DE10065483A1 - Verfahren zur Steuerung der Aufladung einer Batterie und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Steuerung der Aufladung einer Batterie (2): DOLLAR A - wird die Batterie (2) abwechselnd und periodisch mit Strom und Spannung geladen, DOLLAR A - läßt man während der Spannungsladezyklen die Ladespannung sich verändern, und jenseits eines unteren Grenzwerts V0 läßt man sie sich während einer vorbestimmten Zeitdauer über einen oberen Grenzwert hinaus verändern, bevor man sie auf den unteren Grenzwert zurückfallen läßt, DOLLAR A - bringt man während der Stromladezyklen den Wert des Ladestroms dazu, sich von einem Anfangswert aus periodisch zu verändern, DOLLAR A - überwacht man die Temperatur der Batterie (2), um eine entsprechende Temperaturänderung aufzufinden und zu messen, und DOLLAR A - vermindert man den Stromwert, wenn die Temperaturänderung einen Sollgrenzwert überschreitet. DOLLAR A Die Erfindung ist auch bei tragbaren Endgeräten anwendbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Wiederaufladen einer Batterie, insbesondere derjenigen eines Funktelefon-Handapparates. Um das Gewicht des Handapparates zu begrenzen, vermeidet man es, Batterien aus Blei zu verwenden, und zieht beispielsweise Batterien der Cadmium-Nickel- oder NiMH (Nickelmetallhydrid)-Technologie vor, obschon sie störanfälliger sind. Um zu vermeiden, sie zu beschädigen, lädt man sie mit einem begrenzten Strom aus einem Ladegerät, das einen Stromgenerator umfaßt.

Ein Stromgenerator ist von Natur aus dafür vorgesehen, den gewünschten Strom zu liefern, wie auch immer die Spannung der Batterie ist. Daher kann eine vorübergehend sehr schwache Batteriespannung keinen übermäßigen Stromstoß hervorrufen. Die Spannung der Batterie, die wegen des Ladestroms ansteigt, kann indes diesem Strom nicht entgegenwirken, wenn die Batterie geladen wird. Die Energie des Ladestroms, die sich normalerweise in chemische Energie zur Aufladung der Batterie umwandelt, kann diese Umwandlung nicht mehr bewirken, wenn der ganze Elektrolyt umgewandelt wurde, und für den Ladestrom gleicht die Batterie dann einem Heizwiderstand. Die entsprechende Erwärmung birgt dann die Gefahr, sie zu zerstören, wenn man nicht in der Lage ist, den Endzustand des chemischen Aufladens zu erkennen, um den Ladestrom abzuschalten.

Um das Ende des Aufladens zu erkennen, ist es bekannt, die Spannung der Batterie zu überwachen, die während des Aufladens anwächst, aber leicht und vorübergehend während der Übergangsphase absinkt, während der die Batterie am Ende des Aufladens beginnt, einem Heizwiderstand gleich zu werden.

In der Verwendungsumgebung werden die von der Batterie versorgten Schaltungen in einem Apparat wie dem angesprochenen Handapparat jedoch manchmal vorübergehend in einen Wartezustand versetzt und reaktiviert, so daß die Entladestromschwankungen, die dies induziert, negative oder positive Sprünge der Batteriespannung bewirken. Man läuft dadurch Gefahr, eine Aufladung zu früh zu unterbrechen oder sie im Gegenteil nie zu unterbrechen, wenn ein solcher Spannungssprung die zeitweilige Spannungsabsenkung, die kennzeichnend für das Ende der Aufladung ist, überdeckt.

Die Anmelderin hat sich überlegt, zusätzlich zur Spannung die absolute Höhe der Temperatur der Batterie zu überwachen, um den Übergang in den "Heizwiderstand"- Modus zu erfassen. Der Entladestrom oder die Umgebungsbedingungen des Endgeräts, wie beispielsweise eine Sonnenbestrahlung, können jedoch ebenfalls eine Erwärmung der Batterie hervorrufen, die Gefahr läuft, zu Unrecht als Ende der Aufladung betrachtet zu werden.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Aufladung einer Batterie auf einfache und effiziente Weise zu steuern.

Hierzu betrifft die Erfindung zunächst ein Verfahren zur Steuerung der Aufladung einer Batterie durch einen Generator, wobei

• - die Batterie abwechselnd und periodisch mit Strom und Spannung geladen wird,
• - man während der Spannungsladezyklen die Ladespannung sich verändern läßt und sich jenseits eines unteren Grenzwerts während einer vorbestimmten Zeitdauer über einen oberen Grenzwert hinaus verändern läßt, bevor man sie auf den unteren Grenzwert zurückfallen läßt,
• - man während der Stromladezyklen den Wert des Ladestroms dazu bringt, sich von einem Anfangswert aus periodisch zu verändern,
• - man die Temperatur der Batterie überwacht, um eine entsprechende Temperaturänderung aufzufinden und zu messen, und
• - man den Stromwert vermindert, wenn die Temperaturänderung einen Sollgrenzwert überschreitet.

