DE19634267C2 - Ladeverfahren für Akkumulatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren für Akkumulatoren, insbesondere für NiCd (Nickel-Cadmium) und NiMH (Nickel-Metall-Hybrid)-Zellen, bei dem die Akkumulatoren von einer Stromquelle geladen werden, und bei dem zur Erzeugung von Ladezyklen von bestimmter Zeitdauer die Stromquelle zy­ klisch von dem Akkumulator getrennt wird, und bei dem die Akkumulato­ rentemperatur in eine entsprechende Spannung gewandelt wird.

Es sind eine Vielzahl von Ladeverfahren bisher bekanntgeworden (vgl. "In­ telligentes Laden von NiCd-Akkus" aus Design und Elektronik 22, 1992, Seiten 106 und 107), denen in der Mehrzahl das Ziel zugrundeliegt, ein kostengün­ stiges und optimales Ladekonzept zur Verfügung zu stellen. So sollte sicher­ gestellt werden, daß der Akkumulator möglichst auf seine Nennkapazität aufgeladen wird bei gleichzeitigem Vermeiden einer Überladung, da dies mit einer Beeinträchtigung der Lebensdauer des Akkumulators einhergehen kann. Dabei stellt die Ladezeit ebenfalls ein Bewertungskriterium dar, wobei lange Ladezeiten vermieden werden sollen. Eine Schnelladung mit hohem Strom reduziert einerseits wesentlich die Ladezeit, andererseits muß dann aber die Ladedauer genau eingehalten werden, da ansonsten der Akkumula­ tor zerstört werden kann. Somit ist ein Ladegerät mit einem Steuerteil er­ forderlich, das den Ladestrom und den Ladezustand des Akkumulators stän­ dig überwacht. So wird bei verschiedenen bekannten Verfahren das dU/dt- Verhalten der Ladekurve überwacht und hieraus ein Abschaltkriterium abge­ leitet. So kann beispielsweise bei Absinken der Akkumulatorspannung, also bei negativem dU/dt-Wert, oder aber bei verstärktem Ansteigen der Akku­ mulatorspannung, also bei positivem dU/dt-Wert, der Ladevorgang beendet werden. Eine solche Gradienten-Überwachung des Spannungsverlaufs der Ladekurve ist bisher mit großem schaltungstechnischem Aufwand durchge­ führt worden.

So ist aus der DE 30 14 274 A1 ein Batterieladegerät bekanntgeworden, das in Abhängigkeit von einem Steuersignal den Ladevorgang unterbricht. Das Steuersignal ist von der Ladecharakteristik abgeleitet und in Zeitintervalle unterteilt und durch Vergleich werden diese Steuersignal-Zeitintervalle aus­ gewertet. Dabei ist für die Batteriespannung eine Inverterschaltung vorge­ sehen, welche mit zunehmender Batteriespannung zunehmend kleinere Si­ gnalimpulswerte liefert. Bei diesem Batterieladegerät wird die normale Spannungskurve der zu ladenden Batterie ausgewertet. Die Gradientenme­ thode wird dabei nicht angewandt.

Aus der EP 0 444 617 A2 ist ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren be­ kannt, bei dem der Ladevorgang beendet wird, wenn die zweite Ableitung der gemessenen Akkumulatorenspannung von einem positiven zu einem negativen Wert wechselt.

Ebenfalls ist aus der US-PS 4 392 101 ein Verfahren zum Laden von Akkumula­ toren bekannt, bei dem die zweite Ableitung der gemessenen Akkumulator­ spannung zur Beendigung des Ladevorgangs ausgewertet wird.

Aus der DE 44 39 785 A1 ist es ebenfalls bekannt, die zweite Ableitung der Klemmenspannung der Batteriezellen nach der Zeit als Endekriterium für das Aufladen zu verwenden.

Aus der DE 43 39 363 A1 ist ein weiteres Verfahren zum La­ den von Akkumulatoren bekannt, bei dem ebenfalls die zweite Ableitung der gemessenen Akkumulatorenspannung zur Anwendung gelangt. Dort ist ausführlich dargelegt, wie die zweite Ableitung näherungsweise durchge­ führt wird.

