchem Parallel-Entladung der
wiederaufladbaren Zellen, welche von der Sekundärbatterie
aufgewiesen werden, möglich ist, und welches zum Ausgleichen
vor dem Wiederaufladen geeignet ist. Bei der zweiten
bevorzugten Ausführungsform wird eine Steuervorrichtung für
wiederaufladbare Batterien erläutert, welche die Ladefunktion
und das Steuerverfahren aufweist. Aus Fig. 3 ist das
Grundkonzept einer Steuervorrichtung für wiederaufladbare
Batterien nach dieser bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
Eine wiederaufladbare Batterie 101, weist eine oder mehrere
Zellen als eine Gruppe auf. Die wiederaufladbare Batterie 101
ist an einen Regelschaltkreis 105 angeschlossen, welcher einen
Schalter 107 aufweist, der zwischen Reihenschaltung und
Parallelschaltung schaltbar ist. Bevorzugt ist der
Auswahlschalter 107 mit einem Batteriezustand-Testmittel 109
verbunden, welches zum Auswählen zwischen Parallel- und
Reihenschaltung, unter Verwenden des Spannungszustand der
wiederaufladbaren Batterien 101, dient. Wenn die
wiederaufladbaren Batterien 101 mittels des Auswahlschalters
107 parallel geschaltet sind, ist die wiederaufladbare Batterie
mit einem Entlade-Mittel 123 verbunden, welches eine der
elektromotorischen Kraft einer Zelle zwischen beiden
Anschlüssen der Batterie 101 entsprechende, Normalspannung
aufweist. Bevorzugt ist ein Zeitgeber 127, von welchem Signale
zum Ändern der Verbindung der wiederaufladbaren Batterien 101
in eine Reihenschaltung sendbar sind, nachdem das Entladen für
eine bestimmte Zeitdauer ausgeführt wurde, zwischen den
Auswahlschalter und das Entlade-Mittel 123 geschaltet. Nachdem
das Parallel-Entladen für eine bestimmte Zeitperiode mittels
des Signals des Zeitgebers 127 ausgeführt wurde, wird ein
Lademittel 111 zum Wiederaufladen der ladbaren Batterien 101
mit dem Regelschaltkreis 105 verbunden, nachdem diese mittels
des Auswahlschalter 107 in Reihe geschaltet wurden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der bevorzugten
Ausführungsform näher erläutert. Eine Sekundärbatterie, welche
eine oder mehrere Zellen als eine Gruppe aufweist, ist
erforderlich. Im allgemeinen sind als Sekundärbatterien 2, 3,
4, 5, 6, 8 oder 10 Zellen in Reihe geschaltet, um eine für das
zu verwendende Gerät geeignete elektromotorische Kraft zu
erreichen. Bei dieser Ausführungsform wird wieder beispielhaft
die Verwendung von vier Zellen erläutert, welche weit
verbreitet ist. Ein Batteriehalter 103a, 103b, 103c und 103d,
welcher das elektrische Verbinden der Zellen 101a, 101b, 101c
und 101d ermöglicht, ist vorgesehen. Ein Regelschaltkreis 105
ist vorgesehen, welcher ermöglicht, die Zellen 101a, 101b, 101c
und 101d, unter Verwenden von leitenden Drähten oder
dergleichen, parallel oder in Reihe zu schalten. Eine
elektrische Leitung ist an den Batteriehalter 103a, 103b, 103c
und 103d angeschlossen. Ein Auswahlschalter 107, mittels
welchem für die Zellen 101a, 101b, 101c und 101d
Parallelschaltung oder Reihenschaltung schaltbar ist, wird von
dem Regelkreis-Schaltkreis 105, aufgewiesen. Der
Auswahlschalter 107 kann ein Drehschalter, ein Relais oder ein
Halbleiterelement, wie beispielsweise MOSFET (Metal Oxide Semi
Conductor Field Effect Transistor) sein. Beide Anschlüsse der
Zellen 101a, 101b, 101c und 101d sind mit dem Lademittel 111
verbunden, wenn die Zellen 101a, 101b, 101c und 101d in Reihe
geschaltet sind. Beide Anschlüsse der Zellen 101a, 101b, 101c
und 101d sind mit dem Entlade-Mittel 123 verbunden, wenn die
Zellen 101a, 101b, 101c und 101d, entsprechend der
Schaltstellung des Auswahlschalters 107, parallel geschaltet
sind. Aus Fig. 4 ist ein Beispiel eines Regelschaltkreises 105
ersichtlich, welcher derart aufgebaut ist, dass entweder
Reihenschaltung oder Parallelschaltung ermöglicht wird. Aus
Fig. 5a ist ein Schaltkreis ersichtlich, bei welchem die
Zellen, mittels Betätigung des Schalters, parallel geschaltet
sind, und aus Fig. 5b ist ein Schaltkreis ersichtlich, bei
welchem die Zellen, mittels Betätigung des Schalters, in Reihe
geschaltet sind.
