DE19520041B4

DE19520041B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators

Info

Publication number: DE19520041B4
Application number: DE19520041.1A
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Koch Georg; Dipl.-Ing. Fehrmann Walter
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2015-06-01
Also published as: DE19520041A1

Abstract

Verfahren zum Laden eines Akkus aus einer Stromquelle die mit dem zu ladenden Akku über ein Schaltelement verbunden ist, das von einer Ladesteuerung angesteuert wird, wobei durch die Ladesteuerung über das Verhältnis der Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes der mittlere Ladestrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle die Höhe des Stromes abhängig von dem Tastverhältnis einstellt, mit dem Strom entnommen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators aus einer Stromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der US 5 376 875 A bekannt ist.
Bei verschiedenen Akkumulatoren, wie z. B. in Blei- oder Lithium-Ionen-Technik ist es notwendig, die Akkus mit einer strombegrenzten Spannungsquelle zu laden, bei der die Spannung sehr genau geregelt und unter Umständen auch noch abhängig von der Temperatur der Akkuzellen verändert werden muss. Wird ein leerer Akku mit der Ladespannungsquelle verbunden, so verhindert die Strombegrenzung dieser Quelle einen für den Akku unzulässig hohen Ladestrom. Die Ladespannung ist dabei anfangs niedriger als die maximal zulässige. Mit zunehmender Ladung steigt die Spannung bis zur eingestellten Reglerspannung an und wird dann durch die einsetzende Spannungsregelung begrenzt. Durch die ansteigende innere Akkuspannung (Leerlaufspannung) und die konstant gehaltene Quellenspannung sowie den in erster Näherung konstant angenommenen Innenwiderstand des Akkus sinkt die Stromaufnahme des Akkus kontinuierlich ab dem Zeitpunkt, zu dem die Spannungsbegrenzung einsetzt (vgl. hierzu das Diagramm nach 1 für das Laden mit Spannungsquelle, in dem die Spannung U und der Strom I über der Zeit aufgetragen sind). Zum einen kann nun über die Höhe des Ladestromes auf den Ladezustand geschlossen werden, zum anderen muss evtl. beim Unterschreiten Ladestromes unter einen bestimmten Wert die Ladung sofort oder nach einer bestimmten Zeit abgebrochen werden.
Bei der Realisierung der Ladestromquelle als strombegrenzte hochgenaue Spannungsquelle (Linear- oder Schaltregler) wurde die Ladestromquelle entweder sehr nahe am Akku untergebracht oder über Sense-Leitungen mit diesem verbunden. Dies hat den Nachteil, dass entweder die Ladestromquelle mit ihrem Platzbedarf und ihrer Verlustwärme nahe am Akku untergebracht werden musste oder aber Sense-Leitungen den Aufwand für Kabel und Steckverbindungen vergrößerten. Zur Strommessung wurde ein Shunt-Widerstand in den Ladestromkreis eingefügt und die an diesem abfallende Spannung gemessen. Der Shunt-Widerstand hat wiederum den Nachteil, dass er einen zusätzlichen Spannungsabfall im Stromkreis darstellt, den Ladevorgang damit verlangsamt und einen nicht unerheblichen Aufwand für die Messwerterfassung darstellt. Dies gilt insbesondere dann, wenn dieser Widerstand nicht in der Masseleitung (z. B. wegen Masseverkopplung des Akkus über das zu betreibende Gerät) sondern in die Plusleitung eingefügt werden muss. Weiterhin ergibt sich das Problem, dass unterschiedliche Akkutypen (z. B. NiCd/NiMH und Li-Ionen) wegen der unterschiedlich hohen Ladeendspannungen nicht gleichzeitig mit diesem Prinzip geladen werden können. NiCd/NiMH-Akkus werden mit Konstantstrom, unabhängig von der Ladespannung geladen.
US 5 376 875 A beschreibt ein Batterieladegerät, das gepulsten Ladestrom abgibt. Das Tastverhältnis des gepulsten Ladestroms ändert sich dabei so, dass ein gegen Ende eines Ladezykluses abnehmender mittlerer Ladestrom resultiert.
EP 0 584 362 A1 beschreibt ein Batterieladeverfahren, bei dem ein intermittierender Ladestrom gegen Ende eines Ladezykluses durch Verändern der Pulsbreite schrittweise verringert wird.