Schließlich ist aus der DE 41 25 825 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wiederaufladen von aufladbaren Batterien mit einem Ladegerät be­ kannt, bei dem das Ladegerät von Beginn der Ladung aus die Steigung der Ladespannung mißt und die Schnelladung dann abbricht, wenn ein Anstei­ gen der Ladespannung zum Ende der Aufladung hin als Änderung der ge­ messenen Steigung erfaßt wird. In dieser Offenlegungsschrift ist auch ein Hinweis, daß nach dem dort zitierten Stand der Technik zuweilen die Tem­ peratur des Batteriesatzes gemessen wird, und das Ladeende wird durch Überschreiten einer bestimmten Temperatur erkannt und die Ladung abge­ brochen.

Bekannt sind auch Abschaltmethoden, die die erste Ableitung der Tempera­ tur dT/dt des Akkumulators nach der Zeit als Kriterium heranziehen.

Eine Reihe von Beiträgen erschienen in dem Tagungsband "Batterien und Ladekonzepte", Design & Elektronik, 1994, Haar bei München beschäftigen sich unter anderem damit, zur Festsetzung des Ladeendpunktes von Akku­ mulatoren die erste zeitliche Ableitung der Temperatur zu verwenden. Ins­ besondere in "Intelligente Schnelladekonzepte für NiMH-Akkus" S. 59-60, "Controllerkonzepte für Ladegeräte" S. 76-77, "NiCd und NiMH optimal la­ den", S. 116-117 wird auf den Temperaturgradienten als Kriterium zum Ab­ schalten des Ladestroms hingewiesen.

Die bisher bekanntgewordenen Verfahren und Ladegeräte haben den Nach­ teil, daß sie sich nicht für große Temperaturschwankungen eignen, wenn der Akkumulator z. B. zu heiß oder zu kalt in das Ladegerät eingelegt wird, und daß bei einem Verfahren, das die Ladespannung heranzieht oder deren erste oder zweite Ableitung Temperaturschwankungen zu einer Frühabschaltung führen können, d. h., daß der Akkumulator nur zum Teil geladen wird.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ladever­ fahren anzugeben, das große Temperaturschwankungen miteinbezieht und durch das der Akkumulator vollständig geladen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) die gewandelte Spannung in einer Auswerte- und Steuerelektronikeinheit gemessen und ausgewertet wird zur Bildung der zweiten Ableitung der in die Spannung gewandelten Temperatur über der Zeit, daß b) die zweite Ableitung der in die Spannung gewandelten Temperatur des Akkumulators mit einem Refe­ renzwert in der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit verglichen wird, daß c) bei Überschreiten des Referenzwertes der in die Spannung gewandelten Temperatur bezüglich der zweiten Ableitung über der Zeit der Ladevorgang unterbrochen oder beendet wird, und daß d) bei einem Unterschreiten des Referenzwertes der in die Spannung gewandelten Temperatur bezüglich der zweiten Ableitung über der Zeit der Ladevorgang fortgesetzt wird.

Das vorliegende Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, daß zu heiße oder zu kalte Akkumulatoren, d. h. Akkumulatoren, die großen Temperatur­ schwankungen ausgesetzt sind, korrekt geladen und abgeschaltet werden.

So wird die zweite Ableitung der in eine proportionale Spannung gewandel­ ten Temperatur des Akkumulators durch eine erste Differenzwertbildung, die ihrerseits Grundlage für eine zweite Differenzwertbildung ist, erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein elektronisches Blockschaltbild zur Durchführung des Lade­ verfahrens,

Fig. 2 einen typischen Verlauf der Akkumulatorentemperatur über der Zeit,

Fig. 3 die erste Ableitung dT/dt der Akkumulatorentemperatur nach der Zeit,

Fig. 4 die zweite Ableitung d²T/dt² der Akkumulatorentemperatur nach der Zeit und

