-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Laden von Sammlerbatterien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Batteriehersteller empfehlen im allgemeinen die Ladung ihrer Sammlerbatterien über eine Zeitspanne von 16 Stunden mit einem Strom von einem Zehntel der Nennamperezahl der Batterie. Der niedrige Strom wird für notwendig gehalten, um die Beschädigung der Batterie durch Überladung zu verhindern. Die lange Ladezeit ist in den meisten Fällen unzufriedenstellend.
-
Eine aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Zellen bestehende Batterie kann mit einem konstanten Strom schnell bis etwa auf achtzig Prozent ihres Aufnahmevermögens geladen werden, und zwar in weniger als einer Stunde, wenn der hierfür erforderliche hohe Ladestrom abgeschaltet wird, so daß die Batterie nicht durch Temperaturanstieg und Gasentwicklung geschädigt wird. Ein im Hinblick auf das Aufnahmevermögen wirksameres Schnelladeverfahren ist das sogenannte Impulsladen, bei dem die Batterie Impulsen hoher Stromstärke ausgesetzt wird, die von Ruheintervallen unterbrochen sind. Bei bestimmten Ausführungen werden die Impulse mit kurzen Entladeimpulsen kombiniert. Die Impulslänge hängte von der Batteriespannung in der Weise ab, daß mit steigender Spannung der zu ladenden Batterie die Ladeimpulse verkürzt werden.
-
Bei anderen Schnelladeverfahren wird die Zunahme der Spannung, der Temperatur oder des Druckes herangezogen, um den Strom auf ein unschädliches Niveau am Ende des Ladevorgangs zu verringern.
-
Alle diese Verfahren, mit Ausnahme des Ladeverfahrens unter konstantem Strom, benutzen Parameter, die von dem Verhalten der Batterie oder einer Zelle während des Ladevorgangs abhängen. Diese Batterieparameter sind im allgemeinen nicht ausreichend sichere Faktoren. Die Batteriespannung hängt von der Temperatur und dem Alter der Batterie ab. Die Spannung variiert außerdem von Zelle zu Zelle, selbst wenn die Herstelldaten der Zellen die gleichen sind. Man versieht im allgemeinen eine in einer Batterie enthaltene Zelle mit einem Temperaturfühler. Ein solcher Temperaturfühler spricht auch auf die Umgebungstemperatur an und ist im übrigen nur für die eine gemessene Zelle von einem Aussagewert. Zur Feststellung des Druckes in einer Batterie muß man einen Eingriff in die Batterie vornehmen. Eine nach einer der obengenannten Methoden zu ladende Batterie muß demnach Zellen enthalten, deren Eigenschaften so gleichförmig wie möglich sind.
-
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ist in der DE-AS 18 09 805 beschrieben. Mit dieser bekannten Vorrichtung wird zunächst die Batterie entladen und danach mit einem konstanten Strom geladen. Es ergibt sich dabei der Nachteil, daß mit dem konstanten Strom die Batterie in kurzer Zeit nur zu 80% ihrer Kapazität aufgeladen werden kann, wie in der genannten Auslegeschrift angegeben. Wenn dabei ein sehr kleiner Ladestrom verwendet wid, kann zwar die Batterie voll aufgeladen werden, jedoch dauert die Ladung außerordentlich lange.
-
Aus der Buchveröffentlichung "Blei- und Stahlakkumulatoren", W. Witte, 3. Auflage, Mainz 1967, ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem eine Batterie mit einer konstanten Spannung aufgeladen wird. Da die Stromaufnahmefähigkeit einer Batterie entsprechend der jeweils hineingeladenen Strommenge im Verlauf der Ladung nach einer Exponentialfunktion abnimmt, ergibt sich dabei unter der Voraussetzung, daß das Konstantspannungs- Ladegerät genügend groß bemessen ist, auch ein exponentiell abnehmender Ladestrom. Das Problem, das sich bei einer Konstantspannungsladung ergibt, besteht darin, daß man den Ladestrom in keiner Weise steuern kann, da der sich entsprechend dem jeweiligen Ladezustand der Batterie einstellende Ladestrom von verschiedenen Parametern der Batterie abhängt, beispielsweise der Bauart der Batterie, der Zellengeometrie, der Zellentemperatur, den unterschiedlichen Eigenschaften der Zellen innerhalb der Batterie, dem Alter der Batterie und ähnlichen Merkmalen.
