DE19504468C2 - Batterieladegerät mit Lebensdauererfassungsvorrichtung - Google Patents
Batterieladegerät mit LebensdauererfassungsvorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für
wiederaufladbare Batterien zur Feststellung des Endes der
Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie.
Wiederaufladbare Batterien werden im allgemeinen in Batterie
getriebenen Geräten deswegen verwendet, da sie wiederholt
verwendet werden können. Immer dann, wenn festgestellt wird,
daß die Batterien entladen sind, werden sie von den Geräten
entfernt, bei welchen sie eingesetzt waren, und werden nach
der erneuten Aufladung dort wieder angebracht. Allerdings
sinkt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die Entladekapazität der
Batterien abrupt ab, wenn die Wiederholungen der
Lade/Entladezyklen eine bestimmte Grenze erreicht haben. Die
wiederaufladbaren Batterien weisen daher eine begrenzte
Lebensdauer oder Nutzungsdauer auf, und sie können nicht
erneut verwendet werden, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer
erreicht haben.
Die Batterien erreichen das Ende ihrer Lebensdauer, wenn der
Innenwiderstand der Batterie ansteigt, was wie in Teil (b)
von Fig. 3 gezeigt durch den Austritt des Elektrolyten
hervorgerufen werden kann, oder wenn bei der Batterie ein
innerer Kurzschluß auftritt, infolge einer Verschlechterung
eines Trennmaterials, beispielsweise eines organischen
Materials, oder infolge der Verringerung der Festigkeit der
Elektrode. Insbesondere der Austritt des Elektrolyten stellt
den Hauptgrund für derartige Vorgänge bei Batterien mit einer
Anzahl von Zellen dar, die in Reihe geschaltet sind.
Unterscheiden sich die Kapazitäten der mehreren Zellen, so
ergibt sich eine zwangsweise Überladung und zu starke
Entladung der Zelle mit der niedrigsten Kapazität.
Im Stand der Technik wird von einem Benutzer nur aufgrund
seiner Erfahrung die Feststellung getroffen, ob die Batterie
das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat oder nicht.
Allerdings erkennt der Benutzer nicht das Absinken der
Batteriekapazität, und daher tritt bei Erreichen des Endes
der Lebensdauer der Batterie der Elektrolyt aus der Batterie
aus und führt zu einer Korrosion elektrischer Bauteile des
Batterieladegeräts, so daß das Batterieladegerät beschädigt
werden kann. Daher ist es erforderlich geworden, eine
Vorrichtung bereitzustellen, die den Benutzer entsprechend
informieren kann, wenn die Lebensdauer der Batterie
abgelaufen ist. Weiterhin besteht bei den Benutzern ein
Bedürfnis festzustellen, wann momentan eingesetzte Batterien
durch neue Batterien ersetzt werden sollten, insbesondere
dann, wenn die Benutzer Batterie-getriebene Werkzeuge
verwenden, die unter starker Belastung angetrieben werden,
wobei die Batterien mehrfach mit starker Entladungsrate
eingesetzt werden.
Die DE 36 25 905 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum
Prüfen der Lebensdauer einer Batterie. Eine Batterie wird
überprüft, indem eine Zeit gemessen wird, die für eine
Entladung der Batterie benötigt wird. Ein Spannungsprüfer
mißt die Spannung einer Batterie und erzeugt ein
Ausgangssignal, wenn die Spannung der Batterie unter einen
bestimmten Wert fällt. Aus der für die Entladung der Batterie
benötigten Zeit kann auf den Zustand der Batterie
rückgeschlossen werden. Es ist jedoch ein Entladevorgang der
Batterie notwendig, um den Zustand der Batterie zu bestimmen.
Die G 89 00 155 U1 beschreibt einen Sensor zur Erkennung
einer rückläufigen Spannung beliebiger Höhe, nachdem die
Spannung vorher beliebig angestiegen ist. Dabei erzeugt ein
Schaltkreis an seinem Ausgang solange ein Signal beliebiger
Frequenz, wie die Spannung ansteigt oder konstant ist,
wohingegen das Signal aussetzt, wenn die Spannung abfällt.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der voranstehend
geschilderten Schwierigkeiten entwickelt, und daher liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lebensdauer-
Erfassungsvorrichtung für wiederaufladbare Batterien zur
Verfügung zu stellen, welche verläßlich das Ende der
Lebensdauer der wiederaufladbaren Batterie anzeigt.
Hierzu stellt die vorliegende Erfindung eine Lebensdauer-
Erfassungsvorrichtung zur Bestimmung des Endes der
Lebensdauer einer wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung.
Es ist eine Aufladevorrichtung zum Laden der Batterie mit
einem Ladestrom vorgesehen, eine Batteriespannungs-
Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Batteriespannung.