Fig. 5 den Kurvenverlauf der in die Spannung U1 gewandelten Akku­ mulatorentemperatur mit prinzipieller Darstellung der Wir­ kungsweise des Spitzenwertspeichers.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren für Akkumulatoren, insbeson­ dere NiCd (Nickel-Cadmium) und NiMH (Nickel-Metall-Hybrid)-Zellen werden diese Akkumulatoren 1 gemäß Fig. 1 von der Stromquelle 2 geladen. Es ist dabei vorgesehen, die Akkumulatoren 1 in Ladezyklen von bestimmter Zeit­ dauer zyklisch zu laden, wobei die Stromquelle 2 zyklisch von dem Akkumu­ lator 1 getrennt wird. Außerdem ist vorgesehen, vorbereitend für die nach­ folgenden Verfahrensschritte, die Akkumulatorentemperatur T in die ent­ sprechende und proportionale Spannung U1 zu wandeln. Zur Temperatur- Spannungswandlung können die gängigsten Temperatur-Spannungswandler verwendet werden, wie beispielsweise NTC-Widerstände, oder es können auch aktive Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise bipolare Transisto­ ren, verwendet werden, bei denen sich die Basis-Emitter-Spannung angenä­ hert mit ca. 2 mV/K verringert. Die in die Spannung U1 gewandelte Akkumu­ latorentemperatur T wird nachfolgend in der Auswerte- und Steuerelektro­ nikeinheit 3 gemessen und ausgewertet im Hinblick auf die Bildung der zweiten Ableitung d²T/dt² bzw. d²U/dt² der in die Spannung U1 gewandelten Temperatur T des Akkumulators über bzw. nach der Zeit. Diese zweite Ablei­ tung der Temperatur T bzw. der Spannung U1 wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit einem Referenzwert Ref in der Auswerte- und Steuer­ elektronikeinheit 3 verglichen und bei Überschreiten des Referenzwertes Ref der in die Spannung U1 gewandelten Temperatur T bezüglich der zwei­ ten Ableitung über bzw. nach der Zeit wird der Ladevorgang unterbrochen oder beendet, wobei sich eine Phase mit Ladungserhaltung anschließt, und bei einem Unterschreiten des Referenzwertes Ref der in die Spannung U1 gewandelten Temepratur T bezüglich der zweiten Ableitung über bzw. nach der Zeit wird der Ladevorgang fortgesetzt. Zur Bildung der zweiten Ablei­ tung der in die Spannung U1 gewandelten Temperatur T über bzw. nach der Zeit wird die Spannung U1 in bestimmten zeitlichen Intervallen von der Aus­ werte- und Steuerelektronikeinheit 3 gemessen. Diese Intervalle können bei­ spielsweise einen Zeitrahmen von 10 s haben. Nach Messen der Spannungs­ werte der Spannung U1 in diesen zeitlichen Intervallen wird zunächst die er­ ste Ableitung dU1/dt gebildet durch eine erste Differenzwertbildung des ak­ tuellen Meßwertes der Spannung U1 minus des unmittelbar vorhergehen­ den Wertes der Spannung U1.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Die Meßwerte der Spannung U1 in den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen sei beispielsweise: 2, 4, 6, 8, 14, ..., dann ergeben sich als erste Differenzwertbildung, was der ersten Ableitung entspricht, die Werte: 2, 2, 2, 6, ... Diese erste Differenzwertbildung wird ge­ speichert und dient vorbereitend zur Bildung der zweiten Ableitung.

Die Bildung der zweiten Ableitung d²U1/dt² der Spannung U1 wird durch ei­ ne zweite Differenzwertbildung, die der zweiten Ableitung entspricht, der ersten Differenzwerte vorgenommen, indem von der gespeicherten ersten Differenzwertbildung eines bestimmten Intervalls die unmittelbar vorherge­ hende erste Differenzwertbildung subtrahiert wird.

Im zuvor ausgeführten Beispiel bedeutet dies dann, daß die zweite Diffe­ renzwertbildung die folgenden Werte hat: 0, 0, 4, ...

