DE19740535A1 - Batterieladegerät, welches verschiedene Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen laden kann - Google Patents
Batterieladegerät, welches verschiedene Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen laden kannInfo
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- H02J7/00047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with provisions for charging different types of batteries
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladegerät zum
Aufladen einer Sekundärbatterie (Akku) beispielsweise einer
Nickelkadmiumbatterie, wobei das Ladegerät schnell und
verläßlich verschiedene Batterien mit unterschiedlichen
Anzahlen an Zellen laden kann.
Das deutsche Patent Nr. 39 01 096 beschreibt eine
Vorgehensweise zum schnellen und verläßlichen Laden
verschiedener Sekundärbatterien mit unterschiedlichen
Anzahlen an Zellen. Diese Vorgehensweise umfaßt mehrere
Spannungsteilerwiderstände, die unterschiedliche
Widerstandswerte aufweisen. Die Spannungsteilerwiderstände
werden zum Teilen der Spannung über der Batterie verwendet.
Ein entsprechender Spannungsteilerwiderstand wird von einem
Mikrocomputer abhängig von der Batteriespannung ausgewählt,
so daß die Eingangsspannung, die an einen A/D-Wandler
angelegt wird, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt,
unabhängig von der Anzahl an Zellen, also unabhängig von der
Batteriespannung.
Mit dieser Vorgehensweise kann der vollständig geladene
Zustand der Batterie exakt durch ein so
genanntes -ΔV-Meßverfahren festgestellt werden, bei welchem die
Aufladung der Batterie beendet wird, wenn ein vorbestimmter
Spannungsabfall (-ΔV) festgestellt wird, nachdem die Spannung
der Batterie beim Ladevorgang den Spitzenwert erreicht hat.
Diese Technik kann auch zusammen mit anderen Verfahren zur
Feststellung des vollständig geladenen Zustands der Batterie
eingesetzt werden, beispielsweise einem Verfahren zur
Beendigung der Aufladung, bevor die Batteriespannung den
Spitzenwert erreicht, oder einem Verfahren mit Feststellung
der zweiten Ableitung. Das erstgenannte Verfahren ist in der
Hinsicht vorteilhaft, daß eine Überladung der Batterie
verhindert wird, und die Wiederaufladungszykluslebensdauer
der Batterie verbessert wird, also die Anzahl an Malen,
welche die Batterie geladen werden kann. Das letztgenannte
Verfahren verwendet eine zweite Ableitung der
Batteriespannung während des Ladevorgangs, nämlich eine
zeitliche Ableitung. Wenn die zweite Ableitung der
Batteriespannung negativ wird, so wird festgestellt, daß die
Batteriespannung den Spitzenwert erreicht hat.
Unter anderem wird das Verfahren zur Erfassung der zweiten
Ableitung, welches weniger Überladungen zuläßt als
das -ΔV-Erfassungsverfahren, allmählich das hauptsächlich
eingesetzte Meßverfahren. Das Verfahren mit Erfassung der
zweiten Ableitung erhöht die Zykluslebensdauer von Batterien
dadurch, daß weniger Überladungen zugelassen werden als bei
den -ΔV-Meßverfahren, und die Anzahl an Malen verringert
wird, an denen eine Druckerhöhung in der Batterie infolge der
Erzeugung von Sauerstoffgas in den Endstufen der Aufladung
auftritt. Darüber hinaus wird der Austritt von
Elektrolytlösung in der Batterie durch die Betätigung eines
Sicherheitsventils verringert, welches in der Batterie
enthalten ist. Das Verfahren mit Erfassung der zweiten
Ableitung wird insbesondere in weitem Ausmaß zum Aufladen von
Batterien eingesetzt, bei denen das Aufladen und Entladen mit
hohem Strom erfolgt, wie bei Batterien in Elektrowerkzeugen.
Wenn jedoch inaktive Batterien geladen werden, beispielsweise
Batterien, die neu sind oder lange unbenutzt blieben, so ist
der Ausmaß der Spannungsänderung gering, und daher ist es bei
derartigen Batterien sehr schwierig, den vollständig
aufgeladenen Zustand unter Verwendung des Verfahrens zur
Erfassung der zweiten Ableitung zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Batteriespannung während des
Aufladungsvorgangs und ebenfalls einen Digitalwert
entsprechend der Spannungserhöhung. Die Batteriespannung wird
in vorbestimmten Zeitintervallen abgetastet, und die
abgetastete Spannung wird durch einen A/D-Wandler mit 8 Bit
in einen Digitalwert im Bereich von 0 bis 255 in
Dezimaldarstellung umgewandelt. Der neue Digitalwert der
Batteriespannung wird mit einem vorherigen Digitalwert
verglichen, und die Erhöhung des Digitalwertes entsprechend
der Spannungserhöhung ist in dem Diagramm von Fig. 3
dargestellt.
Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, ist der Spannungsanstieg
im Verlauf der Zeit beim Laden einer inaktiven Batterie
sanft, verglichen mit einer aktiven Batterie, die in Fig. 5
gezeigt ist. Die Spannung in der Endstufe der Aufladung der
inaktiven Batterie zeigt nur einen schwach ausgeprägten
Spitzenwert, und da das Ausmaß der Spannungsänderung gering
ist, ist es nicht möglich, verläßlich festzustellen, daß die
Batterie den vollständig geladenen Zustand erreicht hat, wenn
das Verfahren mit Feststellung der zweiten Ableitung dazu
verwendet wird, festzulegen, wann die zweite Ableitung der
Batteriespannung negativ wird. Wie in Fig. 3 gezeigt,
beträgt der Digitalwert, welcher die Spannungserhöhung der
inaktiven Batterie wiedergibt, nur 1. Dieses Beispiel
betrifft eine Batterie mit 10 Zellen. Die Spannung, die sich
über der Batterie entwickelt, wird einer Spannungsteilung mit
einem Verhältnis von 0,203 unterworfen. Die Spannungserhöhung
entsprechend einem Digitalwert würde daher 5/0,203 × 1/255
= 96,6 mV betragen, oder 9,66 mV/Zelle, wenn die
Bezugsspannung des A/D-Wandlers mit 8 Bit 5 V beträgt. Bei
diesem Beispiel wird der Wert der zweiten Ableitung der
Batteriespannung als negativ ermittelt, wenn die Spannung
einen Abfall des Digitalwertes von 1 auf 0 vornimmt. Da eine
derartige Änderung der Digitalwerte häufig seit Beginn des
Ladevorgangs auftritt, kann der vollständig geladene Zustand
der Batterie nicht verläßlich festgestellt werden. Um daher
verläßlich eine Volladung dadurch festzustellen, daß
ermittelt wird, wann der Wert der zweiten Ableitung der
Batteriespannung negativ wird, muß die gewandelte
Spannungserhöhung zumindest 2 als Digitalwert betragen. Der
Ladevorgang wurde dann angehalten, wenn die gewandelte
Spannung um zumindest den Wert 2 (Digitalwert) absinkt. In
diesem Fall kann eine Volladung nicht verläßlich festgestellt
werden, wenn eine inaktive Batterie aufgeladen wird.
Fig. 4 zeigt das Aufladen einer Batterie, die deswegen warm
ist, da sie soeben entladen wurde. Auch die Spannung dieser
Batterie zeigt in der Endstufe nur einen schwach ausgeprägten
Spitzenwert. Aus demselben Grund wie voranstehend geschildert
kann ein Laderegelverfahren, welches eine negative Änderung
der Spannung feststellt, nicht verläßlich das Ausmaß der
Spannungsänderung mit der begrenzten Auflösung eines
A/D-Wandlers feststellen.
In den letzten Jahren hat die Anforderung zugenommen,
Nickelkadmiumbatterien durch Nickelwasserstoffbatterien zu
ersetzen, in Reaktion auf das Erfordernis, höhere
Batteriekapazitäten bereitzustellen. Jedoch weisen
Nickelwasserstoffbatterien dieselben Schwierigkeiten wie
voranstehend geschildert auf, da der Spitzenwert bei der
Volladung nicht so deutlich ausgeprägt ist wie bei
Nickelkadmiumbatterien.
Darüber hinaus sind für ein universelles Batterieladegerät,
welches dazu gedacht ist, Batterien mit unterschiedlichen
Zellenanzahlen aufzuladen, beispielsweise sämtliche Batterien
mit einer geraden Anzahl an Zellen, von einer Batterie mit
4 Zellen bis zu einer Batterie mit 20 Zellen, insgesamt neun
Spannungsteilerverhältniseinstellungen erforderlich. Um einen
der Spannungsteilerwiderstände in Anpassung an die
Batteriespannung unter Verwendung eines Mikrocomputers
auszuwählen, muß selbstverständlich der Mikrocomputer mit
neun Ausgangsanschlüssen ausgerüstet werden, was die Anzahl
an Anschlußpins in dem Mikrocomputer erhöht, und daher die
Abmessungen des Mikrocomputers vergrößert.
Angesichts der voranstehenden Überlegungen besteht ein Ziel
der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines
Batterieladegeräts, welches verläßlich feststellen kann, wann
irgendeine Sekundärbatterie (Akkumulator) vollständig geladen
wurde, ohne die Nachteile des voranstehend geschilderten
Stand der Techniks.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung eines universellen Batterieladegeräts, welches
vorbestimmte Spannungsteilerverhältnisse einstellen kann,
ohne die Abmessungen des Mikrocomputers zu erhöhen.