Eine erste Vergleichsvorrichtung ist dazu vorgesehen, die von
der Batteriespannungs-Erfassungseinrichtung festgestellte
Batteriespannung mit einer vorbestimmten Bezugsspannung zu
vergleichen. Eine Bestimmungsvorrichtung ist dazu vorgesehen,
festzustellen, daß die Batterie das Ende der Lebensdauer
erreicht hat, wenn die erste Vergleichsvorrichtung anzeigt,
daß die Batteriespannung über der vorbestimmten
Bezugsspannung liegt.
Weiterhin ist eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung dazu
vorgesehen, die Batterietemperatur zu Beginn der Ladung zu
erfassen. Eine zweite Vergleichsvorrichtung ist dazu
vorgesehen, die von der Temperatur-Erfassungsvorrichtung
erfaßte Batterietemperatur mit einer vorbestimmten
Bezugstemperatur zu vergleichen. Wenn die zweite
Vergleichsvorrichtung anzeigt, daß die Batterietemperatur
niedriger ist als die vorbestimmte Bezugstemperatur, so wird
der Ladestrom so eingestellt, daß er einen zweiten Pegel
aufweist, der kleiner ist als ein erster Pegel.
Die vorbestimmte Bezugsspannung wird in Abhängigkeit von der
Batterietemperatur geändert. Weiterhin wird die vorbestimmte
Bezugsspannung in Abhängigkeit von dem Ladestrom geändert.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
wird ein Batterieladegerät zum Aufladen einer
wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung gestellt, bei
welcher mehrere Zellen in Reihe geschaltet sind. Das
Batterieladegerät weist eine Ladevorrichtung zum Laden der
Batterie mit einem Ladestrom auf, und eine Batteriespannungs-
Erfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Maximalspannung der
Batterie. Eine Lebensdauerende-Erfassungseinrichtung ist dazu
vorgesehen zu erfassen, daß die Batterie das Ende ihrer
Lebensdauer erreicht hat, auf der Grundlage der
Maximalspannung der Batterie, die von der Batteriespannungs-
Erfassungseinrichtung festgestellt wird, und zur Erzeugung
eines Lebensdauerendesignals. Eine Anzeigevorrichtung zeigt
an, daß die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat,
in Reaktion auf das Lebensdauerendesignal.
Eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung ist dazu vorgesehen,
die Batterietemperatur zu Beginn des Ladens zu erfassen. Der
Ladestrom wird durch die Ladevorrichtung auf der Grundlage
der Batterietemperatur festgelegt.
Vorzugsweise weist das Batterieladegerät eine Zellenanzahl-
Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der Zellenanzahl der
Batterie auf. Die Lebensdauerende-Erfassungsvorrichtung
stellt fest, daß die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer
erreicht hat, und zwar weiterhin auf der Grundlage der
Zellenanzahl der Batterie.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Batterieladegeräts gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Beschreibung des
Betriebsablaufs einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm mit einer Darstellung der Anzahl
von Wiederholungen der Ladung/Entladung in
Abhängigkeit von der Entladekapazität einer
Batterie;
Fig. 4 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer
"toten" Batterie;
Fig. 5 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer noch
verwendbaren Batterie bei niedriger
Temperatur, wobei die Batterie mit einem
Ladestrom mit Standardpegel geladen wird;
Fig. 6 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer noch
nutzbaren Batterie bei niedriger Temperatur,
wobei die Batterie mit einem Ladestrom mit
niedrigem Pegel geladen wird;
Fig. 7 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer seit
langem nicht benutzten Batterie;
Fig. 8 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer
toten Batterie bei Normaltemperatur;
Fig. 9 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer
toten Batterie bei niedriger Temperatur; und
Fig. 10 ein Diagramm der Ladecharakteristik einer
normalen Batterie bei normaler Temperatur.
Nachstehend wird ein Batterieladegerät gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Zur Aufladung einer wiederaufladbaren Batterie durch das in
Fig. 1 gezeigte Batterieladegerät wird die Batterie 2
zwischen einer Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 (die
nachstehend noch genauer beschrieben wird) und Masse
angeschlossen. Das Batterieladegerät weist eine Temperatur-
Erfassungsvorrichtung 2A zur Erfassung der Batterietemperatur
auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Thermistor
in dem Temperatur-Erfassungsvorrichtung 2A verwendet. Der
Temperatur-Erfassungsvorrichtung 2A ist so angeordnet, daß er
mit der Batterie in Kontakt steht oder nahe an dieser
angeordnet ist. Die Batterie 2 besteht aus mehreren Zellen,
die in Reihe geschaltet sind.