Die so gewonnenen zweiten Differenzwertbildungen werden anschließend in der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit 3 mit dem Referenzwert Ref verglichen und bei Überschreiten des Referenzwertes Ref der so gewonne­ nen zweiten Ableitung des in die Spannung U1 gewandelten Temperaturver­ laufs des Akkumulators 1 wird der Ladevorgang gestoppt oder unterbro­ chen, wobei sich eine Phase mit Ladungserhaltung anschließen kann.

Dies wäre im zuvor genannten Beispiel der Fall, wenn der Referenzwert Ref den Wert von beispielsweise 3 gehabt hätte.

Bei einem Unterschreiten des Referenzwertes Ref der so gewonnenen zwei­ ten Ableitung des in die Spannung U1 gewandelten Temperaturverlaufs des Akkumulators 1 wird der Ladevorgang fortgesetzt.

Dies wäre im zuvor genannten Beispiel der Fall, wenn der Referenzwert den Wert von beispielsweise 5 gehabt hätte.

Anhand der Fig. 1 soll eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens erläutert werden. Durch den Temperatur-Spannungs­ wandler 4 wird der Temperaturverlauf des Akkumulators 1 in die Spannung U1 gewandelt. Als Temperatur-Spannungswandler 4 eignen sich insbesonde­ re NTC-Widerstände, aber auch Transistoren.

Die Auswerte- und Steuerelektronikeinheit 3 besteht aus den zwei Kompara­ toren 5, 6, von denen dem negtiven Eingang des ersten Komparators 5 und dem positiven Eingang des zweiten Komparators 6 die Spannung U1 zuge­ führt ist. Außerdem ist dem positiven Eingang des ersten Komparators 5 und dem negativen Eingang des zweiten Komparators 6 das Ausgangssignal U2 des Spitzenwertspeichers 7 der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit 3 zugeführt, über den der zeitliche Verlauf der Spannung U1 zur Auswertung gemessen wird. Die Ausgangsspannung U3 des ersten Komparators 5 und die Ausgangsspannung U4 des zweiten Komparators 6 sind der Steuerlogik 8 der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit 3 zugeführt, wobei in Abhängig­ keit von den logischen Zuständen der beiden Ausgangsspannungen U3 bzw. U4 in der Steuerlogik 8 das Taktsignal S1 bzw. das Resetsignal R erzeugt wer­ den. Dieses, in der Steuerlogik 8 erzeugte Taktsignal S1 und das ebenfalls dort erzeugte Resetsignal R sind zum einen jeweils dem Spitzenwertspei­ cher 7 und zum anderen jeweils der Ladeendeerkennung 9 der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit 3 zugeführt. In der Ladeendeerkennung 9 wird das Signal S2 erzeugt, wenn der Ladevorgang beendet ist durch Vergleich der zweiten Differenzwertbildungen mittels Auswerten der Takte des Taktsi­ gnals S1 und des Referenzwertes Ref, wobei das Signal S2 der Steuerlogik 8 zugeführt ist und über dieses und die Steuerlogik 8 der Ladevorgang des Ak­ kumulators 1 unterbrochen oder beendet wird.

Für den Fall, daß die Ausgangsspannung U2 des Spitzenwertspeichers 7 klei­ ner als die Spannung U1 ist, ist die Ausgangsspannung U4 des zweiten Kom­ parators 6 logisch 1. Damit wird über die Steuerlogik 8 das Taktsignal S1 er­ zeugt, um damit den Spitzenwertspeicher 7 an die Spannung U1 heranzu­ führen. Für jeden Temperaturanstieg und damit für jeden Anstieg der Span­ nung U1 um einen bestimmten Wert wird ein Impuls des Taktsignals S1 in der Steuerlogik 8 erzeugt.