Nachfolgend wird das Betriebsverfahren unter Verwenden der oben
angegebenen Vorrichtung zum Steuern der wiederaufladbaren
Batterie, beschrieben. Aus Fig. 6 ist ein Flussbild
ersichtlich, welches die Betriebsbedingungen der
erfindungsgemäßen Batteriebetriebssteuer-Vorrichtung erläutert.
Der Regelschaltkreis 105 verbindet die Zellen 101a, 101b, 101c
und 101d in einem Initialisierungsschritt 6a in Reihe, wie aus
Fig. 6 ersichtlich. Danach wird überprüft, ob die
elektromotorische Kraft der Zellen 101a, 101b, 101c und 101d,
welche an dem Regelschaltkreis angeschlossen und in Reihe
geschaltet sind, geringer als die Normalspannung ist, wie aus
Schritt 6b aus Fig. 6 ersichtlich. Wenn die elektromotorische
Kraft geringer als die Normalspannung ist, wird der
Schaltzustand des Auswahlschalters 107 geändert und dieser
verbindet die Zellen 101a, 101b, 101c und 101d in
Parallelschaltung, wie aus Schritt 6c aus Fig. 6 ersichtlich.
Anschließend werden die Zellen 101a, 101b, 101c und 101d
parallel, mittels des Entlade-Mittels 123, entladen, wie aus
Schritt 6d aus Fig. 6 ersichtlich.
Die beim Parallel-Entladen verstrichene Zeit, wird automatisch,
mittels eines Zeitgebers 127, eingestellt, welcher zwischen dem
Entlade-Mittel 123 und dem Auswahlschalter 107 vorgesehen ist.
Bevorzugt, wird die Entlade-Zeit auf 5 Minuten eingestellt,
unter Berücksichtigung der Zeit zum Steuern der Batterie, wie
aus Schritt 6e aus Fig. 6 ersichtlich. Wenn das die
Vollständigkeit des Parallel-Entladens anzeigende Signal,
mittels des Zeitgebers 127, an den Auswahlschalter übertragen
wird, wird die Verschaltung der Zellen 101a, 101b, 101c und
101d in eine Reihenschaltung geändert, wie aus Schritt 6f aus
Fig. 6 ersichtlich. Anschließend werden die Zellen 101a,
101b, 101c und 101d mit dem Lade-Mittel 111 in Reihenschaltung
verbunden und das Wiederaufladen wird ausgeführt, wie aus
Schritt 6g aus Fig. 6 ersichtlich. Während dem Laden wird die
elektromotorische Kraft fortwährend gemessen, und wenn sie
gleich oder größer als die Normalspannung ist, wie aus Schritt
6b aus Fig. 6 ersichtlich, wird das Laden beendet und in einen
Wartemodus übergegangen, wie aus Schritt 6a aus Fig. 6
ersichtlich.