Das Batterieladegerät weist einen Widerstand 3 auf, der als
Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung des in der Batterie
2 fließenden Ladestroms dient. Eine
Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 ist an eine
Wechselspannungsquelle 1 angeschlossen, um die
Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die
Schaltung 10 weist einen Vollweg-Gleichrichter 11 und einen
Glättungskondensator 12 auf. Eine Umschaltschaltung 20 ist an
den Ausgang der Gleichrichter/Glättungsschaltung 10
angeschlossen und weist einen Hochfrequenztransformator 21
auf, einen MOSFET 22, und einen PWM-Steuer-IC 23
(PWM: Impulsbreitenmodulation). Der IC 23 ändert die Breite
von Treiberimpulsen, die an den MOSFET 22 angelegt werden.
Durch die Schaltvorgänge des MOSFET 22 entwickelt sich eine
pulsierende Spannung an der Sekundärseite des Transformators
21. Eine weitere Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 ist an
den Ausgang der Umschaltschaltung 20 angeschlossen. Die
Schaltung 30 weist Dioden 31 und 32 auf, eine Drosselspule
33, und einen Glättungskondensator 34. Eine Batteriespannungs-
Erfassungsvorrichtung 40 ist parallel zur Batterie 2
geschaltet und besteht aus zwei in Reihe geschalteten
Widerständen 41 und 42, so daß die Spannung über der Batterie
2 entsprechend dem Widerstandsverhältnis der beiden
Widerstände geteilt wird. Das Ausgangssignal des
Batteriespannungs-Erfassungsvorrichtung 40 wird vom
Verbindungspunkt der Widerstände 41 und 42 abgenommen.
Das Batterieladegerät weist weiterhin einen Mikrocomputer 50
auf, der mit einer CPU 51 versehen ist (die als
Berechnungseinrichtung dient), einem ROM 52, einem RAM 53,
einem Zeitgeber 54, einem A/D-Wandler 55, einem Ausgangsport
56 und einem Rücksetz-Eingangsport 57, die miteinander über
eine Busleitung verbunden sind. Das RAM 53 weist einen ersten
Speicherbereich 531 auf, in welchem abgetastete
Batteriespannungen gespeichert werden, und einen zweiten
Speicherbereich 532, in welchem abgetastete
Batterietemperaturwerte gespeichert werden. Der erste
Speicherbereich 531 dient als
Batteriespannungsspeichereinrichtung und der zweite
Speicherbereich 532 als
Batterietemperaturspeichereinrichtung. Ein
Ladestromsteuerabschnitt 60 ist zwischen den
Stromerfassungsabschnitt (Widerstand) 3 und die
Umschaltschaltung 20 geschaltet, um den Ladestrom auf einem
vorbestimmten Pegel zu halten. Der Ladestromsteuerabschnitt
60 weist kaskadengeschaltete Operationsverstärker 61 und 62
sowie Widerstände 63 bis 66 auf.
Eine Konstantspannungsquelle 70 ist dazu vorgesehen, dem
Mikrocomputer 50 und dem Ladestromsteuerabschnitt 60
konstante Spannungen zuzuführen. Die Konstantspannungsquelle
70 weist einen Transformator 71 auf, einen Vollweg-
Gleichrichter 72, einen Glättungskondensator 73, einen
Spannungsregler 74 mit drei Klemmen, und einen Rücksetz-IC
75. Der Rücksetz-IC 75 gibt ein Rücksetzsignal (reset) an den
Rücksetz-Eingangsport 57 des Mikrocomputers 50 aus, um diesen
zurückzusetzen. Ein Anzeigeabschnitt 80 für das
Batterielebensdauerende (EOL) ist zwischen die
Konstantspannungsquelle 70 und den Ausgangsport 56 des
Mikrocomputers 50 geschaltet, um das Ende der Lebensdauer der
Batterie 2 anzuzeigen. Der EOL-Anzeigeabschnitt 80 weist eine
LED (lichtemittierende Diode) 81 sowie einen Widerstand 82
auf. Ein Ladestromfestlegungsabschnitt 90 ist zwischen den
Ausgangsport 56 des Mikrocomputers 50 und die invertierende
Eingangsklemme des kaskadengeschalteten Operationsverstärkers
62 geschaltet. Der Ladestrombestimmungsabschnitt 90 legt den
Ladestrom dadurch fest, daß er die Spannung ändert, die an
die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 62
angelegt wird, entsprechend dem von dem Mikrocomputer 50
ausgegebenen Signal.
Ein Photokoppler 4, der als Ladesteuersignal-
Übertragungseinrichtung dient, ist zwischen den Ausgangsport
56 des Mikrocomputers 50 und den PWM-Steuer-IC 23 der
Umschaltschaltung 20 geschaltet. Der Photokoppler 4 dient zum
Übertragen von Signalen von dem Mikrocomputer 50, um den
Beginn und das Ende der Aufladung zu steuern. Ein weiterer
Photokoppler 5, der als Ladestromsignal-
Übertragungseinrichtung dient, ist zwischen den Ausgang des
Operationsverstärkers 62 des Ladestromsteuerabschnitts 60 und
den PWM-Steuer-IC 23 geschaltet. Der Photokoppler 5 dient zum
Rückführen des Ladestromsignals an den PWM-Steuer-IC 23.