DE 16 38 085 C3 beschreibt ein Verfahren zum Schnellladen einer Batterie, bei dem ein Ladestrom in Intervallen zugeführt wird und bei dem in den Intervallpausen die Batterie jeweils mit hohem Strom entladen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden von Akkus anzugeben, das in einfacher Weise realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen und insbesondere in der Weise gelöst, dass die Stromquelle mit dem zu ladenden Akku über ein Schaltelement verbunden ist, das von einer Ladesteuerung angesteuert wird, durch die über das Verhältnis der Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes der mittlere Ladestrom best wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass keine genauen Spannungs-/Stromregler erforderlich sind, keine Verlustleistung im Gerät entsteht und kein Messaufwand für die Ermittlung des Ladestroms nötig ist, da dieser durch das Puls-/Pausen-Verhältnis implizit bekannt ist. Von Vorteil ist ferner, dass das Laden unterschiedlicher Akkutechnologien ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand möglich ist, evtl. vorhandene Wandler bzw. Messmöglichkeiten zur Ermittlung der Akkuspannung verwertet werden können und unterschiedliche Ladeschlussspannungen bei LiIon-Akkus keinen hardwaremäßigen Mehraufwand erfordern
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend wird die Erfindung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
2 im Blockschaltbild eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und 3 in einem Diagramm das Laden mit gepulster Stromquelle.
Die Einrichtung nach 2 besteht aus der Ladestromquelle 1, dem Schaltelement (einschließlich Ladestromquelle) 2 und dem Akkumulator 3. Die Ladestromquelle 1 beinhaltet eine Stromquelle 4, eine Stromsteuerung 5 und eine Pulserkennung 6. Das Schaltelement besteht aus einem im Leitungsweg zum Akku angeordneten Schalter 7, z. B. ein Schalttransistor, der von einem Mikrocontroller 8 angesteuert wird. Der Mikrocontroller 8 ist mit einem A/D-Wandler 9 verbunden. Im Akku 3 sind ein temperaturabhängiges Element 10 und ein Widerstand R_Code angeordnet, die ebenfalls mit dem A/D-Wandler 9 verbunden sind.
Die Wirkungsweise der Schaltung wird nachfolgend beschrieben:
Die erfindungsgemäße Einrichtung verwendet eine Stromquelle, die über ein Schaltelement mit dem zu ladenden Akku verbunden werden kann. Dieses Schaltelement wird von einer Ladesteuerung angesteuert. Dabei bestimmen das Verhältnis der Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes den mittleren Ladestrom.
Der Unterschied dieses Verfahrens zu herkömmlichen besteht darin, dass sich der Strom nicht durch die analoge Spannungsbegrenzung der Ladestromquelle einstellt, sondern von der Ladesteuer mit Hilfe des Tastverhältnisses der Zeiten, in denen Strom fließt, eingestellt wird. Dieses Tastverhältnis wird von der Ladesteuerung in der Weise adaptiv nachgeführt, dass die in regelmäßigen Abständen gemessene und evtl. digital gemittelte Akkuspannung die für den jeweiligen Akku unter Berücksichtigung von verschiedenen Parametern (z. B. Temperatur, Ladezustand) angestrebte Ladespannung erreicht, aber nicht überschreitet. Sobald die Spannung überschritten wird, wird das Tastverhältnis verkleinert und somit der effektive Ladestrom verringert; wird die Spannung unterschritten, so wird das Tastverhältnis vergrößert. Das Tastverhältnis kann bei großen Spannungsdifferenzen in gröberen Schritten verändert werden. Es wird auf maximal 100% eingestellt, d. h. es fließt ein nicht unterbrochener, also konstanter Ladestrom. Ein Ladevorgang wird gestartet, indem mit dem kleinstmöglichen Tastverhältnis begonnen wird, also ein kleiner mittlerer Strom fließt. Über das Tastverhältnis und die Höhe des eingeprägten Stromes der Quelle kann die Ladesteuerung jederzeit den Mittelwert des Ladestromes errechnen, ohne dass dieser unmittelbar gemessen werden muss. Dies vermindert zum einen den Schaltungsaufwand und vermeidet zum anderen einen Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand.