Bei einem Temperaturabfall und damit bei einem Abfall der Spannung U1, wenn folglich die Ausgangsspannung U2 des Spitzenwertspeichers 7 größer als die Spannung U1 ist, ist am Ausgang des ersten Komparators 5 die Span­ nung U3 logisch 1, wodurch über die Steuerlogik 8 ab einem bestimmten Offset O zwischen der Spannung U2 und der Spannung U1 das Resetsignal R erzeugt wird, mittels dessen die Ausgangsspannung U2 des Spitzenwertspei­ chers 7 auf 0 Volt gesetzt wird, um anschließend von 0 Volt kommend, sich an die Spannung U1 anzunähern. Der Offset O kann dabei am ersten Kompa­ rator 5 eingestellt werden. Der Referenzwert Ref ist in der Ladeendeerken­ nung 9 vorgegeben und dort werden nach Auszählen der Takte des Taktsi­ gnals S1 und Bildung der ersten und zweiten Differenzwertbildungen zur Er­ zeugung der zweiten Ableitung der Spannung U1 über bzw. nach der Zeit die zweiten Differenzwertbildungen mit dem Referenzwert Ref verglichen. Bei Überschreitung des Referenzwertes Ref wird der Ladevorgang unterbro­ chen oder gestoppt, wobei sich eine Phase mit Ladungserhaltung anschlie­ ßen kann. Bei Unterschreitung des Referenzwertes Ref wird der Ladevor­ gang fortgesetzt.

Die Akkumulatoren 1 und die sie speisende Stromquelle 2 bekommt von der Steuerlogik 8 über ein nicht dargestelltes analoges Stellglied einen gesteuer­ ten bzw. geregelten Ladestrom zugeführt, dessen Stromstärke veränderbar ist. Alternativ kann ein digitales Stellglied (nicht dargestellt) vorgesehen sein, das von der Steuerlogik 8 mit einem bestimmten Tastverhältnis ange­ steuert wird, wobei das Tastverhältnis variieren kann.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens besteht darin, daß während aufeinanderfolgender Ladezyklen von bestimmter Zeitdauer der Zuwachs der in die Spannung U1 gewandelten Temperatur T in einer dem Spannungswert U1 entsprechenden Einheit gemessen wird. Für jeden Temperaturanstieg um einen bestimmten Wert wird ein Takt oder Impuls des Taktsignals S1 für die Ladeendeerkennung 9 und den Spitzenwertspei­ cher 7 erzeugt. In der Ladeendeerkennung 9 werden die Takte oder Impulse des Taktsignals S1 in einem bestimmten programmierbaren Zeitraum ge­ messen und führen bei einer bestimmten Anzahl an Impulsen oder Takten innerhalb dieses Zeitraums zu einem Unterbrechen oder zu einem Stoppen des Ladevorgangs des Akkumulators 1, wobei sich eine Phase mit Umschal­ tung von Normalladung auf Ladungserhaltung anschließen kann.

Um den mitzählenden Spitzenwertspeicher 7 bei einem eventuell auftreten­ den Abfall der Temperatur T (z. B. bei Einlegen eines heißen Akkumulators 1) nicht außer Eingriff kommen zu lassen, muß dieser bei einem Abfall der Temperatur T um einen bestimmten Wert (Offset O) in einem bestimmten Zeitraum, auf 0 Volt zurückgesetzt werden. Dann beginnt der Ladevorgang von vorne, jedoch bei einer niedrigeren Ausgangstemperatur. Zum Rückset­ zen des Spitzenwertspeichers 7 wird das Resetsignal R erzeugt und verwen­ det.

In der DE 34 11 828 C2 ist ausführlich beschrieben, wie ein solches Resetsi­ gnal für einen analogen Spitzenwertspeicher generiert werden kann. Auch ist in dieser Patentschrift dargelegt, wann und unter welchen Bedingungen der Spitzenwertspeicher u. U. außer Eingriff geraten kann.

Für das hier vorliegende Verfahren kann sowohl ein analoger als auch ein di­ gitaler Spitzenwertspeicher mit Sample-and-Hold-Glied Anwendung finden.