Nunmehr erfolgt eine Beschreibung von Kurven für die
Batteriespannungscharakteristik für normale Batterien, die
noch verwendbar sind (nachstehend als "verwendbare Batterien"
bezeichnet) sowie von Batterien, welche das Ende ihrer
Lebensdauer erreicht haben (nachstehend als "EOL-Batterien"
bezeichnet).
Fig. 4 zeigt eine Kurve für die
Batteriespannungscharakteristik einer EOL-Batterie, die mit
einem ersten Ladestrom Iα geladen wird. Wie aus Fig. 4
hervorgeht, hat die Batteriespannung die erste Bezugsspannung
(EOL-Unterscheidungsspannung) (nachstehend als erste
Bezugsspannung bezeichnet) Vrα in der Anfangsstufe der
Aufladung überschritten.
Fig. 5 zeigt eine Kurve für die
Batteriespannungscharakteristik einer verwendbaren Batterie
auf niedriger Temperatur, die mit einem ersten Ladestrom Iα
geladen wird. Ähnlich wie bei der in Fig. 4 gezeigten Kurve
hat die Batteriespannung die erste Bezugsspannung Vrα in der
Anfangsstufe der Aufladung überschritten. Als Batterie auf
niedriger Temperatur wird eine Batterie bezeichnet, deren
Anfangsbatterietemperatur Tin, gemessen zu Beginn der
Aufladung, niedriger ist als ein vorbestimmter
Bezugstemperaturwert Tref.
Fig. 6 zeigt die Kurve für die
Batteriespannungscharakteristik einer verwendbaren Batterie
auf niedriger Temperatur, die mit einem zweiten Ladestrom Iβ
geladen wird, der einen niedrigeren Pegel aufweist als der
erste Ladestrom Iα. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, hat die
Batteriespannung eine zweite Bezugsspannung (Lebensdauerende-
Unterscheidungsspannung) (nachstehend als zweite
Bezugsspannung bezeichnet) Vrβ in der Anfangsstufe der
Aufladung nicht überschritten.
Fig. 7 zeigt die Kurve für eine
Batteriespannungscharakteristik einer verwendbaren Batterie,
die über einen längeren Zeitraum nicht benutzt wurde, deren
Temperatur jedoch nicht so niedrig ist wie jene der Batterie
auf niedriger Temperatur. Die Batterie wird mit dem ersten
Ladestrom Iα geladen. Zwar steigt die Batteriespannung in der
Anfangsstufe der Aufladung langsam an, jedoch überschreitet
sie nicht die erste Bezugsspannung Vrα. Die Anstiegsrate der
Spannung während des Anfangsladungszeitraums ist nicht so
hoch wie die Anstiegsrate der Spannung bei der nicht
verwendbaren Batterie, die unter denselben Bedingungen
geladen wird (vgl. Fig. 4).
Fig. 8 zeigt die Kurve für eine
Batteriespannungscharakteristik der EOL-Batterie, deren
Anfangsbatterietemperatur Tin, gemessen zu Beginn der Ladung,
nicht niedriger ist als der vorbestimmte Bezugstemperaturwert
Tref. Die EOL-Batterie wird mit dem ersten Ladestrom Iα über
einen Zeitrauma tα aufgeladen. Wie aus Fig. 8 hervorgeht,
hat die Batteriespannung die erste Bezugsspannung Vrα während
eines Zeitraums tα seit dem Beginn der Aufladung
überschritten.
Fig. 9 zeigt eine Kurve für die
Batteriespannungscharakteristik einer EOL-Batterie auf
niedriger Temperatur, die über einen Zeitraum tβ mit dem
zweiten Ladestrom Iβ aufgeladen wird. Die Batteriespannung
hat die zweite Bezugsspannung Vrβ während eines Zeitraums tβ
seit dem Beginn der Aufladung überschritten.
Fig. 10 zeigt eine Kurve einer
Batteriespannungscharakteristik einer verwendbaren Batterie,
deren Anfangsbatterietemperatur Tin, gemessen zu Beginn der
Aufladung, nicht niedriger ist als der vorbestimmte
Bezugstemperaturwert Tref. Die Batterie wird mit dem ersten
Ladestrom Iα geladen. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, hat die
Batteriespannung nicht die erste Bezugsspannung Vrα in der
Anfangsstufe der Ladung überschritten, also zu einem
Zeitpunkt, wenn seit dem Beginn der Ladung die Zeit tα
abgelaufen ist.
