DE19833096C2 - Verfahren zum Laden eines Akkumulators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators, insbesondere eines geschlossenen Bleiakkumulators, in zwei aufeinanderfolgenden Stufen, wobei in einer ersten Stufe mit einem Ladestrom I_L0 bis zum Erreichen einer temperaturabhängigen Lade­ spannung U_BL geladen wird, wobei der Ladestrom I_L in einer zweiten Stufe zwischen einem Ladestrom I_La und einem Ladestrom I_Lp periodisch umgeschaltet wird, bis ein Ladefaktor f_L der Gesamtladung einen vorgegebenen Wert erreicht hat und wobei der Ladestrom I_Lp größer ist als der Ladestrom I_Lo während der ersten Stufe.

Akkumulatoren werden zum Beispiel als Traktionsbatterien zum Antrieb von Flurförderfahr­ zeugen wie Gabelstapler, Schlepper usw. eingesetzt. Nach einem Einsatz von ca. 8 bis 16 Stunden müssen derartige Akkumulatoren wieder aufgeladen werden. Da die Akkumulatoren während der Aufladezeit nicht eingesetzt werden können, wird gefordert, dass die Ladezeit so kurz wie möglich ist. Andererseits besteht jedoch auch die Forderung, dass der Akkumula­ tor vollständig aufgeladen wird. Dabei soll sich die Batterie möglichst wenig erwärmen, da eine maximale Betriebstemperatur nicht überschritten werden darf.

Zur schnellen Ladung insbesondere von Bleiakkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt sind allgemein zweistufige Ladeverfahren bekannt. Dabei wird in einer ersten Stufe mit einem hohen Strom I₀ bis zur einsetzenden Gasung bei der Spannung U_G, in der zweiten Stufe unter Konstanthaltung der Zellenspannung U von ca. 2,4 V weiter geladen, bis der durch die kon­ stante Ladespannung aufgezwungende Strom bis auf etwa 1/20 des 5-stündigen Entladestroms abgefallen ist.

Auch sind dreistufige Verfahren bekannt, wobei der Ladestrom in einer dritten Stufe auf Werte zwischen 0,05 I₀ und 0,5 I₀ erhöht und auf diesen Wert begrenzt wird (DE 37 32 339 A1).

Eine Verkürzung der Ladezeit ist auch mit einer Erhöhung der Ladeleistung in gewissem Umfang möglich. Übersteigt der Ladestrom jedoch 30 A/100 Ah Nennkapazität, ist die mögliche Verkürzung der Ladezeit gering und die Kosten für das Ladegerät steigen deutlich an.

Bei einer üblichen Ladezeit von 8 bis 10 Stunden werden etwa 4 Stunden dazu verwendet, die Batterie mit einem Strom von etwa 5 A/100 Ah etwa 20% zu überladen. Diese Über­ ladung trägt nur in geringem Umfang (3 bis 5%) zur Vollladung bei. Die weitere Über­ ladung wird benötigt, um eine sich während der Ladung im Akkumulator gebildete Säure­ schichtung zu beseitigen. Dies geschieht durch die bei der Überladung sich bildenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Die aufsteigenden Gasblasen führen zu Dichteunterschieden in benachbarten "Wassersäulen", wodurch eine Förderung der schweren Säure nach oben und damit eine Durchmischung der Säure stattfindet. Für einen vollständigen Säuredichteausgleich mit dem niedrigen Überladestorm von 5 A/10 Ah wird eine Nachladezeit von ca. 4 Stunden benötigt.

Zur Beseitigung der Säureschichtung sind ferner Akkumulatoren mit Elektrolytumwälzung bekannt. Dabei wird extern eine Umwälzluft erzeugt und in eine Bleiakkumulatorzelle eingeblasen. Damit konnte die Ladezeit verringert, die bei der Überladung sich in erhebli­ chem Umfang bildende Wärme vermindert sowie das Wassernachfüllintervall um den Faktor 4 verlängert werden.