Das erfindungsgemäße Ladeverfahren hat auch den entscheidenden Vorteil, daß der Ladestrom während des Ladeverfahrens wechseln kann, dadurch z. B., daß während des Ladevorgangs temporär eine Last betrieben wird. Nach dem Stand der Technik werden hierfür Temperatur-Ladeverfahren verwen­ det. Das einfachste Verfahren ist hierfür das Fensterverfahren. Der Akkumu­ lator wird bei dieser Methode nur geladen, wenn seine Temperatur sich un­ terhalb einer maximalen und oberhalb einer minimalen Temperatur befin­ det. Zur schaltungstechnischen Umsetzung eignet sich hierfür beispielswei­ se ein Fensterkomparator. Die Fig. 2 zeigt mit dem schraffierten dabei ein mögliches "Fenster".

Komplexere Methoden oder Verfahren basieren auf dem Temperaturanstieg in Form der ersten Ableitung dT/dt der Temperatur nach der Zeit. Ein typi­ scher Verlauf hiervon ist in Fig. 3 dargestellt. Verfahren dieser Art haben das Problem, daß das Abschaltkriterium sehr genau eingestellt werden muß, um nicht bei kalt eingelegtem Akkumulator eine zu frühe Abschaltung er­ wirkt zu bekommen.

Daher ist die Grundlage des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens das Bilden der zweiten Ableitung d²T/dt² der Temperatur nach der Zeit, und zwar die positive zweite Ableitung, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Die Bildung der zweiten Ableitung der Temperatur T nach der Zeit kann da­ bei durch eine Schaltung gemäß Fig. 1 erfolgen. Deren Funktionsweise sei nachfolgend kurz erläutert:

Während aufeinanderfolgender Ladezyklen von bestimmter Zeitdauer wird der Zuwachs der in die Spannung U1 gewandelten Temperatur T gemessen. Die Spannung U2 des Spitzenwertspeichers 7 ist am Anfang des Ladevor­ gangs auf 0 Volt gesetzt. Falls der zweite Komparator 6 erkennt, daß die Spannung U2 des Spitzenwertspeichers 7 kleiner als die Spannung U1 ist, wird der Spitzenwertspeicher 7 mit dem Taktsignal S1 an die Spannung U1 von 0 Volt anfangend herangeführt. Die Steuerlogik 8 zum Nachführen des Spitzenwertspeichers 7 erzeugt dieses Taktsignal S1. Dieses Taktsignal S1 wird gleichzeitig benutzt, um die Ladeendeerkennung 9 zu speisen. Für je­ den Temperaturanstieg um einen bestimmten Wert (Auflösung des Spitzen­ wertspeichers 7) wird also ein Impuls oder Takt des Taktsignals S1 erzeugt. In der Ladeendeerkennung 9 werden die Impulse oder Takte des Taktsignals S1 in einem bestimmten programmierbaren Zeitraum von z. B. 10 s gemessen und führen bei einer bestimmten Anzahl von Impulsen oder Takten inner­ halb dieses Zeitraums zu einer Umschaltung der Ladung des Akkumulators 1 von Normalladung auf Erhaltungsladung. Zu dieser Entscheidung wird die zweite Ableitung der Temperatur T d²T/dt² bzw. der Spannung U1 d²U1/dt² nach der Zeit herangezogen und diese, wie eingangs geschildert, gebildet. Dies bedeutet, wenn also ein großer Wert der zweiten Ableitung der Tempe­ ratur, der den Referenzwert Ref überschreitet, in diesem Block erkannt wird, so wird das Signal S2 gesetzt oder gebildet, das der Steuerlogik 8 das Ladeende anzeigt.