Auf der Grundlage der verschiedenen Kurven für die
Batteriespannungscharakteristik, die voranstehend geschildert
wurden, kann dadurch unterschieden werden, ob die fragliche
Batterie noch verwendbar ist, oder das Ende ihrer Lebensdauer
erreicht hat, und zwar durch Messung der Temperatur der
Batterie zu Beginn der Ladung und nachfolgende Ermittlung, ob
die Batteriespannung die erste oder zweite Bezugsspannung
erreicht hat, nachdem die Batterie entweder mit dem Ladestrom
Iα oder Iβ über einen Zeitraum tα oder tβ geladen wurde.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung von Betriebsabläufen
des Batterieladegeräts unter Bezugnahme auf das in Fig. 2
dargestellte Flußdiagramm. Hierbei werden Einzelschritte
durch den Buchstaben "S" bezeichnet, gefolgt von der Nummer
des Schrittes.
Wenn der Strom eingeschaltet wird, so gelangt der
Mikrocomputer 50 in einen Bereitschaftszustand, bis
festgestellt wird, daß die Batterie 2 in das Ladegerät
eingesetzt ist (S101). Wenn unter Bezugnahme auf das von der
Batteriespannungs-Erfassungsvorrichtung 40 ausgegebene Signal
der Mikrocomputer 50 feststellt, daß die Batterie 2
eingesetzt oder angeschlossen ist ("JA" im Schritt S101), so
empfängt der Mikrocomputer 50 eine Anfangsbatterietemperatur
Tin, welche vor Beginn einer Ladung gemessen wurde (S102).
Die vor Beginn der Ladung gemessene Klemmenspannung des
Thermistors 2A gibt die Anfangsbatterietemperatur Tin an und
wird dem A/D-Wandler 55 für eine Analog/Digitalwandlung
zugeführt. Eine vorbestimmte Bezugstemperatur Tref zur
Erfassung, ob die fragliche Batterie eine niedrige Temperatur
aufweist oder nicht, wird von der Anfangsbatterietemperatur
Tin subtrahiert, und dann erfolgt eine Entscheidung, ob das
Ergebnis der Subtraktion einen positiven oder negativen Wert
ergibt (S103).
Ist das Ergebnis der Subtraktion positiv, so wird festgelegt,
daß die fragliche Batterie keine niedrige Temperatur aufweist
("NEIN" im Schritt S103). Für derartige Batterien werden eine
Ladestromeinstellspannung Vα, die erste Bezugsspannung Vrα,
und eine Anfangsladungszeit tα eingestellt (S104). Die
Spannung Vα dient dazu, den Ladestrom Iα hervorzurufen. Der
Pegel der ersten Bezugsspannung Vrα wird entsprechend dem
Pegel des Ladestroms Iα festgelegt. Wird der Ladestrom Iα
höher eingestellt, so wird die erste Bezugsspannung größer,
wogegen dann, wenn der Ladestrom Iα kleiner eingestellt wird,
die erste Bezugsspannung kleiner wird.
Dann gibt im Schritt S105 der Mikrocomputer 50 ein
Ladestartsignal von dem Ausgangsport 56 an den PWM-Steuer-IC
23 über den Ladesteuersignal-Übertragungsabschnitt 4 aus, und
beginnt die Ladung mit dem Ladestrom Iα. Bei Beginn der
Ladung wird am Widerstand 3 der an die Batterie 2 angelegte
Ladestrom erfaßt. Der Ladestromsteuerabschnitt 60 ermittelt
die Differenz zwischen der Spannung Vα und der Spannung
entsprechend dem Ladestrom, erfaßt durch den Widerstand 3 und
koppelt dann die Differenz an den PWM-Steuer-IC 23 über den
Photokoppler 5 zurück.
Genauer gesagt wird die Breite des an den
Hochfrequenztransformator 21 angelegten Impulses verringert,
wenn der momentane Ladestrom zu hoch ist, und vergrößert,
wenn der momentane Ladestrom zu klein ist. Das Ausgangssignal
der Sekundärwicklung des Hochfrequenztransformators 21 wird
durch die Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 gleichgerichtet
und geglättet. Auf diese Weise wird der Ladestrom auf
konstantem Pegel gehalten. Daher arbeiten der Widerstand 3,
der Ladestromsteuerabschnitt 60, der Photokoppler 5, die
Umschaltschaltung 20, und die
Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 so zusammen, daß sie den
Ladestrom auf den vorbestimmten Wert Iα steuern bzw. regeln.