Als nachteilig hat sich jedoch die zunehmende Störanfälligkeit eines solchen Verfahrens herausgestellt. Insbesondere hatten die Anlagekomponenten zur Luftumwälzung eine geringe­ re Lebensdauer als die Batterie und das Ladegerät. Auch war eine ständige Überwachung der Anlage notwendig.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus DE 33 28 994 C1 bekannt. Dabei ent­ spricht bei einer I/U-Ladung der niedrige Stromwert I_La dem üblichen Stromwert bei I/U- Ladung, wobei der höhere Stromwert I_Lp impulsartig auf 4 bis 6 A/100 Ah erhöht wird. Bei einer W-Ladung ist vorgesehen, dass der höhere Stromwert I_Lp der üblichen Stromstärke der W-Ladung der zweiten Ladephase entspricht und dass dieser durch einen niedrigen Strom­ wert, der bei 1 bis 2 A/100 Ah liegt, pulsartig vermindert wird. Ein ausreichendes Über­ schreiten der Gasungsspannung zur Erzeugung einer Elektrolytdurchmischung wird durch das bekannte Verfahren nicht erreicht.

Davon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren der zuvor genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass bei einer schnellen Vollladung gleichzeitig eine Elektrolytdurchmischung zur Verhinderung einer Säureschichtung durchgeführt wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Akkumulator nach Abschluss der zweiten Ladestufe mehr als 12 Stunden mit dem Ladegerät verbunden bleibt und dass eine Ausgleichsladung durch periodisches Umschalten von dem Ladestrom I_La auf den Ladestrom I_Lp durchgeführt wird und dass der Akkumulator nach Abschluss der zweiten Ladestufe mehr als 12 Stunden mit dem Ladegerät verbunden bleibt und dass eine Aus­ gleichsladung durch periodisches Umschalten von dem Ladestrom I_La auf den Ladestrom I_Lp durchgeführt wird und dass nach Abschluss der Ausgleichsladung die Batteriespannung U_B in periodischen Zeitabschnitten gemessen und gespeichert wird und dass insbesondere ein Spannungswert vor dem Abtrennen der Batterie vom Ladegerät gesondert gespeichert und mit einem Spannungswert des vorhergehenden Ladevorgangs verglichen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Wirkung der Umwälzung deutlich verbes­ sert, da der Ladestrom I_Lp kurzzeitig auf z. B. 18 bis 25 A/100 Ah Nennkapazität eingestellt wird. Dadurch kann die Überladezeit drastisch reduziert werden. Es hat sich herausgestellt, dass eine Überladung von 5 bis 10% ausreichend ist, um eine nahezu vollständige Um­ wälzung der Zellensäure zu erreichen. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass nach einem Betrieb von einer Woche nur eine sehr geringe Säureschichtung zurückbleibt, die durch eine ohnehin empfehlenswerte Ausgleichsladung vollständig behoben werden kann.

Wenn nach Abschluss der Ladung mehr als 12 Stunden vergehen, ohne dass die Batterie vom Ladegerät abgetrennt wird, wie dies z. B. an einem Wochenende auftreten kann, wird eine Ausgleichsladung als Pulsladung in gleicher Weise wie zuvor beschrieben (periodische Umschaltung von I_La auf I_Lp) über einige Stunden durchgeführt, bis 10% der Nennkapazität der Batterie eingeladen sind.

Um den Vollladezustand des Akkumulators zu erkennen und bei unvollständiger Vollladung gegebenenfalls auszugleichen, ist vorgesehen, dass nach Abschluss der Ausgleichsladung eine Ruhespannung U_BR des Akkumulators in periodischen Zeitabschnitten gemessen und gespei­ chert wird und dass insbesondere ein Spannungswert vor Abtrennen der Batterie vom Ladege­ rät gesondert gespeichert und mit einem Spannungswert der vorhergehenden Ladung ver­ glichen wird. Im Normalbetrieb zeigt sich ein Anstieg der Säuredichte im Wochenrhythmus. Der Ansteig der Säuredichte ist auf den Wasserverbrauch zurückzuführen und kann direkt zur Anzeige der notwendigen Wassernachfüllung benutzt werden. Sinkt dagegen die Ruhespan­ nung der Batterie stetig ab, liegt eine nicht ausreichende Vollladung vor. Das Ladegerät wird daraufhin automatisch die Ausgleichsladung verlängern, indem der Ladefaktor f_L korrigiert wird. Insbesondere wird bei sinkender Ruhespannung U_BR nach gleichen Messzeitpunkten der Ladefaktor f_L der Ausgleichsladung angehoben. Die Ausgleichsladung wird ebenfalls durch periodisches Umschalten von einem höheren Strom I_p auf einen niedrigeren Strom I_a durchgeführt. Die Ausgleichsladung wird solange durchgeführt, bis 10% der Nennkapazität eingeladen sind.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aus dem Stand der Technik bekannte "W_oW_a-Ladegeräte" benutzt werden können. Dabei wird in der zweiten Stufe bzw. Ladephase zwischen einer W_a-Leistung bzw. Ladestrom I_La und einer W_P-Leistung bzw. Ladestrom I_Lp periodisch umgeschaltet, wobei die W_P- Leistung (I_p) größer sein kann als die W₀-Leistung (I_L0) der ersten Stufe. Ein Abgriff für die W_P-Leistung kann zusätzlich an einem Ladetransformator des Ladegerätes vorgesehen werden. Vorzugsweise ist die Ladung dann beendet, wenn 5 bis 10% der vorher entnomme­ nen Strommenge, jedoch mindestens 5% der vorher entnommenen Strommenge als Über­ ladung wieder aufgeladen sind.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass der Ladestrom I_L in der zweiten Ladestufe eine Periodendauer T im Bereich von 4 ≦ T ≦ 10 min, vorzugsweise T = 8 min aufweist. Dabei beträgt die Einschaltdauer T_a des Ladestroms I_La vorzugsweise 5 min und die Ein­ schaltdauer T_p des Ladestroms I_Lp vorzugsweise T_p = 3 min. Die Einschaltzeiten T_a, T_b können im Bereich von 2 min ≦ T_a, T_b ≦ 5 min variieren.