Demzufolge wird zu Beginn der Ladung und bis zum unteren Ladespannungsgrenzwert die Ladung der Batterie beschleunigt, indem eine Ladung mit konstanter Spannung in den Zeitintervallen erfolgt, die diejenigen Zeitintervalle voneinander trennen, während derer die Ladung mit konstantem Strom erfolgt.

Während der gesamten Ladung gleicht die Änderung des Stromes aber einer Impulsfolge, die sich thermisch an der Batterie in einer Folge von Temperaturwechseln in Phase mit diesen Impulsen äußert. Man bestimmt daher diese Übertragungsempfindlichkeit oder -steilheit zwischen der Stromänderung und der Temperaturänderung, um bei Bedarf den Strom auf einen solchen Wert zurückzunehmen, daß er alleine die Batterie nicht auf einen Wert erwärmt, der den Sollgrenzwert überschreitet. Der Wert der Raumtemperatur spielt als solcher keine Rolle, da er konstant sein kann und es dann genügt, ihn von den Temperaturmeßwerten abzuziehen, um daraus die Temperaturänderung abzuleiten, oder da er sich verändern kann, er aber einer Variablen gleicht, die sich mit einer anderen Frequenz als derjenigen der Impulse ändert, das heißt ohne Phasenbeziehung zu den Impulsen, wodurch gestattet wird, deren Einwirkung zeitgleich genau zu bestimmen. Es versteht sich, daß das Verfahren auf jede beliebige Batterie anwendbar ist, sei sie isoliert oder in eine beliebige Vorrichtung integriert.

Vorzugsweise regelt man den Wert der Temperaturänderung auf den Grenzwert, indem man den Strom gemäß dem Unterschied zwischen den genannten Temperaturwerten regelt.

Man kann folglich mit dem maximalen Strom aufladen, der mit dem Sollwert kompatibel ist.

Vorteilhafterweise bestimmt man den Wert der Temperaturänderung durch Vergleich zwischen einer Aufwärmsteilheit und einer Abkühlungssteilheit.

Dadurch kann man sich von dem Abdriften der Raumtemperatur unabhängig machen, ohne diese überwachen zu müssen, denn ihr Gesamteffekt ist Null.

Bei einer besonderen Ausführung wird die Batterie von einem Stromgenerator und einem Spannungsgenerator aufgeladen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Batterie von einem Stromgenerator und einer Spannungsregelung mittels des Stromgenerators aufgeladen.

In diesem Fall ist das Hinzufügen zusätzlicher Geräte begrenzt.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Steuerung der Aufladung einer Batterie, die dafür eingerichtet ist, von einem Generator gespeist zu werden, mit

• - Veränderungsmitteln, um den Ladestrom dazu zu bringen, sich zu verändern,
• - Abfolgesteuerungsmitteln, um die Veränderungsmittel periodisch zu steuern,
• - Mitteln zur Bereitstellung einer Ladespannung,
• - Mitteln zur Messung des Unterschieds zwischen der Ladespannung der Batterie und einem unteren und oberen Ladespannungsgrenzwert,
• - Mitteln zur Messung der Temperatur der Batterie,
• - Mitteln zur Bereitstellung eines Sollgrenzwertes zur Temperaturmodulation der Batterie, und
• - Rechenmitteln, die am Eingang mit den Mitteln zur Bereitstellung des Grenzwertes und den Mitteln zur Messung der Temperatur verbunden sind, um daraus einen Wert der Temperaturänderung zu bestimmen und um Mittel zur Einstellung des Stroms entsprechend dem Unterschied zwischen der Temperaturänderung und dem Grenzwert zu steuern sowie um unter der Wirkung der Mittel zur Messung des Temperaturunterschieds die Mittel zur Bereitstellung der Ladespannung zu steuern.

Die Vorrichtung kann einen Stromgenerator und einen Spannungsgenerator aufweisen.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung einen Stromgenerator und eine Spannungsregelung mittels des Stromgenerators.

Die Erfindung wird mittels der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens besser verständlich, wobei auf die folgende beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird:

Fig. 1 ist eine Funktionsblock-Skizze eines Funktelefon-Handapparates, der das erfindungsgemäße Verfahren einsetzt,

Fig. 2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das eine thermische Anregung der Batterie des Handapparats darstellt,

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Verfahrensschritte darstellt,

Fig. 4 ist ein Zeitablaufdiagramm, das das Prinzip der wechselnden Ladung der Batterie mit konstantem Strom und konstanter Spannung darstellt,

Fig. 5A und 5B, die die Fig. 5 bilden, veranschaulichen jeweils die Steuerung der Ladespannung der Batterie als Funktion der Zeit t, und

Fig. 6 ist ein das erfindungsgemäße Steuerungsverfahrens veranschaulichendes Flußdiagramm.

Der in Fig. 1 dargestellte Funktelefon-Handapparat umfaßt eine Batterie 2, hier vom NiMH-Typ, in Reihe mit einem in Form eines Relais dargestellten Unterbrecher 3 zur Steuerung des Ladestroms der Batterie 2, der aus einem Generator 1 stammt, hier einem Stromgenerator, der vom Netz gespeist wird und über einen Steckverbinder mit dem Handapparat verbunden sein kann.