Wenn beim Wiederaufladen ein Schnell-Laden ausgeführt werden
soll, wird das Parallel-Entladen für zwischen drei bis fünf
Minuten ausgeführt und das Entladen wird unter der Bedingung
ausgeführt, dass das Ladeverhältnis 3C bis 4C beträgt. Daher
ist der Ladevorgang in 30 Minuten abgeschlossen.
Erfindungsgemäß wird ein Betriebssteuersystem für
wiederaufladbare Batterien geschaffen, mittels welchem durch
Verbinden derselben Art von wiederaufladbaren Batterien mit
unterschiedlichen Energiepegeln in Reihe und Aufladen, nachdem
ein Entladen der wiederaufladbaren Batterien in
Parallelschaltung durchgeführt wurde, möglich ist, und ein
Betriebsverfahren für die wiederaufladbaren Batterien
geschaffen. Erfindungsgemäß ist Schnell-Ladung möglich, wenn
die wiederaufladbare Batterie nach dem Ausgleich, unter der
Bedingung unvollständiger Entladung der wiederaufladbaren
Batterie, wiederaufgeladen wird, durch welches Ausgleichen bei
der wiederaufladbare Batterien gleiche Energiepegel mittels
Parallel-Entladen erreicht werden. Außerdem können überladene
und über-entladene wiederaufladbare Batterien, welche
beschädigt worden sind, während des Vorgangs des Ausgleichens
mittels des Parallel-Entladens weiter verwendbar gemacht
werden. Außerdem kann die Haltbarkeit der wiederaufladbaren
Batterie verlängert werden, da die Batteriebetriebssteuerung
während der Anzahl von Betriebssteuer- und Ladevorgängen durch
die Batteriebetriebssteuer-Vorrichtung, nach der vorliegenden
Erfindung wiederholt wird.
Claims (10)
1. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien, welches
aufweist:
Batteriehalter (103) mittels welchen Zellen (101a bis 101d) elektrisch verbindbar sind,
Regelkreis-Mittel (105), mittels welchen die Batteriehalter (103) mit den Zellen (101a bis 101d) in Parallelschaltung verschaltbar sind, und
Entlademittel, welches mit den parallel geschalteten Zellen parallel schaltbar ist.
Batteriehalter (103) mittels welchen Zellen (101a bis 101d) elektrisch verbindbar sind,
Regelkreis-Mittel (105), mittels welchen die Batteriehalter (103) mit den Zellen (101a bis 101d) in Parallelschaltung verschaltbar sind, und
Entlademittel, welches mit den parallel geschalteten Zellen parallel schaltbar ist.
2. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 1, wobei das Entlademittel (123) eine elektrische Last
mit einer einer elektromotorischen Kraft der Zelle (101a bis
101d) entsprechenden Normalspannung aufweist.
3. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 1, welches außerdem einen Entlade-Sperrschalter (107)
aufweist, welcher mit dem Entlade-Mittel (123) in Reihe
geschaltet ist und welcher parallel zu den Zellen (101a bis
101d) geschaltet ist.
4. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 3, wobei der Entlade-Sperrschalter (107) eine Diode
aufweist, deren Schwellenspannung der Summe der Entlade-
Schlußspannungen der Zellen in Parallelschaltung entspricht.
5. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien, welches
aufweist:
Batteriehalter (103), mittels welchen Zellen (101a bis 101d) elektrisch verbindbar sind,
Regelkreis-Mittel (105), mittels welchem die Batteriehalter (103) mit den Zellen (101a bis 101d) in Reihe oder parallel verschaltbar sind,
einen Auswahlschalter (107) welcher mit dem Regelkreis- Mittel (105) verbunden ist, und von welchem Reihenschaltung oder Parallelschaltung der Zellen (101a bis 101d) schaltbar ist,
ein Entlade-Mittel (123), welches zu den Zellen (101a bis 101d) parallel geschaltet ist, wenn die Zellen parallel geschaltet sind, und
ein Lademittel (111), welches zu den Zellen (101a bis 101d) in Reihe geschaltet ist, wenn die Zellen in Reihe geschaltet sind.