-
Aufgrund dieser vielen verschiedenen Parameter kann das Laden mit konstanter Spannung zu einer sehr langen Ladezeit führen oder zum Überladen der Batterie, bei dem sich eine thermische Überbelastung der Batterie und deren Beschädigung einstellen kann. Das Laden mit konstanter Spannung oder der Versuch, die Ladung durch Steuerung der Spannung zu kontrollieren, führt daher notwendigerweise zu einer sehr schlechten Kontrolle über den Ladestrom. Bei Konstantspannungsladen ist es daher zwangsläufig, daß man eine gegenüber dem optimalen Ladevorgang zu niedrige Spannung wählen muß um sicherzustellen, daß sich kein zu hoher Ladestrom einstellt. Dabei ist es dann nicht möglich, die Batterie auf ihre volle Nennkapazität aufzuladen, da ja der sich exponentiell vermindernde Ladestrom bei einzelnen Batterien in Abhängigkeit von deren unterschiedlichen Parametern unterschiedlich ist und daher vorsichtshalber gering gehalten werden muß.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, mit der eine Sammlerbatterie in kurzer Zeit auf ihre volle Nennkapazität aufladbar ist, ohne daß dabei irgendein Batterieparameter überwacht werden muß.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also eine Sammlerbatterie mit einem Strom aufgeladen, der zu Beginn des Ladevorgangs einen Wert aufweist, der den Zahlenwert der Batteriekapazität mehrfach übersteigt und der während des Ladevorgangs mit der Zeit exponentiell auf einen sehr geringen Wert gesteuert wird. Es wird dadurch zum Laden der Batterie nur eine sehr kurze Ladezeit benötigt.
-
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Integral des Ladestroms über die Ladezeit hinweg gleich der Nennkapazität der Batterie ist, d. h. der maximal möglichen Ladung. Wenn daher die Batterie zuerst entladen wird und dann entsprechend den angegebenen Stromverlaufsmerkmalen wieder aufgeladen, dann wird die Batterie genau mit der maixmalen Kapazität entsprechend dem Integral des Ladestroms über die Ladezeitdauer aufgeladen. Dabei ist hervorzuheben, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Ladevorgang entlang der angegebenen Ladestromkurve völlig unabhängig von Batterieparametern, wie der Temperatur, dem Druck oder der Ladespannung ist. Gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik ergibt sich also der in der Praxis ganz wesentliche Vorteil, daß die Batterieparameter auch unterschiedlicher Batterien gleichen Typs während der Ladung nicht überwacht werden müssen und dennoch die Batterie ohne Gefahr voll geladen werden kann.
-
Die exponentiell verlaufende und gesteuerte Ladekurve der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt überdies eine sehr kurze, optimale Ladezeit sicher, da ja nahezu alle Batterien die Eigenschaft aufweisen, daß die jeweilige Stromaufnahmefähigkeit nach einer Exponentialfunktion abnimmt und daher der Ladestrom den Batterieeigenschaften angepaßt ist.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
-
Fig. 1 eine Schaltung einer Ausführungsform der Vorrichtung,
-
Fig. 2 vier verschiedene Ladekurven und
-
Fig. 3 eine für die Vorrichtung der Fig. 1 geeignete Stromversorgung.
-
In Fig. 1 ist der Aufbau des Ladegerätes in seinen Grundzügen gezeigt. Nach Anschluß der Batterie an das Gerät fließt ein geringer Ladestrom zur Batterie über den Widerstand R&sub1;. Dieser Widerstand ist so gewählt, daß der durch ihn fließende Strom dem 16-Stunden-Strom für die fragliche Batterie entspricht. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß bei Bedarf das Laden der Batterie entsprechend den Empfehlungen des Herstellers erfolgen kann. Wenn der Kontakt S für einen kurzen Augenblick geschlossen ist, wird der Kondensator C&sub2; auf die Versorgungsspannung V+ aufgeladen. Die Basis des Transistors T&sub3; erhält dabei Spannung und stellt die Leitfähigkeit her, so daß das Relais R e erregt wird. Der Transistor T&sub3; verbleibt im leitenden Zustand, bis der Kondensator C&sub2; auf eine durch die Zenerdiode Z&sub2; bestimmte Spannung entladen ist. Der Kondensator C&sub2; und der Widerstand R&sub2; sind so gewählt, daß der Transistor T&sub3; mit Sicherheit leitend bleibt, bis die Steuerschaltung C&sub1;R c voll aufgeladen ist.