In der vorliegende Anmeldung wird das Problem der Ladung der Batterie 2 behandelt, wobei die Wiederaufladung der häufigste Einzelfall ist. Die Begriffe Ladung und Wiederaufladung werden hier als genau identisch angesehen.

An der Batterie 2 ist ein Temperaturaufnehmer 4 befestigt, hier insbesondere ein Widerstand oder Thermistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur gemäß einer bekannten Gesetzmäßigkeit ändert. In Abwandlung hierzu könnte eine Diode vorgesehen werden, deren Spannungsabfall, und folglich deren statischer und dynamischer Widerstand, sich umgekehrt zur Temperatur ändert.

Eine Mikroprozessor-Zentraleinheit 11, deren Funktionsablauf von einem Zeitgeber 10 getaktet wird, sorgt für die Steuerung der Aufladung der Batterie 2 durch Ansteuerung des Relais 3.

Für das Laden und Wiederaufladen der Batterie 2 umfaßt der Handapparat insbesondere zwei Einheiten von Schaltungen:

• - eine Einheit von Schaltungen 4 und 12 bis 21, zum Laden mit konstantem Strom, und
• - eine Einheit von Schaltungen 22 bis 25, zum Laden mit konstanter Spannung.

Wie zu Beginn erwähnt, besteht eine Ladung mit konstantem Strom darin, der Batterie 2 einen von der Spannung, die sie aufweist, unabhängigen Strom zu liefern, während eine Ladung mit konstanter Spannung darin besteht, der Batterie 2 einen Strom zu liefern, der von dem Unterschied zwischen der Spannung einer Quelle vorbestimmten Wertes und der anwachsenden Spannung der Batterie 2 abhängt.

Diese zwei Einheiten werden im folgenden nacheinander beschrieben.

Die Zentraleinheit umfaßt am Eingang einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 12, der den Wert des Widerstandes 4 mißt, beispielsweise durch Messung seiner Spannung, wenn er von einem bestimmten Strom gespeist wird. Der Ausgang des ADC 12 ist mit dem positiven Eingang eines Subtrahierers 16 verbunden, der an seinem negativen Eingang den Ausgang eines Addierers 15 empfängt. Der Addierer 15 empfängt den Ausgang eines Speichers 13, der einen (weiter unten definierten) Raumtemperaturwert bereitstellt, und den Ausgang eines Speichers 14, der einen Sollgrenzwert Tc bereitstellt, der die Temperaturmodulation der Batterie 2 durch den Strom des Generators 1 begrenzt.

Das Ergebnis am Ausgang des Subtrahierers 16 wird in einem Integrierer 17 integriert, dessen Ergebnis durch eine sehr schematisch als Relaiskontakt dargestellte Verzweigungseinrichtung 19 entsprechend der von einer Ablaufsteuerungsschaltung 18 kommenden Ansteuerung der Verzweigungseinrichtung 19 zu einem Rechenblock 20 oder zu einem Rechenblock 21 geleitet wird.

Der Rechenblock 20 berechnet den Wert der Raumtemperatur und speichert ihn im Speicher 13. Unter Raumtemperatur wird die Temperatur der Batterie 2 in Abwesenheit eines Ladestroms verstanden. Die Raumtemperatur hängt folglich insbesondere von der Temperatur der Raumluft, der Temperatur der etwaigen Oberfläche, auf die der Handapparat steht, von seiner direkten Sonnenbestrahlung und auch von dem Entladestrom in den nicht dargestellten telephonischen Bauteilen, bzw. der Nutzlast, des Handapparates ab.

Der Rechenblock 21 steuert entsprechend dem Ausgang des Integrierers 17 den Unterbrecher 3, um den mittleren Ladestrom auf einen solchen Wert zu begrenzen, daß er allein nur eine Erwärmung der Batterie 2 bewirkt, die den Grenzwert Tc des Speichers 14 (oder einen damit verknüpften, beispielsweise dazu proportionalen Wert) nicht überschreitet, und dies unabhängig von anderen Ursachen einer Erwärmung. Es ist daher notwendig, die Erwärmung durch den Ladestrom von anderen unterscheiden zu können, die durch die anderen, oben angeführten Ursachen bedingt sind.

Wie angegeben, umfaßt das Handapparat eine Einheit von Schaltungen 22 bis 25 zur Aufladung der Batterie 2 mit konstanter Spannung. Sie umfaßt einen Analog/Digital- Wandler 24, der am Eingang mit den Polen der Batterie 2 (die mit dem negativen Pol der Batterie 2 verbundenen Masseanschlüsse sind nicht dargestellt) und einem Speicher 23 verbunden ist, der zwei Zahlen enthält, die zwei Grenzwert-Spannungswerte für die Aufladung der Batterie 2 darstellen, einen oberen V1 bzw. einen unteren V0.

Die Schaltungen 23 und 24 sind am Ausgang mit einem Subtraktionseingang bzw. einem Additionseingang eines Subtrahierers 25 verbunden, dessen Ausgabe einen Rechenblock 22 steuert, der wiederum den Unterbrecher 3 über eine Schaltung 26 ansteuert, die ein ODER-Gatter mit zwei Eingängen bildet, das auch von dem Rechenblock 21 angesteuert wird.

Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip der Ladung mit konstantem Strom des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der ersten Einheit mit Schaltungen 4 und 12 bis 21, wobei die gemessene (12) Temperatur der Batterie 2 auf der Ordinate und die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen sind.

Die Kurve C0 stellt die Entwicklung der Raumtemperatur der Batterie 2 dar, wie sie oben definiert ist. Diese Temperatur wächst hier gemäß einer monotonen Kurve C0 mit im wesentlichen konstanter Steigung.

Die Kurve C1 gibt die effektiv gemessene Temperatur der Batterie 2 wieder, das heißt die Raumtemperatur [C0] zu der eine Modulation oder positive Änderung aufgrund des Umstandes hinzukommt, daß der Ladestrom sich ausgehend von einem Anfangswert ändert, während er periodisch in aufeinanderfolgenden Perioden T jedesmal während einer Ladedauer tc, der eine Unterbrechung der Dauer ta folgt, an die Batterie 2 angelegt wird. Die Batterie 2 nimmt folglich zu bestimmten Zeitpunkten periodische Stromimpulse auf.

In diesem Beispiel ist
tc = 10 min
ta = 5 min

Im Verhältnis zur Raumtemperatur C0 ändert sich die Anfangstemperatur θ0 (hier zu einem gegebenen Zeitpunkt im bereits bestimmten Temperaturbereich), während der Dauer tc der ersten Phase (Kurve C2) unter der Wirkung der Erwärmung infolge des Ladestroms, bis zu einem asymptotischen oberen Wert parallel zur Kurve C0. Die sich einstellende Erwärmung, die die Regelung erforderlich macht, entspricht gänzlich dem Unterschied zwischen der Erwärmung aufgrund des Stroms und der natürlichen Abkühlung während dieser Phase tc. Die Temperaturänderung zeigt einen exponentiellen Verlauf, der in dem Maße abnimmt, wie man sich der Asymptote nähert. Bei der absoluten Änderung kommt das wie hier positive oder auch ein negatives Abdriften der Raumtemperatur C0 hinzu, die sich von 0 (willkürlicher Bezugswert) auf θA1 ändert.

Während der zweiten Phase, der Ruhephase, der ta (Kurve C3) liegt keine thermische Anregung der Batterie 2 durch den Ladestrom mehr vor, und die Kurve C3 besitzt als untere Asymptote die "natürliche" Kurve C0 der Raumtemperatur. Die Kurve C3 kann folglich ansteigen, wenn die Kurve C0 hinreichend ansteigt, oder aber, sie kehrt im hier dargestellten allgemeinen Fall auf einen Wert θ2 zurück, wobei die Raumtemperatur dann den Wert θA2 angenommen hat. Die Sägezahnform der Kurven C2, C3 wiederholt sich dann in den folgenden Perioden T.

Zur Erläuterung kann man in erster Näherung annehmen, daß die Raumtemperatur C0 sich mit einer Zeitkonstante ändert, die deutlich größer als die Periode T ist, das heißt, daß die Kurve C0 im wesentlichen eine Folge von geraden Abschnitten ist, wobei jede Periode T einem Abschnitt entspricht. Die Periode T, hier 15 Minuten, ist jedoch hinreichend groß, hier in der Größenordnung der thermischen Zeitkonstante der Batterie 2, damit die Temperaturmodulation klar erkennbar und demzufolge mit hoher Genauigkeit meßbar ist. Da die Raumtemperatur C0 einer Entwicklung folgt, die nicht mit der gesteuerten Temperaturmodulation korreliert, gilt allgemein, daß die Raumtemperatur bei den Berechnungen nur ein Untergrundrauschen darstellt, das durch die Wiederholung oder die Integration aus deren Ergebnissen herausgefiltert wird.

Die Kurve C4, die eine Mittelung oder Integration der Kurven C2 und C3 darstellt, ist von den momentanen Wirkungen der Phasen tc und ta unabhängig, liegt im Gleichgewicht der Stromregelung parallel zur Raumtemperaturkurve C0 und um Δθ darüber. Die Temperaturverschiebung Δθ zwischen den Kurven C0 und C4 entspricht demnach einem Gleichgewicht zwischen der thermischen Anregung aufgrund des Stroms während tc und der "Abregung" aufgrund der Umgebung, die dann nach und nach während ta den Wärmeüberschuß der Batterie 2 absorbiert. Dieser Rücklauf zur Kurve C0 ist um so wirksamer (Steilheit der Exponentialkurve für die Abnahme des Unterschieds), je größer der Unterschied Δθ ist. Man kann daher auf diese Weise Δθ aufgrund der Abkühlwirkung schätzen, die sich daraus herleitet und, als absoluter Wert und im Gleichgewicht, gleich der thermischen Erwärmung ist, die von dem Ladestrom I jedesmal erzeugt wird, wenn er fließt, das heißt aufgrund hier eines relativen Durchlaßwinkels P

mit L: relativer Durchlaßwinkel des Stroms in einer Schaltung 38 (Fig. 3) zur Einstellung der Größe von periodischen Impulsen des Ladestroms, hier mit einer Periode, die deutlich kleiner als T ist, welche den mittleren Strom einstellt, der erforderlich ist, um den Erwärmungsgrenzwert nicht zu überschreiten.