Um die voranstehenden und weitere Ziele zu erreichen, ist
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Batterieladegerät mit
einer Batteriespannungsmeßvorrichtung versehen, welche
sicherstellt, daß die Batteriespannung immer nur innerhalb
eines festgelegten Bereichs während der Ladung schwankt,
unter der Voraussetzung, daß der Ladestrom einen
gleichförmigen Wert aufweist, und welche mehrere
Spannungsteilerverhältnisse für mehrere
Spannungsteilerwiderstände enthält; sowie mit einer
Batteriespannungswandlervorrichtung, welche einen
Differenzverstärker aufweist, zwischen dem Mikrocomputer und
dem A/D-Wandler.
Der Mikrocomputer wird zur Einstellung eines gewünschten
Spannungsteilerverhältnisses verwendet, nämlich so, daß
dieses der Batteriespannung entspricht, durch Auswahl einer
Kombination eines oder mehrerer Spannungsteilerwiderstände
unter den mehreren Spannungsteilerwiderständen in der
Batteriespannungsmeßvorrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile, Merkmale und Ziele hervorgehen. Es
zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild,
eines Batterieladegeräts gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des
Betriebsablaufs des Batterieladegeräts gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm mit einer Darstellung der
Ladeeigenschaften einer inaktiven Batterie;
Fig. 4 ein Diagramm mit einer Darstellung der
Ladeeigenschaften einer Batterie, die deswegen warm
ist, da sie kürzlich entladen wurde;
Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung der
Ladeeigenschaften einer aktiven Batterie; und
Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung der
Ladeeigenschaften einer inaktiven Batterie gemäß
der vorliegenden Ausführungsform.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ein Batterieladegerät gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild des Batterieladegeräts gemäß der
bevorzugten Ausführungsform. Die Schaltung weist eine
Wechselstromquelle 1 auf, eine Sekundärbatterie 2, die
mehrere wiederaufladbare Batteriezellen enthält, die in Reihe
geschaltet sind, ein Strommeßgerät 3 zur Messung des
Ladestroms, der zur Sekundärbatterie 2 fließt, eine
Laderegelungssignalübertragungsvorrichtung 4 zur Übertragung
von Steuer- oder Regelsignalen, um den Ladevorgang
einzuleiten oder anzuhalten, und eine
Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 zum Rückkoppeln
eines Ladestromsignals an einen mit PWM
(Impulsbreitenmodulation) arbeitenden Steuer- oder Regel-IC
23, der nachstehend noch genauer erläutert wird. Die
Ladesteuersignalübertragungsvorrichtung 4 und die
Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 werden
beispielsweise durch einen Photokoppler oder dergleichen
gebildet.
Die Schaltung weist weiterhin eine erste
Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 auf, die an die
Wechselstromversorgung 1 angeschlossen ist, eine
Umschaltschaltung 20, die mit dem Ausgang der ersten
Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 verbunden ist, eine
zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30, die an den
Ausgang der Umschaltschaltung 20 angeschlossen ist, einen
Mikrocomputer 50, einen Batteriespannungsdetektor 40, der
zwischen die Batterie 2 und den Mikrocomputer 50 geschaltet
ist, eine Ladestromsteuerung 60, eine Konstantspannungsquelle
70, ein Ladestromeinstellgerät 80 und einen
Batteriespannungswandler 90.
Die erste Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 weist eine
Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 und einen
Glättungskondensator 12 auf. Die Umschaltschaltung 20 enthält
einen Hochfrequenztransformator 21, einen MOSFET 22, und den
PWM-Steuer-IC 23, der voranstehend erwähnt wurde. Der
PWM-Steuer-IC 23 ist ein geschalteter Spannungsversorgungs-IC
zur Änderung der Treiberimpulsbreite des MOSFET 22 zur
Einstellung der Ausgangsspannung der ersten
Gleichrichter/Glättungsschaltung 10.
Die zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 weist Dioden
31 und 32 auf, eine Drosselspule 33, und einen
Glättungskondensator 34. Der Batteriespannungsdetektor 40
enthält Widerstände 41 bis 45. Einer oder mehrere der
Widerstände 42 bis 45 werden ausgewählt, unter Verwendung der
Ausgangsanschlüsse 56a des Mikrocomputers 50, und zwar
dadurch, daß die entsprechenden Widerstände an Masse gelegt
werden. Mit der Spannung über der Batterie 2 wird eine
Spannungsteilung mit einem Spannungsteilerverhältnis
durchgeführt, welches durch den Widerstand 41 und einen
Widerstand oder einen oder mehrere Widerstände bestimmt wird,
die unter den Widerständen 42 bis 45 ausgesucht werden. Die
sich ergebende, heruntergeteilte Spannung wird an die nicht
invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 in
dem Batteriespannungswandler 90 und an den A/D-Wandler 55a
des Mikrocomputers 50 angelegt, die sämtlich nachstehend noch
genauer erläutert werden.