-
Der Vergleicher K&sub1; vergleicht die Spannung der Batterie oder von Teilen davon mit einer einstellbaren Spannung am Potentiometer P&sub3;. Solange die Batteriespannung den an dem Potentiometer P&sub3; eingestellten Wert überschreitet, gibt der Vergleicher K&sub1; ein Ausgangssignal der Art ab, daß der Transistor T&sub4; leitend ist. Der Transistor T&sub4; ist mit dem Relais R e über einen der Relaiskontakte verbunden. Auf diese Weise bleibt das Relais nach seiner Betätigung erregt, bis die Batterie zu dem am Potentiometer P&sub3; voreingestellten Wert entladen ist. Die Spannung am Potentiometer P&sub3; ist so gewählt, daß die Batterie vollständig und ohne Poländerung irgendeiner Zelle während der Entladung entladen wird. Solange das Relais R e erregt ist, wird die Batterie über den Transistor T&sub1; und den Widerstand R u entladen. Der Widerstandswert des Widerstandes R u ist vorzugsweise so gewählt, daß eine gegebenenfalls vorhandene Restladung innerhalb weniger Minuten entladen ist.
-
Nach Abfallen des Relais R e wird die Basis des Transistors T&sub6; mit dem Potential V&sub0; verbunden. Dadurch werden die Transistoren T&sub6; und T&sub1; abgeschaltet, so daß die Entladung beendet wird. Die Ladung kann nun beginnen und wird dadurch in Gang gesetzt, daß die Verbindung des Transistors T&sub7; mit dem Potential V&sub0; unterbrochen wird. Damit wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Op&sub2; über den Transistor T&sub7; an den Transistor T&sub2; gelegt. Der Kondensator C&sub1;, der während der Entladungszeitspanne auf eine Spannung geladen wurde, die durch die Zenerdiode Z&sub1; und die Diode D&sub1; bestimmt ist, beginnt nun, sich durch den variablen Widerstand R c zu entladen, wenn die Batterieladung beginnt. Die Kondensatorspannung bestimmt mit Hilfe des Operationsverstärkers Op&sub1; und des Potentiometers P&sub1; die Spannung am einen Eingang des Operationsverstärkers Op&sub2;. Der letztgenannte Operationsverstärker vergleicht die Spannung über dem Potentiometer P&sub1; mit der Spannung über dem Widerstand R L und steuert den Transistor T&sub2; so, daß die Spannungen über dem Potentiometer P&sub1; und dem Widerstand R L gleich sind. Der durch den Transistor T&sub2; und den Widerstand R L fließende Ladestrom sinkt im gleichen Verhältnis ab wie die Spannung über dem Kondensator C&sub1;. Ein Eingang des Operationsverstärkers Op&sub2; erhält seine Spannung von dem variablen Abgriff am Potentiometer P&sub1;. Dadurch kann der Anfangswert des Ladestroms eingestellt werden. Der Endwert des Ladestroms kann dadurch eingestellt werden, daß die Offsetspannung des Operationsverstärkers Op&sub1; mit dem Potentiometer P&sub2; variiert wird. Von dieser Offsetspannung hängt die Spannung an dem Potentiometer P&sub1; bei vollkommen entladenem Kondensator C&sub1; ab.
-
Der Zweck des Vergleichers K&sub2; besteht darin, die Spannung über dem Widerstand R L mit der Spannung über dem Widerstand R&sub3; zu vergleichen. Wenn die Spannung über dem Widerstand R L abgesunken ist, das heißt, wenn der Strom zu einem Grenzwert abgefallen ist, der durch den Widerstand R&sub3; bestimmt ist, gibt der Vergleicher K&sub2; ein solches Ausgangssignal ab, daß die Leuchtdiode L&sub1; zur Aussendung von Licht veranlaßt wird. Dies zeigt die vollständige Ladung an. In Fig. 1 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet, daß der Ausgang des Vergleichers K&sub2; abweichend hiervon auch mit der Basis des Transistors T&sub7; verbunden sein kann. Durch eine solche Verbindung wird der Ladestrom bei einem Wert unterbrochen, der durch die Widerstände R L und R&sub3; bestimmt ist.