Falls sich die Temperatur T z. B. bei einem zu heiß eingelegten Akkumulator absenkt (Fig. 5) am Anfang eines Ladevorgangs, kann es dazu kommen, daß die Spannung U1 absinkt. Dies führt dazu, daß sich die Spannung U2 des Spit­ zenwertspeichers 7 oberhalb von U1 befindet. Falls die Differenz zwischen U2 und U1 größer als der Offset O ist, führt dies dazu, daß der Spitzenwert­ speicher 7 außer Eingriff gerät, d. h., daß seine Funktion nicht mehr gege­ ben ist. Falls sich U2 um eine bestimmte Offsetspannung O oberhalb von U1 befindet, wird sowohl der Spitzenwertspeicher 7 als auch die Ladeendeer­ kennung 9 mit dem Resetsignal R zurückgesetzt. Dann beginnt die Lademe­ thode von vorne (U2 = 0 Volt), jedoch nun bei einer niedrigeren Tempera­ tur.

Claims (11)

1. Ladeverfahren für Akkumulatoren, insbesondere für NiCd (Nickel-Cadmi­ um) und NiMH (Nickel-Metall-Hybrid)-Zellen, bei dem die Akkumulatoren (1) von einer Stromquelle (2) geladen werden, und bei dem zur Erzeugung von Ladezyklen von bestimmter Zeitdauer die Stromquelle (2) zyklisch von dem Akkumulator (1) getrennt wird, und daß die Akkumulatorentemperatur (T) in eine entsprechende Spannung (U1) gewandelt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) die gewandelte Spannung (U1) in einer Auswerte- und Steuerelektro­ nikeinheit (3) gemessen und ausgewertet wird zur Bildung der zwei­ ten Ableitung der in die Spannung (U1) gewandelten Temperatur (T) über der Zeit, daß
• b) die zweite Ableitung der in die Spannung (U1) gewandelten Tempera­ tur (T) des Akkumulators (1) mit einem Referenzwert (Ref) in der Aus­ werte- und Steuerelektronikeinheit (3) verglichen wird, daß
• c) bei Überschreiten des Referenzwertes (Ref) der in die Spannung (U1) gewandelten Temperatur (T) bezüglich der zweiten Ableitung über der Zeit der Ladevorgang unterbrochen oder beendet wird, und daß
• d) bei einem Unterschreiten des Referenzwertes (Ref) der in die Span­ nung (U1) gewandelten Temperatur (T) bezüglich der zweiten Ablei­ tung über der Zeit der Ladevorgang fortgesetzt wird.

2. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bildung der zweiten Ableitung der in die Spannung (U1) gewandelten Temperatur (T) über der Zeit der Verlauf der Spannung (U1) in bestimmten zeitlichen Intervallen von der Auswerte- und Steuerelektroni­ keinheit (3) gemessen wird, und daß zunächst

• a) die erste Ableitung der Spannung (U1) gebildet wird durch eine erste Differenzwertbildung des aktuellen Meßwertes der Spannung (U1) mi­ nus des unmittelbar vorhergehenden Wertes der Spannung (U1), daß
• b) diese erste Differenzwertbildung gespeichert wird und daß mittels dieser ersten Differenzwertbildung
• c) die zweite Ableitung der Spannung (U1) gebildet wird durch eine zweite Differenzwertbildung der gespeicherten ersten Differenzwer­ te, indem von einer gespeicherten ersten Differenzwertbildung die unmittelbar vorhergehende erste Differenzwertbildung subtrahiert wird, daß
• d) die so gewonnenen zweiten Differenzwertbildungen mit dem Refe­ renzwert (Ref) in der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit (3) vergli­ chen werden, und daß
• e) bei Überschreiten des Referenzwertes (Ref) der so gewonnenen zwei­ ten Ableitung des in die Spannung (U1) gewandelten Temperaturver­ laufs des Akkumulators (1) der Ladevorgang gestoppt oder unterbro­ chen wird, und daß
• f) bei Unterschreiten des Referenzwertes (Ref) der so gewonnenen zweiten Ableitung des in die Spannung (U1) gewandelten Tempera­ turverlaufs des Akkumulators (1) der Ladevorgang fortgesetzt wird.

3. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit (3) zwei Komparatoren (5, 6) vorgesehen sind, wobei dem negativen Eingang des er­ sten Komparators (5) und dem positiven Eingang des zweiten Komparators (6) die Spannung (U1) zugeführt wird, und daß dem positiven Eingang des er­ sten Komparators (5) und dem negativen Eingang des zweiten Komparators (6) das Ausgangssignal (U2) eines Spitzenwertspeichers (7) der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit (3) zugeführt wird, über den der zeitliche Verlauf der Spannung (U1) zur Auswertung gemessen wird.

4. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangsspannung (U3) des ersten Komparators (5) und die Ausgangsspannung (U4) des zweiten Komparators (6) einer Steuerlogik (8) der Auswerte- und Steuerelektronikeinheit (3) zugeführt sind, wobei in Abhän­ gigkeit von den logischen Zuständen der beiden Ausgangsspannungen (U3, U4) in der Steuerlogik (8) ein Taktsignal (S1) und ein Resetsignal (R) erzeugt werden.

5. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das in der Steuerlogik (8) erzeugte Taktsignal (S1) und das ebenfalls dort erzeugte Resetsignal (R) zum einen jeweils dem Spitzenwert­ speicher (7) und zum anderen jeweils einer Ladeendeerkennung (9) der Aus­ werte- und Steuerelektronikeinheit (3) zugeführt sind.

6. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Ladeendeerkennung (9) ein Signal (S2) erzeugt wird, wenn der Ladevorgang beendet ist durch Vergleich der zweiten Differenz­ wertbildungen mittels Auswerten der Takte des Taktsignals (S1) und des Re­ ferenzwertes (Ref), und daß das Signal (S2) der Steuerlogik (8) zugeführt wird und über dieses und die Steuerlogik (8) der Ladevorgang des Akkumulators (1) unterbrochen oder beendet wird.

7. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Ausgangsspannung (U2) des Spitzenwertspeichers (7) kleiner als die Spannung (U1) ist, die Ausgangsspan­ nung (U4) des zweiten Komparators (6) logisch 1 ist und über die Steuerlogik (8) das Taktsignal (S1) erzeugt wird, um damit den Spitzenwertspeicher (7) an die Spannung (U1) heranzuführen.

8. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß für jeden Temperaturanstieg und damit für je­ den Anstieg der Spannung (U1) um einen bestimmten Wert ein Impuls des Taktsignals (S1) in der Steuerlogik (8) erzeugt wird.

9. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einem Temperaturabfall und damit einem Abfall der Spannung (U1), wenn folglich die Ausgangsspannung (U2) des Spit­ zenwertspeichers (7) größer als die Spannung (U1) ist, am Ausgang des ersten Komparators (5) die Spannung (U3) logisch 1 ist und dadurch über die Steuer­ logik (8) ab einem bestimmten Offset (O) zwischen der Spannung (U2) und der Spannung (U1) das Resetsignal (R) erzeugt wird, mittels dessen die Ausgangs­ spannung (U2) des Spitzenwertspeichers (7) auf 0 Volt gesetzt wird, um an­ schließend von 0 Volt kommend sich an die Spannung (U1) anzunähern.

10. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Referenzwert (Ref) in der Ladeendeerken­ nung (9) vorgegeben ist und dort nach Auszählen der Takte des Taktsignals (S1) und Bildung der ersten und zweiten Differenzwerte zur Erzeugung der zweiten Ableitung der Spannung (U1) über der Zeit die zweiten Differenz­ wertbildungen mit dem Referenzwert (Ref) verglichen werden und

• a) bei Überschreitung des Referenzwertes (Ref) der Ladevorgang unter­ brochen oder gestoppt wird, und
• b) bei Unterschreitung des Referenzwertes (Ref) der Ladevorgang fort­ gesetzt wird.

11. Ladeverfahren für Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoren (1) und die sie speisende steuerbare Stromquelle (2) von der Steuerlogik (8) über ein analoges Stell­ glied einen gesteuerten bzw. geregelten Ladestrom zugeführt bekommt, dessen Stromstärke veränderbar ist, oder daß ein digitales Stellglied vorge­ sehen ist, das von der Steuerlogik (8) mit einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert ist, wobei das Tastverhältnis variieren kann.