Der Mikrocomputer 50 weist eine CPU 51 auf, ein ROM 52, ein
RAM 53, einen Zeitgeber 54, A/D-Wandler
(Analog/Digitalwandler) 55a und 55b, Ausgangsanschlüsse 56a
und 56b, und einen Rücksetzeingangsanschluß 57. Die
Ladestromsteuerung 60 weist Operationsverstärker 61 und 62
sowie Widerstände 63 bis 66 auf. Die Konstantspannungsquelle
70 weist einen Spannungsversorgungstransformator 71 auf, eine
Vollwellen/Gleichrichterschaltung 72, einen
Glättungskondensator 73, einen Regler 74 mit drei
Anschlußklemmen, und einen Rücksetz-IC 75. Die
Konstantspannungsquelle 70 liefert eine Spannung an den
Mikrocomputer 50, die Ladestromsteuerung 60, usw. Der
Rücksetz-IC 75 gibt ein Rücksetzsignal an den
Rücksetzeingangsanschluß 57 aus, um den Mikrocomputer 50 zu
initialisieren.
Das Ladestromeinstellgerät 80 ist dazu vorgesehen, eine
Bezugsspannung zu ändern, die an die invertierende
Eingangsklemme des Operationsverstärkers 62 angelegt wird,
auf der Grundlage des Signals von dem Ausgangsanschluß 56b,
also auf der Grundlage des Ladestroms, der in die Batterie
fließen soll. Der Ladestrom wird in Abhängigkeit von dem
Pegel der Bezugsspannung bestimmt, der an der invertierenden
Eingangsklemme des Operationsverstärkers 62 eingestellt ist.
Der Batteriespannungswandler 90 wird durch
Operationsverstärker 91 und 92, Widerstände 93 bis 96, und
eine Eingangsschutzdiode 97a gebildet, wodurch ein
Differenzverstärker ausgebildet wird.
Als nächstes wird der Betrieb des Batteriespannungsdetektors
40 und des Batteriespannungswandlers 90 beschrieben,
einschließlich der entsprechenden Operationen des
Mikrocomputers 50. Zur Erleichterung der Beschreibung wird
angenommen, daß das Batterieladegerät so ausgelegt ist, daß
es für eine Sekundärbatterie 2 mit 4 bis 20 Batteriezellen
geeignet ist, wobei nur Batteriezellen mit geradzahliger
Anzahl vorgesehen sind. Die Widerstandswerte der Widerstände
41 bis 45 und 93 bis 96 sind folgende:
Widerstand 41 = 20 kΩ
Widerstand 42 = 5,1 kΩ
Widerstand 43 = 10 kΩ
Widerstand 44 = 10 kΩ
Widerstand 45 = 20 kΩ
Widerstand 93 = 20 kΩ
Widerstand 94 = 56 kΩ
Widerstand 95 = 10 kΩ, und
Widerstand 96 = 20 kΩ.
Widerstand 41 = 20 kΩ
Widerstand 42 = 5,1 kΩ
Widerstand 43 = 10 kΩ
Widerstand 44 = 10 kΩ
Widerstand 45 = 20 kΩ
Widerstand 93 = 20 kΩ
Widerstand 94 = 56 kΩ
Widerstand 95 = 10 kΩ, und
Widerstand 96 = 20 kΩ.
Weiterhin wird angenommen, daß der Ausgangsspannungsbereich
des Operationsverstärkers 91 zwischen 0,2 und 4,2 V liegt,
obwohl der tatsächliche Ausgangsspannungsbereich von der
Offsetspannung und den Eigenschaften in Bezug auf die
maximale Spannungsamplitude des Operationsverstärkers
abhängt.
Der Batteriespannungsbereich I der nachstehenden Tabelle 1
gibt die Batteriespannung entsprechend Batterien an, die eine
unterschiedliche Anzahl an Zellen aufweisen, und reicht von
etwa 0 bis 2,5 V pro Zelle. Die Spannung einer Batterie
während des Ladevorgangs unterscheidet sich entsprechend dem
Ladestrom, der Batteriespannung, und dergleichen, liegt
jedoch normalerweise innerhalb eines Bereichs von
1,25 V/Zelle bis 1,90 V/Zelle. Daher wird ein ausreichend
großer Bereich von 0 bis 2,5 V in den A/D-Wandler 55a
eingegeben.
Das Spannungsteilerverhältnis teilt den
Batteriespannungsbereich I in einen Bereich von 0 bis 5 V
auf, zum Anlegen der geteilten Spannung an den A/D-Wandler
55a. Der Ausgangsanschluß 56a verbindet einen Widerstand oder
eine Widerstandskombination, die aus den Widerständen 42 bis
45 ausgewählt wird, mit Masse, um das
Spannungsteilerverhältnis einzustellen.