Die thermische Anregungsleistung RI².P (Batteriewiderstand R) bzw. der zur Erwärmung führende Wärmefluß ist gleich dem zu Δθ proportionalen Abkühlungswärmefluß. Folglich gibt die Erwärmung Δθ im Gleichgewicht den. Wert des Widerstandes R wieder.

Anders ausgedrückt, ist das Integral des strombedingten Wärmeflusses über tc gleich dem Integral der Abkühlung über ta.

Daher läßt sich schreiben:

Δθc = θ1 - θ0 = ECH + θA1 (2)

und

Δθa = θ2 - θ1 = RAP + (θA1.ta/tc) (3)

da θA1/tc = (θA2 - θA1)ta, (4)

mit:
ECH: Erwärmung aufgrund des Ladestroms, und
RAP Wärmeabfluß an die Umgebung während ta.

In diesem Beispiel wurden unterschiedliche Zeitdauern ta und tc gewählt. Jedoch kann man sich von den Wirkungen des Abdriftens der Raumtemperatur C0 unabhängig machen. Die Raumtemperatur C0, von der angenommen wird, daß sie sich im wesentlichen linear ändert, bewirkt daher in den beiden Phasen ta und tc ein Abdriften der Temperatur, das proportional zur betreffenden Zeitdauer tc oder ta ist. Wenn man das Verhältnis dieser beiden Zeitdauern ta und tc kennt, kann man die Temperaturmeßwerte korrigieren, um sich von dem Abdriften der Raumtemperatur C0 freizumachen, indem man die Temperaturänderungen im Verhältnis zur Zeit normiert:

um schließlich mittels eines einzigen Temperaturaufnehmers (4) einen Temperaturgradienten pro Zeiteinheit zu bestimmen.

Anders ausgedrückt, kompensiert die zur mittleren Erwärmung Δθ proportionale natürliche Abkühlung die Zuführung von Wärmenergie. Diese Zuführung von Wärmenergie ist proportional zur Übertragungssteilheit, bzw. thermischen Wirksamkeit des Ladestroms, zum Quadrat des Betrages I dieses Stroms und zu den Faktoren der Form tc/T und L. Da die Werte I, tc/T und L bekannt sind, drückt Δθc direkt die thermische Empfindlichkeit oder Übertragungssteilheit der Batterie 2 in bezug auf den Ladestrom aus.

Man kann daher eine Abschätzung EST der Amplitude der Temperaturmodulation der Batterie 2 durch die Modulation des Stromes erstellen, wobei EST Δθ bis auf einen Faktor α nahekommt. Ausgehend von Gleichung (5) und durch Umformung entsprechend den Gleichungen (2) und (3) erhält man im Gleichgewicht mit ECH = -RAP:

mit:
k(°C/A): thermische Empfindlichkeit der Batterie und

hier.

Wie die Struktur des Terms α zeigt, ist die Abschätzung oder fiktive Erwärmung EST ein berechneter Wert, der proportional zum realen Wert Δθ der Erwärmung ist und sie sehr gut wiedergibt. Es genügt daher, die Variable EST auf einen Erwärmungsgrenzwert zu regeln, um ebenso die reale Erwärmung Δθ auf einen entsprechenden Grenzwert Tc zu regeln.

Der Ladestrom I wird von dem Stromgenerator 1 geliefert, für den es in diesem Beispiel nicht vorgesehen ist, den Momentanstrom einzustellen. Als Variante hierzu könnte eine statische Regulierung ohne Stromanschnitt mittels eines einstellbaren Reihenwiderstandelements vorgesehen werden, wie beispielsweise einem Transistor. Um den mittleren Strom während der Phasen tc einstellen zu können, schneidet man jedoch hier periodisch den Strom in der Schaltung 38 an, um ihn nur impulsförmig während des Bruchteils L der Zeit durchzulassen (relativer Durchtrittswinkel). Da der gepulste Strom einem Gleichstrom (mittleren Strom) entspricht, dem eine Wechselstromkomponente überlagert ist, kann man letztere unterdrücken und folglich die zusätzliche Erwärmung, die sie bewirkt, unterdrücken, indem man sie durch ein stromab vom Unterbrecher 3 wirksames Element herausfiltert, wie beispielsweise einer Reiheninduktivität.

Fig. 3 veranschaulicht das Verfahren zur Regelung der Ladung mit Strom, wie sie oben unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wurde.

Während die Temperatur der Batterie 2 bei einem Schritt 32 von einem Aufnehmer 4 permanent oder periodisch überwacht und aufgenommen wird, wird bei einem Schritt 33