Zur besseren Erkennung der mangelnden Vollladung wird in einer noch vorteilhafteren Aus­ führungsform bei steigender Ruhespannung U_BR eine automatische Wassernachfüllung ausgelöst oder ein Signal zur manuellen Wassernachfüllung aktiviert. Dies kann z. B. über ein Aquamatiksystem erfolgen. Auf diese Weise kann der Anstieg der Säuredichte durch den Wasserverlust bei Überladung und damit der Anstieg der Ruhespannung kompensiert werden. Dies ist möglich, weil das Ladegerät die Überlademenge selbst feststellen kann und entsprechend in eine Korrektur der Ruhespannung umwandeln kann.

Durch die Selbstkorrektur des Ladegerätes ist somit eine sichere vollständige Volladung in kurzer Zeit mit geringer Wärmeentwicklung und geringem Wasserverbrauch und damit langen Wassernachfüllintervallen realisiert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Verfahrensbeispiels.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an einem Beispiel erläutert werden:
Der Akkumulator wird mit einem Ladegerät verbunden und in einer ersten Ladestufe mit einem konstanten Ladestrom I_L0 im Bereich von 22 A/100 Ah geladen. Beim Erreichen einer Ladespannung U_BL, die im Bereich der Gasungsspannung U_G von etwa 2,4 V/Zelle liegt, wird der Ladestrom I_L in einer zweiten Ladestufe auf einen niedrigen Stromwert I_La abgesenkt. Nach einer Zeitspanne von t = 2 bis 5 min wird von dem niedrigen Ladestrom I_La auf einen hohen Ladestrom (Pulsladestrom) I_Lp umgeschaltet. Ebenfalls nach einer Zeitspanne t = 2 bis 5 min wird wieder auf den niedrigen Ladestrom I_La zurückgeschaltet. Dieser Vorgang wird periodisch wiederholt.

Der Vorgang wird solange wiederholt, bis ein Ladefaktor f_L der Gesamtladung einen vorge­ gebenen Wert, vorzugsweise im Bereich von f_L = 1,05 bis 1,10 erreicht hat. Anschließend wird die Ladung abgeschaltet.

Der Ladevorgang ist beendet, wenn 5 bis 10% der vorher entnommenen Strommenge, jedoch mindestens 5% der vorher entnommenen Strommenge als Überladung wieder einge­ laden sind.

Wenn nach Abschluss der Ladung mehr als 12 Stunden vergehen, ohne dass die Batterie vom Ladegerät abgetrennt wird, wie dies z. B. an einem Wochenende auftreten kann, wird eine Ausgleichsladung als Pulsladung in gleicher Weise wie zuvor beschrieben (periodische Umschaltung von I_La auf I_LP) über einige Stunden durchgeführt, bis 10% der Nennkapazität eingeladen sind.