Der Batteriespannungsbereich 11 zeigt einen
Batteriespannungsbereich an, welcher die von dem
Batteriespannungswandler 90 (Differenzverstärker) ausgegebene
Spannung, als die Eingangsspannung für den A/D-Wandler 55b,
zum Absinken in einen Bereich von 0,2 V bis 4,2 V veranlaßt.
Wie voranstehend geschildert wählt, um das festgelegte
Spannungsteilerverhältnis einzustellen, welches für die
Anzahl an Zellen der Sekundärbatterie 2 geeignet ist, der
Mikrocomputer 50 einen oder mehrere der Widerstände 42 bis 45
aus, entsprechend den in der Tabelle angegebenen
Kombinationen, und legt diesen bzw. diese über den
Ausgangsanschluß 56a an Masse. Dann bleibt die
Batteriespannung, die in den A/D-Wandler 55a eingegeben wird,
innerhalb eines festen Spannungsbereiches von etwa 0 bis
2,50 V/Zelle. Jedes dieser Spannungsteilerverhältnisse kann
durch Kombinationen der vier Widerstände 42 bis 45
eingestellt werden.
Der Batteriespannungsbereich 11 der Tabelle stellt den
voranstehend genannten Widerstand für den Bereich von 1,25
bis 1,90 V/Zelle ein, wobei in diesem Bereich normalerweise
Batteriespannungen schwanken. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist mit
e1 die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 92
bezeichnet, und wird bei dem voranstehend genannten
Widerstand unter Verwendung folgender Gleichung berechnet.
e1 = 5 (V) × (R94/(R93 + R94)) = 3,68 V (1)
Weiterhin ist e2 die Spannung, die an die nicht-invertierende
Eingangsklemme des. Operationsverstärkers 91 angelegt wird,
und ist gleich der Batteriespannung, multipliziert mit dem
Spannungsteilerverhältnis des Batteriespannungsdetektors 40.
Weiterhin stellt e0 die an den A/D-Wandler 55b angelegte
Spannung dar, und wird aus folgender Gleichung berechnet:
e0 = e2 × {(R95 + R96)/R95}-e1 × (R96/R95) (2)
oder
e0 = 3e2-2e1 (3)
Anders ausgedrückt stellt der Batteriespannungswandler 90
eine Schaltung dar, welche die Ausgangsspannung des
Batteriespannungsdetektors 40 an die nicht-invertierende
Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 anlegt, und eine
Spannung gleich einer nicht-invertierten Spannung ausgibt,
die dreimal so groß ist wie die Spannung e2, minus dem
Zweifachen der verstärkten Bezugsspannung e1.
Ist e0 = 0,2 V und e1 = 3,68 V, dann ergibt sich aus
Gleichung (3), daß e2 = 2,52 V ist. Wenn die letztgenannte
Spannung dazu veranlaßt wird, der Batteriespannung zu
entsprechen, unter Verwendung der Spannungsteilerverhältnisse
aus der Tabelle, so weist e2 etwa 1,25 V/Zelle auf. Wenn eine
Batteriespannung von nicht mehr als etwa 1,25 V/Zelle an die
nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers
91 angelegt wird, so wird von dem Operationsverstärker 91
eine Offsetspannung ausgegeben, und an den A/D-Wandler 55b
angelegt.
Ist andererseits e0 = 4,2 V und e1 = 3,68 V, dann ergibt sich
aus Gleichung (3), daß e2 = 3,85 V ist. Wenn die
letztgenannte Spannung dazu veranlaßt wird, der
Batteriespannung zu entsprechen, unter Verwendung der
Spannungsteilerverhältnisse aus Tabelle 1, so weist e2 den
Wert von etwa 1,90 V/Zelle auf. Wenn eine Batteriespannung
von zumindest etwa 1,90 V/Zelle an die nicht-invertierende
Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 angelegt wird, so
stellt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 91 die
Spannung mit maximaler Amplitude dar, und wird an den
A/D-Wandler 55b angelegt.
Die Spannung im Bereich von 0,2 bis 4,2 V, die an den
A/D-Wandler 55b angelegt wird, entspricht daher einer
Batteriespannung im Bereich von 1,25 bis 1,90 V/Zelle. Anders
ausgedrückt sind der Batteriespannungswandler 90 und die
verschiedenen Widerstände so ausgelegt, daß der
Spannungsbereich, in welchem Batteriespannungen schwanken, an
den A/D-Wandler 55b angelegt wird. Selbstverständlich sind
die Widerstandswerte für die verschiedenen Widerstände nicht
auf die voranstehend angegebenen Werte beschränkt.