EST = Δθc - Δθa. tc/ta,

berechnet, was, wie zuvor angemerkt, darauf hinausläuft, die Aufwärmungsteilheit Δθc/tc und die Abkühlungssteilheit Δθa/ta zu vergleichen (zu subtrahieren). In diesem Beispiel wird der Unterschied der Steilheiten durch Multiplikation mit einer bestimmten Dauer, die hier gleich tc angenommen wird, in den Bereich der Temperaturen zurückgeführt. In einem anderen Beispiel, könnte der Grenzwert 34 indessen in Form des Temperaturanstiegs bezüglich der Zeit ausgedrückt werden. Dieser Wert EST wird bei einem Schritt 35 mit einem Grenzwert Tc verglichen (subtrahiert), der aus einem (zum Speicher 14 äquivalenten) Speicher 34 stammt. Die erhaltene Differenz wird bei einem Schritt 36 mit einem Faktor G verstärkt, um ein auswertbares Fehlersignal ∈ zu erhalten, das bei einem Schritt 37 über eine ungefähr T dauernde Zeitspanne integriert wird, um ein integriertes Fehlersignal INT bereitzustellen, das die Einstellung des Gatters 38 steuert, das heißt, den Faktor der Form L oder den Prozentsatz der Durchlaßzeit und dadurch den mittleren Strom festlegt. Der Ausgang des Gatters 38 wird an einen Eingang des Gatters 40 angelegt, dessen anderer Eingang ein Signal des Faktors der festen Form tc/T (hier (2/3) empfängt (Schritt 39), das aus der Ablaufsteuerung 18 stammt, um den Unterbrecher 3 während ta zu blockieren. Über das ODER- Gatter 26, steuert der Ausgang des Gatters 40 den Unterbrecher 3 und folglich den mittleren Ladestrom I.L während der Phase tc.

Es wurde auf diese Weise ein Regelkreis zur Erhöhung der Temperatur der Batterie 2 ausgebildet, der von Änderungen der Raumtemperatur unabhängig ist.

Wenn die Formel, die zur Schätzung der Temperaturerhöhung dient, anders wäre und eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber dem Abdriften der Raumtemperatur aufweisen würde, könnte man vorsehen, diese periodisch zu messen, indem jegliche Anregung (tc) während einer oder mehrerer Zeitspannen T unterbrochen wird, um im wesentlichen und vorübergehend auf die Kurve C0 zurückzukehren. Hierzu kann man in der Praxis bei dem geschilderten Beispiel den Sollgrenzwert Tc vorübergehend auf Null setzen (14, 34).

Um in einem solchen Fall ein massives Abdriften der Raumtemperatur zu erfassen, kann vorgesehen werden, daß der Rechenblock 21 eine Vergleicheinrichtung aufweist, um den Unterschied (∈ oder INT) zwischen der gemessenen Temperaturmodulation und dem Sollgrenzwert Tc mit einer Alarmschwelle zu vergleichen und um einen Raumtemperatur-Meßzyklus auszulösen, wenn der Unterschied die Schwelle überschreitet.

Mittels der obigen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man somit den Stromwert vermindern (Verminderung um den Faktor der Form F), falls die Temperaturmodulation den Einstellgrenzwert Tc überschreitet.

Vorzugsweise wird, wie erläutert, der Wert der Temperaturmodulation auf den Grenzwert Tc geregelt, damit der Strom einen maximalen Wert beibehält, was eine schnelle Aufladung erlaubt, die indessen mit dem Grenzwert Tc der Temperaturerhöhung kompatibel bleibt. Der Faktor der Form F kann folglich auch zeitweise anwachsen, wenn beispielsweise die Telefonschaltungen des Endgerätes die Batterie 2 entladen.

Nachdem somit die Ladung mit konstantem Strom beschrieben wurde, wird jetzt die Gesamtheit der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, das auf einer derartigen Ladung mit konstantem Strom und einer Ladung mit konstanter Spannung beruht.

Gemäß diesem Verfahren zur Steuerung der Aufladung der Batterie 2 durch einen Generator 1

• - wird die Batterie 2 abwechselnd und periodisch mit konstantem Strom und konstanter Spannung geladen,
• - läßt man während der Spannungsladezyklen die Ladespannung sich verändern und sich jenseits eines unteren Grenzwerts V0 während einer vorbestimmten Zeitdauer Ts über den oberen Grenzwert V1 hinaus verändern, bevor man sie auf den unteren Grenzwert V0 zurückfallen läßt, man überwacht die Temperatur der Batterie 2, um eine entsprechende Temperaturänderung aufzufinden und zu messen,
• - bringt man während der Stromladezyklen den Wert des Ladestroms dazu, sich von einem Anfangswert aus periodisch zu verändern, und
• - vermindert man den Stromwert, wenn die Temperaturänderung einen Sollgrenzwert Tc über­ schreitet.

Genauer gesagt, wird die Ladung mit konstanter Spannung während der Zeitspanne der Dauer ta der Fig. 2 durchgeführt, die sich dadurch auszeichnet, daß sie eine Zeitspanne mit Ladestrom Null war. Die Abfolgesteuerschaltung 18 steuert den obigen Wechsel, in dem sie abwechselnd die Ausgänge der Rechenblöcke 21 und 22 wirksam schaltet.

Die Aufladung mit konstanter Spannung erfolgt durch die Schaltungen 21 bis 25, und die Batterie 2 wird dann durch einen Stromgenerator 1 und eine Spannungsregelung mittels des Stromgenerators und des Unterbrechers 3 aufgeladen, der angesteuert wird, um den Strom anzuschneiden und dadurch die Batteriespannung zu regeln. Hierzu steuert der Unterschied zwischen der von dem Wandler 24 gemessenen Batteriespannung und einem weiteren (asymptotischen) Spannungswert im Speicher 23, der größer als V1 ist, den mittleren Ladestrom, so daß dieser sich im gleichen Sinn wie dieser Unterschied ändert, ohne jedoch einen maximalen vorbestimmten Strom für eine schwache Batteriespannung zu überschreiten.