Während der Stromimpulse kann an den Klemmen des Akkus 3, bedingt durch dessen Innenwiderstand, evtl. eine unzulässig hohe Spannung auftreten, insbesondere zum Ende des Ladevorganges hin, wenn sehr kleine Tastverhältnisse eingestellt werden. Um dies zu vermeiden, wird die Stromquelle 4 so modifiziert, dass sie die Höhe des Konstantstromes abhängig von dem Tastverhältnis einstellt, mit dem Strom entnommen wird. Bei nicht unterbrochenem Strom wird der volle Nennstrom eingestellt (vgl. Detail A in 3), bei gepulstem Strom wird der Strom abhängig vom Tastverhältnis reduziert. Bei linearer Reduzierung wird z. B. die Spannungsüberschreitung auf 25% gegenüber Nennstromimpulsen reduziert (vgl. 3, Detail B bzw. Detail C), bei quadratischer Reduzierung auf 15%. Damit die Ladesteuerung den mittleren Ladestrom ermitteln kann, muss die Kennlinie, nach der die Stromreduktion erfolgt, der Ladesteuerung bekannt sein.
Detail A zeigt, dass bei nicht unterbrochenem Ladestrom von der Stromquelle der höchste Konstantstrom eingestellt wird, der, da er ja kontinuierlich fließt, auch dem mittleren Strom (I_mittel) entspricht. Detail B zeigt, dass, sobald der Stromfluss Lücken aufweist, die Höhe des Konstantstroms von der Stromquelle reduziert wird. Da sich der Mittelwert des Stroms aus dem Produkt der Stromhöhe und dem Puls/Pausen-Verhältnis bildet, ist der mittlere Strom entsprechend kleiner als der Spitzenwert des Konstantstroms.
Detail C zeigt, dass bei relativ kleinen Puls/Pausen-Verhältnissen der Maximalwert des Stroms weiter reduziert wird. Somit ist gewährleistet, dass, relativ zum Maximalstrom, geringe Spannungspulse am Akku auftreten, die ja ein Produkt aus Stromhöhe und Größe des Ionenwiderstandes des Akkus sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass zur Steuerung der Stromquelle keine eigene Signalleitung erforderlich ist. Die Information für das Maß der Stromreduzierung wird mit dem eingestellten Tastverhältnis des Stromflusses an die Stromquelle übertragen. In der Stromquelle kann aus dem Regelkreis zur Stromregelung ein Signal gewonnen werden, das das Fliessen eines Ladestromes anzeigt. Wird dieses Signal über ein Tiefpassfilter geführt, dessen Grenzfrequenz klein gegenüber der kleinste Schaltfrequenz für den Ladestrom ist, so kann daraus die Sollgröße für den Strom abgeleitet werden. Ein eingestellter Mindeststrom verhindert, dass bei sehr kleinen Tastverhältnissen und somit kleinen Strömen bei der Erkennung, ob Ladestrom fließt oder nicht, instabile Zustände durch Bauteiletoleranzen erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Laden eines Akkus aus einer Stromquelle die mit dem zu ladenden Akku über ein Schaltelement verbunden ist, das von einer Ladesteuerung angesteuert wird, wobei durch die Ladesteuerung über das Verhältnis der Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes der mittlere Ladestrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle die Höhe des Stromes abhängig von dem Tastverhältnis einstellt, mit dem Strom entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis von ein- und ausgeschaltetem Strom von der Ladesteuerung in der Weise adaptiv nachgeführt wird, dass die in regelmäßigen Abständen gemessene und ggf. digital gemittelte Akkuspannung die für den jeweiligen Akku unter Berücksichtigung von verschiedenen Parameter angestrebte Ladespannung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis bei Überschreiten der Spannung verkleinert und damit der effektive Ladestrom verringert wird und bei Unterschreiten der Spannung vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis bei großen Spannungsdifferenzen in gröberen Schritten verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladevorgang gestartet wird, indem mit dem kleinstmöglichen Tastverhältnis begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht unterbrochenem Strom der volle Nennstrom eingestellt wird und bei gepulstem Strom der Strom abhängig vom Tastverhältnis reduziert wird.
Vorrichtung zum Laden eines Akkus, mit: einer Stromquelle (1), die Strom liefert; und einem mit der Stromquelle verbundenen Schaltelement (2), das von einer Ladesteuerung (8) ansteuerbar ist, wobei die Ladesteuerung (8) derart ausgelegt ist, dass sie einen mittleren Ladestrom zum Laden des Akkus über das Verhältnis der Zeiten von ein- und ausgeschaltetem Strom und die Höhe des Stromes bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (4) derart ausgelegt ist, dass sie die Höhe des Stromes abhängig vom Tastverhältnis einstellt, mit dem Strom entnehmbar ist.