Nunmehr erfolgt ein Vergleich der
Spannungsänderungserfassungen gemäß dem konventionellen
Verfahren und gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Bei dem konventionellen Verfahren beträgt die Auflösung eines
8-Bit-Wandlers:
2,50 V × 1/255 = 9,80 mV/Zelle.
Dies bedeutet, daß die Spannung pro Zelle für einen
Digitalwert, der in Dezimaldarstellung dargestellt wird,
gleich 9,80 mV ist.
Andererseits beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform die
Auflösung des A/D-Wandlers 55b mit 8 Bit:
(1,90V-1,25V) × 5V/(4,2V-0,2V) × 1/255) 3,19 mV/Zelle.
Dies bedeutet, daß die Spannung pro Zelle für einen
Digitalwert, der in Dezimaldarstellung dargestellt wird,
3,19 mV beträgt. Dieses Ergebnis, verglichen mit dem
voranstehenden Ergebnis für das konventionelle Verfahren,
zeigt eine Erhöhung der Genauigkeit um etwa das Dreifache
(9,80 mV verglichen zu 3,19 mV). Daher ist es möglich,
verläßlich festzustellen, wann eine Batterie vollständig
geladen ist, selbst wenn die Spannungsänderung der
Sekundärbatterie 2 gering ist.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 und das
Flußdiagramm von Fig. 2 der Betriebsablauf des
Batterieladegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Wenn die Spannungsversorgung eingeschaltet wird,
initialisiert der Mikrocomputer 50 alle seine
Ausgangsanschlüsse 56a und 56b (S101), und wartet darauf, daß
eine Sekundärbatterie 2 angeschlossen wird (S102). Wenn eine
Sekundärbatterie angeschlossen ist ("JA" im Schritt S102),
wird zunächst die Anzahl an Zellen in der Batterie
untersucht. Dies erfolgt durch Vergleich der Batteriespannung
mit einer Bezugsspannung nach einer Vorladung der Batterie.
Im einzelnen stellt der Mikrocomputer 50 die Anfangsladezeit
t0 entsprechend Signalen ein, die von dem
Batteriespannungsdetektor 40 empfangen werden (S103).
Daraufhin überträgt die
Ladungssteuersignalübertragungsvorrichtung 4
Ladungsstartsignale an den PWM-Steuer-IC 23 über den
Ausgangsanschluß 56b; das Ladestromeinstellgerät 80 liefert
die Ladestrombezugsspannung VI0 an den Operationsverstärker
62 über den Ausgangsanschluß 56b; und das Batterieladegerät
beginnt mit der Ladung beim Ladestrom I0 (S104). Gleichzeitig
mit dem Beginn der Ladung wird der durch die Sekundärbatterie
2 fließende Ladestrom von dem Strommeßgerät 3 erfaßt. Die
Ladestromsteuerung 60 koppelt die Differenz zwischen der
Spannung entsprechend diesem Ladestrom und der
Ladestrombezugsspannung VI0 an den PWM-Steuer-IC 23 über die
Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 zurück. Im einzelnen
wird, wenn der Ladestrom klein ist, ein verbreiterter Impuls
an den Hochfrequenztransformator 21 angelegt und geglättet,
so daß Gleichstrom entsteht, durch die zweite
Gleichrichter/Glättungsschaltung 30, und wird der Ladestrom
gleichförmig auf 10 gehalten. Daher wird der Ladestrom auf
einem gewünschten Stromwert I0 gehalten, durch das
Strommeßgerät 3, die Ladestromsteuerung 60, die
Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5, die
Umschaltschaltung 20 und die zweite
Gleichrichter/Glättungsschaltung 30.