Solange die Batterie 2 entladen bleibt, behält der Ladestrom daher seinen maximalen Wert bei, und zwar sowohl während der Zeitspanne der Dauer tc für die Steuerung mit konstantem Strom als auch während der Zeitspanne der Dauer ta für die Steuerung mit konstanter Spannung.

Als Variante hierzu kann ein zusätzlicher Generator, jedoch für Spannung, vorgesehen werden, der ausschließlich durch den Rechenblock 22 (also unter Auslassung des ODER-Gatters 26) gesteuert wird; die Batterie 2 wird dann durch den Stromgenerator 1, der von dem Rechenblock 21 gesteuert wird, und den Spannungsgenerator geladen.

Während der Zyklen ta der Ladung mit konstanter Spannung steuert der Rechenblock 22 hier periodisch das Lesen des Speichers 23, um die Batteriespannung mit der unteren Grenzwertspannung V0 und der oberen Grenzwertspannung V1 zu vergleichen. Jenseits des unteren Grenzwerts V0 (Fig. 4) bewirkt der Generator 1, der so gesteuert wird, daß er mit dem Unterbrecher 3 als Spannungsgenerator arbeitet, das Ansteigen der Batteriespannung. Wenn diese den oberen Nennspannungsgrenzwert V1 erreicht, hier 4,3 V, aktiviert der Rechenblock 22 eine nicht dargestellte Zeitschaltung, um zuzulassen, daß die Batteriespannung sich während der vorbestimmten Zeitspanne Ts, hier , 2 Sekunden, über den oberen Grenzwert V1 hinaus ändert, bevor sie sie durch Öffnen des Unterbrechers 3 auf den unteren Grenzwert V0 zurückfallen läßt. Die Fig. 4 veranschaulicht zwei derartige Zyklen.

Wie die Fig. 5 veranschaulicht, umfaßt die dargestellte Zeitspanne ta der Ladung mit konstanter Spannung einen Wechsel von Ladungen mit konstanter Spannung und Unterbrechungen der Ladung, wie in Fig. 5B veranschaulicht ist, die den Ladestrom I mit konstanter Spannung als Funktion der Batteriespannung der Fig. 5A darstellt. Wie diese Fig. 5A zeigt, wächst die Zeit des Zurückfallens auf den unteren Grenzwert V0 nach jedem Stromimpuls (von im wesentlichen konstanter Dauer) an, so daß der mittlere Strom abnimmt.

Wenn die Batterie 2 ganz aufgeladen ist, geht ihre Spannung nicht wieder kurzfristig auf den unteren Grenzwert V0 zurück. Die folgenden Zyklen einer Aufladung mit konstanter Spannung entsprechen folglich nur den Funktions- oder Rechenschritten der Schaltungen 22 bis 25, die weiterhin entsprechend dem vorgesehenen Ablauf arbeiten, aber keine Wirkung haben, da der Unterbrecher 3 offen bleibt. Wenn man die Batterie 2 das erste Mal auf diese Weise mit einem gleichbleibenden Strom aufgeladen hat, der maximal sein konnte, wird, sobald der obere Grenzwert V1 ein erstes Mal erreicht ist, der Strom zerhackt und dadurch im Mittel vermindert, und die Funktionsweise nähert sich noch weiter der reinen Aufladung mit konstantem Strom, die zu Beginn erläutert wurde. Daher wird jegliches Risiko einer thermischen Zerstörung der Batterie 2 vermieden.

Das Flußdiagramm der Fig. 6 veranschaulicht die Schritte des Verfahrens.

Bei einem Schritt 61 bestimmt die Ablaufsteuerungsschaltung 18, ob der momentane Zeitpunkt t zu einer Zeitspanne ta gehört. Im negativen Fall (Zeitspanne tc), wird bei Schritt 62, Gatter 26, der Ausgang des Rechenblocks 21 wirksam- und derjenige des Rechenblocks 22 unwirksamgeschaltet. Die Einzelheiten der Ladung mit konstantem Strom werden hier nicht wiederholt. Der Schritt 62 wird zu Schritt 61 zurückgeführt, dessen Abzweigung des JA-Ausgangs ein Schritt 63 folgt, der zu Schritt 62 invers ist und bei dem der Ausgang des Rechenblocks 22 wirksam- und der Ausgang des Rechenblocks 21 unwirksamgeschaltet wird.