Daraufhin wird auf der Grundlage der Batteriespannung, die in
der Anfangsstufe der Ladung erfaßt wurde, festgestellt, ob
die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat oder
nicht. Zu diesem Zweck wird die maximale Batteriespannung Vm
auf Null eingestellt (S106), und werden die
Batteriespannungen Vx, die seit Beginn der Ladung erfaßt
wurden, aufeinanderfolgend in den
Batteriespannungsspeicherabschnitt 531 eingegeben (S107). Der
Maximalwert unter diesen Werten, die in dem
Batteriespannungsspeicherabschnitt 531 gespeichert werden,
wird als maximale Batteriespannung Vm festgehalten, und die
aktualisierte Batteriespannung Vx wird mit der maximalen
Batteriespannung Vm verglichen (S108). Wenn die aktualisierte
Batteriespannung Vx größer ist als die maximale
Batteriespannung Vm ("JA" im Schritt S108), so wird die
maximale Batteriespannung Vm durch die aktualisierte
Batteriespannung Vx ersetzt (S109).
Daraufhin wird überprüft, ob seit Beginn der Ladung die
Anfangsladungszeit tα abgelaufen ist (S110). Ist die
Anfangsladungszeit tα noch nicht abgelaufen ("NEIN" im
Schritt S110), so kehrt das Programm zum Schritt S107 zurück,
und dann werden die in den Schritten S107 bis S110
angegebenen Vorgänge mehrfach durchlaufen. Wenn die
aktualisierte Batteriespannung Vx kleiner oder gleich der
maximalen Batteriespannung Vm ist ("NEIN" im Schritt S108),
so wird der Vorgang im Schritt S109 weggelassen, und das
Programm geht sofort zum Schritt S110 über. Wenn die
Anfangsladungszeit tα seit Beginn der Ladung abgelaufen ist
("JA" im Schritt S110), so wird eine Differenz zwischen der
maximalen Batteriespannung Vm und der ersten Bezugsspannung
Vrα berechnet (S111). Ist die Differenz zwischen diesen
Werten positiv ("JA" im Schritt S111), also ist die maximale
Batteriespannung, die während der Anfangsladungsperiode
erfaßt wurde, größer als die erste Bezugsspannung Vrα, so
wird festgestellt, daß die in das Ladegerät eingesetzte
Batterie die in Fig. 4 gezeigte Kurve zeigt, und daraus
geschlossen, daß die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer
erreicht hat. In diesem Fall gibt der Mikrocomputer 50 ein
Freischaltsignal an die LED 81 des EOL-Anzeigeabschnitts 80
aus, damit so die LED 81 aufleuchtet (S113). Gleichzeitig
gibt der Mikrocomputer 50 das Ladestoppsignal vom
Ausgangsport 56 an den PWM-Steuer-IC 23 aus, über die
Ladesteuersignal-Übertragungseinrichtung 4, so daß die Ladung
beendet wird (S114). Im Schritt S115 wird festgestellt, ob
die Batterie 2 von dem Ladegerät entfernt wurde oder nicht.
Falls dies der Fall ist ("NEIN" im Schritt S115), so kehrt
das Programm zum Schritt S101 zurück, in welchem auf das
Einsetzen einer anderen Batterie gewartet wird.
Ist die Differenz zwischen der maximalen Batteriespannung Vm
und der ersten Bezugsspannung Vrα negativ ("NEIN" im Schritt
S111), also falls die während der Anfangsladungsperiode
erfaßte maximale Batteriespannung nicht die erste
Bezugsspannung Vrα überschritten hat, so wird bestimmt, daß
die in das Ladegerät eingesetzte
Batterie die in Fig. 7 dargestellte Kurve zeigte, und
hieraus geschlossen, daß die Batterie noch nicht das Ende
ihrer Lebensdauer erreicht hat und noch verwendbar ist. In
diesem Fall wird im Schritt S112 festgestellt, ob die
Batterie 2 vollständig aufgeladen ist oder nicht. Im Stand
der Technik sind verschiedene Vorgehensweisen zur Erfassung
eines vollständig geladenen Zustands der Batterie bekannt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein sogenanntes
-ΔV-Verfahren zur Erfassung des vollständigen
Ladungungszustands der Batterie verwendet. Mit
fortschreitendem Laden der Batterie steigt die
Batteriespannung an, erreicht eine Spitzenspannung und sinkt
dann wieder ab. Bei dem -ΔV-Verfahren wird festgestellt, daß
die Batterie vollständig geladen ist, wenn nach Erreichen des
Spitzenwertes durch die Batteriespannung gegenüber dem
Spitzenwert ein vorbestimmter Spannungsabfall
-ΔV aufgetreten ist. Wenn die vollständige Aufladung
festgestellt wird, so gibt der Mikrocomputer 50 ein
Ladungsstopsignal an den PWM-Steuer-IC 23 aus, so daß das
Laden beendet wird (S114). Wenn die vollständige Ladung nicht
festgestellt wird ("NEIN" im Schritt S112), so wird die
Erfassung von -ΔV ständig durchgeführt. Im Schritt S115 wird
festgestellt, ob die Batterie 2 vom Ladegerät entfernt wurde
oder nicht. Falls dies der Fall ist ("NEIN" im Schritt S115),
so kehrt das Programm zum Schritt S101 zurück, in welchem auf
das Einsetzen einer anderen Batterie gewartet wird.