Die Ladung wird fortgesetzt, bis seit dem Beginn der Ladung
die Zeit t0 abgelaufen ist (S105). Nachdem die Zeit t0
abgelaufen ist ("JA" in S105), überträgt der Mikrocomputer 50
ein Ladestoppsignal an den PWM-Steuer-IC 23, und wird die
Ladung angehalten (S106). Da der Typ der an das Ladegerät
angeschlossenen Batterie, also die Anzahl an Zellen der
Batterie, unbekannt ist, werden die Widerstände 42 bis 45 des
Batteriespannungsdetektors 40 mit Masse verbunden, um das
kleinste Spannungsteilerverhältnis et für eine Batterie mit
20 Zellen einzustellen, wie in der Tabelle angegeben.
Daraufhin werden der Widerstand oder die Widerstände, die für
Batterien mit unterschiedlicher Zellenanzahl ausgesucht
werden, hintereinander an Masse gelegt, in der Reihenfolge
von der Batterie mit einer großen Anzahl an Zellen bis zur
Batterie mit der kleinsten Anzahl an Zellen, also einer
Batterie mit 4 Zellen. Dies führt dazu, daß die
Spannungsteilerverhältnisse, die in dem
Batteriespannungsdetektor 40 eingestellt sind, hintereinander
umgeschaltet werden. Die Batteriespannung, die von dem
Batteriespannungsdetektor 40 zum Zeitpunkt, an welchem das
Laden gestoppt wird, festgestellt wird, wird an den
A/D-Wandler 55a angelegt, um die Batteriespannung Vt0 zu
ermitteln (S107). Die Batteriespannung Vt0 kann dadurch
berechnet werden, daß die an den A/D-Wandler 55a angelegte
Spannung durch das entsprechende Spannungsteilerverhältnis
geteilt wird. Die Spannung Vt0 wird mit der Bezugsspannung
nVa verglichen, die für jede Batterie voreingestellt ist, und
es wird die Anzahl an Zellen in der Sekundärbatterie 2
festgestellt (S108). Hierbei ist mit n die Anzahl an Zellen
bezeichnet, und mit Va die Bezugsspannung pro Zelle. Die
Minimalspannung für eine Nickelkadmiumbatterie beträgt etwa
1,2 V, jedoch kann die Spannung höher als 1,2 V sein,
abhängig von der Restkapazität der Batterie und der
Batterietemperatur.
Daraufhin wird das Spannungsteilerverhältnis entsprechend der
Anzahl an Zellen dadurch eingestellt, daß der entsprechende
Widerstand oder die entsprechenden Widerstände an Masse
gelegt wird bzw. werden (S109). Die
Ladungssteuersignalübertragungsvorrichtung 4 überträgt ein
Ladungsstartsignal an den PWM-Steuer-IC 23 über den
Ausgangsanschluß 56b; das Ladestromeinstellgerät 80 legt eine
Ladestrombezugsspannung VI1 an den Operationsverstärker 62
an; und das Laden der Sekundärbatterie 2 wird bei dem
Ladestrom I1 wieder aufgenommen (S110).
Daraufhin werden Speicherdaten in dem RAM 53 initialisiert,
und ebenso Vergleichswerte zwischen der jüngsten
Batteriespannung und mehreren vorher abgetasteten Spannungen
(S111), und wird der Batteriespannungsabtastzeitgeber in Gang
gesetzt (S112). Wenn die Abtastzeit abgelaufen ist ("JA" in
S113), wird der Batteriespannungsabtastzeitgeber erneut
gestartet (S114). Die Batteriespannung, die durch den
Batteriespannungsdetektor 40 geteilt wird, wird durch den
Batteriespannungswandler 90 in den A/D-Wandler 55b
eingegeben, und in einen Digitalwert umgewandelt. Diese
Spannung wird als die Batteriespannung Vin gespeichert
(S115). Man erhält ΔV durch Subtraktion der
Eingangsbatteriespannung Ei-5 (sechs Abtastungen früher) von
dieser Batteriespannung Vin unter Verwendung der CPU 51
(S116).
Daraufhin wird ΔV, welches im Schritt S116 erhalten wurde,
mit ΔVmax verglichen (S117). Wenn der Wert, der übrigbleibt,
nachdem ΔV von ΔVmax subtrahiert wurde, größer oder gleich m
als Digitalwert ist ("JA" in S117), überträgt der
Mikrocomputer 50 über die
Ladesteuersignalübertragungsvorrichtung 4 ein
Ladungsstoppsignal an den PWM-Steuer-IC 23, um das Aufladen
zu stoppen (S118). Hierbei ist M eine ganze Zahl, die sich
entsprechend der Auflösung des A/D-Wandlers, der Abtastzeit
und dem Ladestrom ändert. Wenn beispielsweise ein
Batteriespannungswandler 90 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform verwendet wird, ein A/D-Wandler 55b mit
8 Bits, ein Ladestrom von 9 A, und eine Abtastzeit von 5
Sekunden, so wird m auf zwischen 4 und 6 eingestellt.
Normalerweise sind Digitalwerte im Bereich von 1 bis 3
erforderlich, da die Spannung innerhalb dieses Bereiches
schwankt, unmittelbar bevor die Spannungserhöhung einen
Spitzenwert annimmt, und die Batterie vollständig geladen
wird. Der Mikrocomputer 50 wartet, bis die Sekundärbatterie 2
abgeklemmt ist (S199), und der Betriebsablauf kehrt zum
Schritt S102 zurück, wenn festgestellt wird, daß die
Sekundärbatterie 2 abgeklemmt wurde ("NEIN" im Schritt S119),
und wartet auf den Anschluß einer anderen Batterie.