Es hat sich als besonders wichtig erwiesen, den Vollladezustand eines Akkumulators zu erkennen und bei unvollständiger Vollladung den Ladezustand entsprechend auszugleichen. Die Erkennung des Vollladezustandes kann durch eine Batteriespannungsmessung erfüllt werden. Nach Abschluss der oben beschriebenen Ausgleichsladung - bei erwähntem Wochen­ endbetrieb - vergehen in der Regel mehr als 12 Stunden, bevor die Batterie wieder zur Entla­ dung in Betrieb genommen wird. In dieser Zeit klingt die Ladespannung U_BL der Ausgleichs­ ladung auf eine Ruhespannung U_BR ab. Die Ruhespannung ist direkt ein Maß für die Säure­ dichte der Batterie und damit für den Vollladezustand. Nach Beendigung der Ausgleichs­ ladung wird daher die Batteriespannung U_B über das Ladegerät stündlich gemessen und gespeichert. Der letzte Wert vor Abtrennen der Batterie vom Ladegerät wird separat abgespei­ chert. Dieser Wert wird mit dem letzten Wert der vorhergehenden Ladung verglichen. Im Normalbetrieb zeigt sich ein Anstieg der Säuredichte im Wochenrhythmus. Dies ist auf den Wasserverbrauch zurückzuführen und kann direkt zur Anzeige der notwendigen Wasser­ nachfüllung benutzt werden. Sinkt dagegen die Ruhespannung stetig ab, liegt eine nicht ausreichende Vollladung vor. Das Ladegerät wird daraufhin automatisch die Ausgleichsladung bei der nächsten Ladung verlängern.

Zur besseren Erkennung der mangelnden Vollladung wird in einer noch vorteilhafteren Ausführungsform der Anstieg der Säuredichte und damit der Anstieg der Ruhespannung kompensiert. Dies ist möglich, da das Ladegerät die Lademenge selbst feststellen und entsprechend in eine Korrektur der Ruhespannung umwandeln kann.

Insgesamt wird durch die Selbstkorrektur des Ladegerätes eine sichere, vollständige Voll­ ladung in kurzer Zeit, mit geringer Wärmeentwicklung und geringem Wasserverbrauch und damit langen Wassernachfüllintervallen realisiert.

Claims (9)

1. Verfahren zum Laden eines Akkumulators, insbesondere eines geschlossenen Blei­ akkumulators in zwei aufeinanderfolgenden Stufen, wobei in einer ersten Stufe mit einem Ladestrom I_L0 bis zum Erreichen einer temperaturabhängigen Ladespannung U_BL geladen wird, wobei der Ladestrom I_L in einer zweiten Stufe zwischen einem Ladestrom I_La und einem Ladestrom I_Lp periodisch umgeschaltet wird, bis ein Lade­ faktor f_L der Gesamtladung einen vorgegebenen Wert erreicht hat und wobei der Ladestrom I_La kleiner und der Ladestrom I_LP größer ist als der Ladestrom I_L0 während der ersten Stufe, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator nach Abschluss der zweiten Ladestufe mehr als 12 Stunden mit dem Ladegerät verbunden bleibt, dass eine Ausgleichsladung durch periodisches Umschalten von dem Ladestrom I_La auf den Ladestrom I_Lp durchgeführt wird, dass nach Abschluss der Ausgleichsladung die Batteriespannung U_B in periodischen Zeitabschnitten gemessen und gespeichert wird und dass insbesondere ein Span­ nungswert vor dem Abtrennen der Batterie vom Ladegerät gesondert gespeichert und mit einem Spannungswert des vorhergehenden Ladevorgangs verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom I_Lp auf Werte zwischen 18 bis 25 A/100 Ah Nennkapazität einge­ stellt wird.

3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom I_L in der zweiten Ladestufe eine Periodendauer T im Bereich von 4 ≦ t ≦ 10 min, vorzugsweise T = 8 min aufweist.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom I_La eine Einschaltzeit T_a im Bereich von 2 min ≦ T_a ≦ 5 min, vorzugsweise T_a = 5 min und dass der Ladestrom I_Lp eine Einschaltzeit T_p im Bereich von 2 min ≦ T_p ≦ 5 min, vorzugsweise T_p = 3 min aufweist.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladefaktor f_L der Gesamtladung in einem Bereich von f_L = 1,05 bis 1,10 liegt.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausgleichsladung vorzugsweise 10% der Nennkapazität eingeladen werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der Ausgleichsladung die Batteriespannung U_B in periodischen Zeitabschnitten stündlich gemessen wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei sinkender Ruhespannung nach gleichen Messzeitpunkten der Ladefaktor f_L der Ausgleichsladung angehoben wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei steigender Ruhespannung U_BR eine automatische Wassernachfüllung ausgelöst oder ein Signal zur manuellen Wassernachfüllung aktiviert wird.