Wenn im Schritt S103 das Ergebnis der Subtraktion
(Tin - Tref) negativ ist, also wenn festgestellt wird, daß
die vorbestimmte Bezugstemperatur Tref höher ist als die
Anfangsbatterietemperatur Tin ("JA" im Schritt S103), so wird
festgestellt, daß die fragliche Batterie eine niedrige
Temperatur aufweist. Für derartige Batterien wird eine
Ladestromeinstellspannung Vβ, die zweite Bezugsspannung Vrβ,
und eine Anfangsladungszeit tβ eingestellt (S116). Die
Spannung Vβ dient dazu, den Ladungsstrom Iβ zu erzeugen. Wie
bei der ersten Bezugsspannung Vrα wird der Pegel der zweiten
Bezugsspannung Vrβ entsprechend dem Pegel des Ladestroms Iβ
festgelegt. Wenn der Ladestrom Iβ höher eingestellt wird, so
wird die zweite Bezugsspannung Vrβ größer, wogegen bei einer
niedrigeren Einstellung des Ladestroms Iβ die zweite
Bezugsspannung Vrβ kleiner wird. Daher ändert sich die
Differenz zwischen Vrα und Vrβ in Abhängigkeit von der
Differenz zwischen Iα und Iβ. Die Anfangsladezeit tβ für die
Batterie auf niedriger Temperatur wird kleiner oder gleich
der Anfangsladezeit tα eingestellt. Nachdem die Einstellung
von Vβ, Vrβ und tβ fertig ist, so werden in den Schritten
S117 bis S124, ähnlich wie bei den Schritten S105 bis S112,
die Anfangsladung, die Bestimmung, ob die Batterie das Ende
ihrer Lebensdauer erreicht hat oder nicht, und die Erfassung
des vollständig geladenen Zustands durchgeführt. Falls sich
bei der fraglichen Batterie herausstellt, daß sie das Ende
ihrer Lebensdauer erreicht hat, so wird die LED im Schritt
S113 eingeschaltet. Stellt sich andererseits heraus, daß die
Batterie noch verwendbar ist, und wird der vollständig
geladene Zustand festgestellt, so wird das Laden der Batterie
im Schritt S114 abgebrochen.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine
spezifische Ausführungsform beschrieben, jedoch werden
Fachleuten auf diesem Gebiet verschiedene Änderungen und
Modifikationen deutlich werden, die vorgenommen werden
können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann die Anfangsbatterietemperatur mit jedem
von mehreren Bezugswerten auf mehreren Pegeln verglichen
werden, um die Batterie in Bezug auf die Batterietemperatur
exakter zu bewerten. Bei der voranstehend beschriebenen
Ausführungsform wird angenommen, daß Batterien geladen
werden, welche die gleiche Anzahl von in Reihe geschalteten
Zellen aufweisen. Allerdings kann auch das Ende der
Lebensdauer solcher Batterien festgestellt werden, die
unterschiedliche Anzahlen an Zellen aufweisen, nämlich durch
Änderung der Bezugsspannung Vrα oder Vrβ abhängig von der
Anzahl an Zellen. Die Anzahl an Zellen in der Batterie wird
durch Laden der Batterie mit einem vorläufigen Ladestrom für
einen vorbestimmten Zeitraum und Vergleichen der
angestiegenen Batteriespannung, infolge der vorläufigen
Ladung, mit jeder von mehreren Bezugsspannungen entsprechend
der Anzahl an Zellen festgestellt. Weiterhin kann das Ende
der Lebensdauer der Batterie dadurch ermittelt werden, daß
die Batteriespannung während des Ladens eine geeignet
eingestellte Bezugsspannung überschreitet. In diesem Fall ist
es nicht erforderlich, die vorläufige Ladezeit einzustellen.
Wie voranstehend beschrieben ändern sich die Bezugsspannungen
Vrα und Vrβ in Abhängigkeit vom Ladestrom Iα bzw. Iβ. Wenn
die Ladeströme Iα und Iβ zum Aufladen schnell aufladbarer
Batterien höher eingestellt werden, die beispielsweise mit SC
geladen werden, so werden auch die Bezugsspannungen höher
eingestellt, wogegen dann, wenn die Ladeströme Iα und Iβ zur
Aufladung von
Standardbatterien kleiner eingestellt werden, die
beispielsweise mit weniger als 1C geladen werden, die
Bezugsspannungen ebenfalls kleiner eingestellt werden.