Wenn der nach der Subtraktion von ΔV von ΔVmax verbleibende
Wert kleiner als m ist, so wird ΔV mit ΔVmax verglichen
(S120). Ist ΔV größer als ΔVmax ("JA" in S120), so werden die
Daten für ΔVmax in dem RAM 53 durch den Wert von AV ersetzt
(S121). Ist ΔV kleiner oder gleich ΔVmax ("NEIN" in S120), so
wird der Schritt S212 übersprungen. Daraufhin werden die in
dem RAM 53 gespeicherten Batteriespannungswerte
überschrieben, so daß sie die jüngste Batteriespannung Vin
enthalten (S122), und der Betriebsablauf kehrt zum Schritt
S113 zurück.
Fig. 6 zeigt das Ladeverhalten für eine inaktive Batterie
gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Durch Bereitstellung
des Batteriespannungswandlers 90 kann die Änderung der
Batteriespannung mit hoher Genauigkeit gemessen werden, und
ist es möglich, verläßlich festzustellen, wann eine Batterie,
gleichgültig in welchem Zustand sie sich befindet,
vollständig geladen ist, durch Verwendung eines Verfahrens
mit Feststellung der zweiten Ableitung, welches ermittelt,
wann die Batterie auf ihre volle Kapazität geladen ist,
nämlich durch Feststellung, wann die zweite Ableitung der
Batteriespannung negativ wird.
Wie anhand der voranstehenden Ausführungsform beschrieben
wurde, kann ein Batterieladegerät gemäß der vorliegenden
Erfindung verläßlich die Feststellung einer vollständig
geladenen Batterie steuern, selbst wenn die Spannungsänderung
der Batterie, die aufgeladen wird, klein ist.
Claims (7)
1. Batterieladegerät, welches aufweist:
eine Batteriespannungsmeßvorrichtung zur Erfassung der Spannung einer Batterie, die geladen wird, und zur Ausgabe eines ersten Batteriespannungssignals, welches die Spannung der Batterie angibt;
eine Batteriespannungswandlervorrichtung zur Umwandlung des ersten Batteriespannungssignals in eine zweite Batteriespannung, die sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches entsprechend einem variablen Bereich der Spannung der Batterie ändert, die geladen wird, wobei die zweite Batteriespannung in Form eines Analogsignals vorliegt;
einen Analog-Digitalwandler zur Umwandlung der zweiten Batteriespannung in einen Digitalwert; und
eine Volladungserfassungsvorrichtung, die dazu dient, auf der Grundlage des Digitalwertes festzustellen, daß die Batterie den vollständig geladenen Zustand erreicht hat.
eine Batteriespannungsmeßvorrichtung zur Erfassung der Spannung einer Batterie, die geladen wird, und zur Ausgabe eines ersten Batteriespannungssignals, welches die Spannung der Batterie angibt;
eine Batteriespannungswandlervorrichtung zur Umwandlung des ersten Batteriespannungssignals in eine zweite Batteriespannung, die sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches entsprechend einem variablen Bereich der Spannung der Batterie ändert, die geladen wird, wobei die zweite Batteriespannung in Form eines Analogsignals vorliegt;
einen Analog-Digitalwandler zur Umwandlung der zweiten Batteriespannung in einen Digitalwert; und
eine Volladungserfassungsvorrichtung, die dazu dient, auf der Grundlage des Digitalwertes festzustellen, daß die Batterie den vollständig geladenen Zustand erreicht hat.
2. Batterieladegerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Batteriespannungswandlervorrichtung einen
Differenzverstärker aufweist, der mit einem ersten
Eingang versehen ist, der eine Bezugsspannung empfängt,
und mit einem zweiten Eingang, der die erste
Batteriespannung empfängt, und die zweite
Batteriespannung aus gibt.
3. Batterieladegerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Batteriespannungsmeßvorrichtung mehrere
Spannungsteilerwiderstände enthält, durch welche eines
von mehreren Spannungsteilerverhältnissen ausgewählt
werden kann.
4. Batterieladegerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
einer der mehreren Spannungsteilerwiderstände ausgewählt
wird, um eines der mehreren Spannungsteilerverhältnisse
einzustellen.
5. Batterieladegerät nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren
Spannungsteilerverhältnisse so eingestellt werden, daß
die erste Batteriespannung für Batterien mit
unterschiedlicher Anzahl an Zellen im wesentlichen
konstant ist.
6. Batterieladegerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Volladungserfassungsvorrichtung eine
Berechnungsvorrichtung aufweist, welche dazu dient,
nacheinander das Ausmaß der Änderung der Spannung der
Batterie zu berechnen, die geladen wird, und
Berechnungsergebnisse aus zugeben, wobei die
Volladungserfassungsvorrichtung die Aufladung auf der
Grundlage der Berechnungsergebnisse beendet.
7. Batterieladegerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Zellenanzahlerfassungsvorrichtung vorgesehen ist, um die
Anzahl an Zellen festzustellen, welche die Batterie hat,
die geladen wird.
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