Batteriehalter (103), mittels welchen Zellen (101a bis 101d) elektrisch verbindbar sind,
Regelkreis-Mittel (105), mittels welchem die Batteriehalter (103) mit den Zellen (101a bis 101d) in Reihe oder parallel verschaltbar sind,
einen Auswahlschalter (107) welcher mit dem Regelkreis- Mittel (105) verbunden ist, und von welchem Reihenschaltung oder Parallelschaltung der Zellen (101a bis 101d) schaltbar ist,
ein Entlade-Mittel (123), welches zu den Zellen (101a bis 101d) parallel geschaltet ist, wenn die Zellen parallel geschaltet sind, und
ein Lademittel (111), welches zu den Zellen (101a bis 101d) in Reihe geschaltet ist, wenn die Zellen in Reihe geschaltet sind.
6. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 5, welches ferner einen Zeitgeber (127) aufweist, von
welchem die Entlade-Zeit bestimmbar ist, wenn die parallel
geschalteten Zellen (101a bis 101d) mittels des Entlade-Mittel
(123) entladen werden.
7. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 5, wobei das Entlade-Mittel (123) eine elektrische
Last aufweist, welche die Normalspannung, entsprechend der
elektromotorischen Kraft der Zellen (101a bis 101d) aufweist.
8. Betriebssteuersystem für wiederaufladbare Batterien nach
Anspruch 5, wobei der Auswahlschalter (107) ein Relais, einen
Drehschalter, und/oder eine Schaltelement-Gruppe,
einschließlich eines Halbleiterschaltelementes aufweist.
9. Betriebsverfahren für wiederaufladbare Batterien mit
folgenden Schritten:
Parallelschalten von mindestens zwei Zellen (101) und Parallelschalten der Zellen (101) mittels Verbinden eines Entlade-Mittels (123), welches die Normalspannung entsprechend der maximalen Ausgangsspannung der Zellen (101) aufweist und welches zu den parallel geschalteten Zellen parallel geschaltet ist.
Parallelschalten von mindestens zwei Zellen (101) und Parallelschalten der Zellen (101) mittels Verbinden eines Entlade-Mittels (123), welches die Normalspannung entsprechend der maximalen Ausgangsspannung der Zellen (101) aufweist und welches zu den parallel geschalteten Zellen parallel geschaltet ist.
10. Betriebsverfahren für wiederaufladbare Batterien mit
folgenden Schritten:
Inreiheschalten von mindestens zwei Zellen (101),
Bestimmen, ob die elektromotorische Kraft der Zellen (101) geringer als die Normalspannung ist, durch Überprüfen der elektromotorischen Kraft der Zellen (101),
Verbinden der Zellen (101) in Parallelschaltung, wenn die elektromotorische Kraft der Zellen (101) geringer als die Normalspannung ist und Ausführen von Parallel-Entladen für eine vorbestimmte Zeit durch Verbinden mit dem Entlade-Mittel (123), und
Ausführen von Wiederaufladen durch Ändern des Verschaltungszustands der Zellen (101) in eine Reihenschaltung.
Inreiheschalten von mindestens zwei Zellen (101),
Bestimmen, ob die elektromotorische Kraft der Zellen (101) geringer als die Normalspannung ist, durch Überprüfen der elektromotorischen Kraft der Zellen (101),
Verbinden der Zellen (101) in Parallelschaltung, wenn die elektromotorische Kraft der Zellen (101) geringer als die Normalspannung ist und Ausführen von Parallel-Entladen für eine vorbestimmte Zeit durch Verbinden mit dem Entlade-Mittel (123), und
Ausführen von Wiederaufladen durch Ändern des Verschaltungszustands der Zellen (101) in eine Reihenschaltung.
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