Bei einem folgenden Schritt 64, wird der Unterbrecher 3 geschlossen, um mit konstanter Spannung zu laden, und dann bestimmt die Einheit 22-25 bei Schritt 65, ob die Batteriespannung V den oberen Grenzwert V1 erreicht. Im negativen Fall kehrt man zu Schritt 61 zurück und durchläuft auf diese Weise periodisch den Schritt 65. Bei Bejahung bei diesem Schritt 65 wird bei einem Schritt 66 die Zeitschaltung für 0,2 s (Ts) aktiviert, und diese vergleicht anschließend bei einem Schritt 67 den Wert der verstrichenen Zeit mit dem Wert Ts. Falls der Wert Ts nicht erreicht ist, kehrt man hier zu Schritt 61 (oder einem äquivalenten lokalen Schritt) zurück, um zu überprüfen, ob man sich noch in der Zeitspanne ta der Ladung mit konstanter Spannung befindet, und durchläuft in einem solchen Fall wieder Schritt 67. Die NEIN-Verzweigung des Schrittes 67 könnte als Option zu diesem Schritt 67 zurückführen, da hier Ts deutlich kleiner als ta und tc ist: ta könnte über tc hinausgehen. Dem Zweig des JA-Ausgangs des Schritts 67 folgt ein Schritt 68 der Rücksetzung der Zeitschaltung auf Null und des Öffnens des Unterbrechers 3. Bei einem folgenden Schritt 69 wird bestimmt, ob die Batteriespannung V die Spannung des unteren Grenzwertes V0 erreicht. Im negativen Fall wird zu Schritt 61 zurückgekehrt, zu einem neuen elementaren Ladezyklus mit konstanter Spannung, der einem der drei Zyklen der Fig. 5A gleicht. Bei Bejahung bei Schritt 69 prüft man lokal bei einem Schritt 70, ob der momentane Zeitpunkt noch zur Zeitspanne ta gehört, um bei Bejahung zu Schritt 69 zurückzukehren. Es gibt daher kein erneutes Schließen des Unterbrechers 3, solange die Batteriespannung V über dem unteren Grenzwert V0 bleibt. Der negative Zweig des Schritts 70 wird auf den negativen Zweig des homologen Schritts 61 zurückgeführt, hier über den Schritt 61.

Fall bei Schritt 69 die Batteriespannung V kleiner als der untere Grenzwert V0 ist, kehrt man zu Schritt 61 zurück, um anschließend den Unterbrecher 3 bei Schritt 64 zu schließen, wodurch der Prozeß des Aufladens mit konstanter Spannung von neuem gestartet wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Aufladung einer Batterie (2) durch einen Generator 1, wobei

• - die Batterie (2) abwechselnd und periodisch mit Strom und Spannung geladen wird,
• - man während der Spannungsladezyklen die Ladespannung sich verändern läßt und sich jenseits eines unteren Grenzwerts V0 während einer vorbestimmten Zeitdauer über einen oberen Grenzwert (V1) hinaus verändern läßt, bevor man sie auf den unteren Grenzwert (V0) zurückfallen läßt,
• - man während der Stromladezyklen den Wert des Ladestroms dazu bringt, sich von einem Anfangswert aus periodisch zu verändern,
• - man die Temperatur der Batterie (2) überwacht, um eine entsprechende Temperaturänderung (Δθc) aufzufinden und zu messen, und
• - man den Stromwert vermindert, wenn die Temperaturänderung (Δθc) einen Sollgrenzwert (Tc) überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wert der Temperaturänderung (Δθc) auf den Grenzwert (Tc) geregelt wird, indem man den Strom entsprechend dem Unterschied (36) zwischen den Temperaturwerten einstellt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem der Wert der Temperaturänderung durch Vergleich (33) zwischen einer Aufwärmsteilheit und einer Abkühlungssteilheit bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Batterie (2) durch einen Stromgenerator (1) und einen Spannungsgenerator aufgeladen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Batterie (2) durch einen Stromgenerator (1) und eine Spannungsregelung mittels des Stromgenerators aufgeladen wird.

6. Vorrichtung zur Steuerung der Aufladung einer Batterie (2), die dafür eingerichtet ist, von einem Generator (1) gespeist zu werden, mit

• - Veränderungsmitteln (3, 40), um den Ladestrom dazu zu bringen, sich zu verändern,
• - Abfolgesteuerungsmitteln (18), um die Veränderungsmittel (3, 40) periodisch zu steuern,
• - Mitteln (1, 3) zur Bereitstellung einer Ladespannung,
• - Mitteln (22-25) zur Messung des Unterschieds zwischen der Ladespannung der Batterie (2) und einem unteren (V0) und oberen (V1) Ladespannungsgrenzwert,
• - Mitteln (4, 12) zur Messung der Temperatur der Batterie (2),
• - Mitteln (14, 34) zur Bereitstellung eines Sollgrenzwertes zur Temperaturmodulation der Batterie (2), und
• - Rechenmitteln (15, 16, 17, 19, 20, 21), die am Eingang mit den Mitteln (14) zur Bereitstellung des Grenzwertes (14) und den Mitteln (4, 12) zur Messung der Temperatur verbunden sind, um daraus einen Wert der Temperaturänderung zu bestimmen und um Mittel (3, 21, 38) zur Einstellung des Stroms entsprechend dem Unterschied zwischen der Temperaturänderung und dem Grenzwert zu steuern sowie um unter der Wirkung der Mittel zur Messung des Temperaturunterschieds (22-25) die Mittel (1, 3) zur Bereitstellung der Ladespannung zu steuern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einem Stromgenerator und einem Spannungsgenerator.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einem Stromgenerator und einer Spannungsregelung mittels des Stromgenerators.