Weiterhin ändern sich die Bezugsspannungen Vrα und Vrβ
ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterie.
Beispiele für Bezugsspannungen, die in Abhängigkeit von der
Batterietemperatur, der Anzahl an Zellen in der Batterie, und
dem Ladestrom eingestellt werden, sind in der nachstehenden
Tabelle 1 angegeben. Eine schnell wiederaufladbare Batterie
(1700 mAh) erfährt eine EOL-Unterscheidung durch
Bezugsspannungen. Eine nominelle Spannung jeder Zelle in der
Batterie beträgt 1,2 V. Vier Arten von Batterien werden mit
dem Ladestrom Iα von 4C geladen, nämlich eine 7,2 V-Batterie
mit sechs Zellen, eine 9,6 V-Batterie mit 8 Zellen, eine 12
V-Batterie mit 10 Zellen und eine 24 V-Batterie mit 20
Zellen.
Beispiele für EOL-Unterscheidungsspannungen entsprechend der
Anzahl an Zellen in der Batterie sind in der nachstehenden
Tabelle 2 aufgeführt, wobei der Bezugstemperaturwert Tref zur
Ermittlung von Batterien auf niedriger Temperatur auf 0°C
eingestellt ist, der erste Ladestrom Iα auf 3C eingestellt
ist, und der zweiten Ladestrom Iβ auf 1C eingestellt ist. Wie
bei dem in Tabelle 1 gezeigten Beispiel erfahren schnell
wiederaufladbare Batterien (1700 mAh) eine EOL-
Unterscheidung.
Claims (5)
1. Vorrichtung für wiederaufladbare Batterien zur
Feststellung des Endes der Lebensdauer einer
wiederaufladbaren Batterie (2), mit:
einer Ladevorrichtung zum Laden der Batterie (2) mit einem Ladestrom (Iα, Iβ);
einer Batteriespannungs-Erfassungsvorrichtung (40) zur Erfassung der Batteriespannung (Vx);
einer ersten Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der während einer bestimmten Ladezeit zu Beginn des Ladevorgangs durch die Batteriespannungs- Erfassungsvorrichtung (40) erfaßten Batteriespannung (Vx) mit einer vorbestimmten Bezugsspannung (Vrα, Vrβ); und
einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Endes der Lebensdauer der Batterie, wenn die erste Vergleichsvorrichtung anzeigt, daß die erfaßte Batteriespannung (Vx) oberhalb der vorbestimmten Bezugsspannung (Vrα, Vrβ) liegt.
einer Ladevorrichtung zum Laden der Batterie (2) mit einem Ladestrom (Iα, Iβ);
einer Batteriespannungs-Erfassungsvorrichtung (40) zur Erfassung der Batteriespannung (Vx);
einer ersten Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der während einer bestimmten Ladezeit zu Beginn des Ladevorgangs durch die Batteriespannungs- Erfassungsvorrichtung (40) erfaßten Batteriespannung (Vx) mit einer vorbestimmten Bezugsspannung (Vrα, Vrβ); und
einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Endes der Lebensdauer der Batterie, wenn die erste Vergleichsvorrichtung anzeigt, daß die erfaßte Batteriespannung (Vx) oberhalb der vorbestimmten Bezugsspannung (Vrα, Vrβ) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Temperaturerfassungsvorrichtung (2A) zur Erfassung einer
Batterietemperatur (Tin) zu Beginn der Ladung vorgesehen
ist, und eine zweite Vergleichsvorrichtung zum
Vergleichen der Batterietemperatur (Tin), die durch die
Temperatur-Erfassungsvorrichtung (2A) erfaßt wird, mit
einer vorbestimmten Bezugstemperatur (Tref), wobei dann,
wenn die zweite Vergleichsvorrichtung anzeigt, daß die
Batterietempertur (Tin) niedriger ist als die
vorbestimmte Bezugstemperatur (Tref), der Ladestrom auf
einen zweiten Pegel eingestellt wird, der kleiner als
ein erster Pegel ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperaturerfassungsvorrichtung (2A) zur Erfassung einer
Batterietemperatur (Tin) zu Beginn der Ladung vorgesehen
ist, wobei die vorbestimmte Bezugsspannung (Vrα, Vrβ) in
Abhängigkeit von der Batterietemperatur (Tin) geändert
wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
vorbestimmte Bezugsspannung (Vrα, Vrβ) in Abhängigkeit
von dem Ladestrom (Iα, Iβ) geändert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Zellenanzahlerfassungsvorrichtung zur Erfassung der
Anzahl an Zellen der Batterie vorgesehen ist, wobei die
Lebensdauerendeerfassungsvorrichtung auch unter
Berücksichtigung der Zellenanzahl der Batterie
feststellt, daß die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer
erreicht hat.
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