-
Der Zweck des Transistors T&sub5; besteht darin, den Beginn der Ladung zu verhindern, wenn die Batterie schon sehr schlecht oder kurzgeschlossen ist. Die beabsichtigte Wirkung wird dadurch erzielt, daß eine niedrige Spannung über dem Widerstand R u , die bei niedrigem oder fehlendem Entladestrom vorliegt, die Abschaltung des Transistors T&sub5; veranlaßt, so daß die Basis des Transistors T&sub4; Spannung erhält und leitend bleibt, selbst dann, wenn die Batteriespannung niedriger als die Spannung an dem Potentiometer P&sub3; ist. Solange der Transistor T&sub4; leitet, bleibt das Relais R e in angezogenem Zustand. Deshalb kann eine Ladung nicht beginnen. Die Leuchtdiode L&sub3; sendet Licht aus, wenn der Transistor T&sub5; abgeschaltet ist. Dies bedeutet, daß die Leuchtdiode L&sub3; nach einer Betätigung des Relais R e zusammen mit der Leuchtdiode L&sub2; Licht abgibt, welche Signalkombination anzeigt, daß die Batterie in schlechtem Zustand ist. Die Leuchtdiode L&sub3; gibt auch Licht ab, wenn die Ladung vor sich geht. Die Leuchtdiode L&sub2; gibt Licht ab, wenn das Relais angezogen ist, das heißt, während einer Entladung der Batterie.
-
Der Ladestrom wird durch einen Kondensator C&sub1; gesteuert, der über einen Widerstand R c entladen wird. Dies bedeutet, daß der Ladestrom veranlaßt wird, wie die Entladungskurve eines Kondensators abzusinken. Der Strom läßt sich deshalb mittels der folgenden Gleichung ausdrücken: &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
-
Die gespeicherte Ladung ergibt sich wie folgt: &udf53;np50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;
-
Ein Term ist hinzuzufügen, wenn der Strom nicht mit dem Wert Null bei entladenem Kondensator gewählt wird. In der Gleichung bezeichnet t die Zeit vom Beginn der Ladung, I&sub0; den Anfangsladestrom zur Zeit 0, I den Strom zur Zeit t und RC die Zeitkonstante des Steuerkreises. Wenn in der obigen Gleichung die Nennamperezahl einer Batterie mit C¹ bezeichnet wird und wenn in Betracht gezogen wird, daß die Ladung nicht mit einer Wirksamkeit von 100 Prozent erfolgen kann, so daß ein Ladefaktor von 1,2 eingeführt werden muß, kann die untenstehende Tabelle berechnet werden. Der Ladestrom gemäß der Tabelle ist in der Nennamperezahl der Batterie ausgedrückt. &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54; &udf53;vu10&udf54;
-
Die Ladung C¹ ist theoretisch nach 8,5 Minuten bzw. 12,7 Minuten bzw. 24,4 Minuten bzw. 48,3 Minuten in die Batterie gespeichert. Der Strom ist auf C¹/10, also den 16-Stunden-Wert, nach 24,2 Minuten bzw. 33,5 Minuten bzw. 57,5 Minuten bzw. 96,6 Minuten gesunken. Fig. 2 zeigt die wie oben berechneten Ladekurven und die Werte, die mit vorliegender Erfindung erzielbar sind. Alle Kurven entsprechen der gleichen geladenen Amperezahl. Versuche haben gezeigt, daß die berechneten Werte gut mit den Werten übereinstimmen, die während des Ladens der Batterie gemäß vorliegendem Verfahren erzielbar sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß Batterien von verschiedener Art, Größe und Herstellung unterschiedliches Aufnahmevermögen für Strom hoher Stromstärke während des Ladens haben. Das Gerät ist deshalb so gebaut, daß für jede Batterieart die maximale Ladegeschwindigkeit gefunden werden kann. Der hohe Ladestrom ist sehr vorteilhaft bei Batterien, die bei zunehmendem Alter die Tendenz zur Entwicklung von Kurzschlußbrücken durch Dendritenbildung zeigen. Solche Brücken können, wie bekannt, durch Hochstromimpulse unterbrochen werden, was die Pflegemöglichkeit für eine solche Batterie wieder herstellt. Versuche haben gezeigt, daß das Gerät gemäß vorliegender Erfindung eine solche Wirkung zeigt. Die Versuchsbatterie wurde während 20 Minuten geladen und dann normal entladen. Hierauf wurde eine neue Ladung begonnen. Die gemessene Lebensdauer überschritt sehr wesentlich die mit der empfohlenen 16-Stunden-Ladung erzielbare Lebensdauer bei gleichem Batterietyp und Hersteller. Der Versuch zeigte nebenbei, daß mittels dieses Verfahrens die Batterie zu 100 Prozent aufgeladen wurde.
-
Die Fig. 3 zeigt eine Schaltung, mittels der eine Wechselstromquelle zur Versorgung der Gleichstromklemmen herangezogen werden kann, die für das Laden der Batterie erforderlich sind. Die Spannungsquelle muß dem Erfordernis genügen, daß ihre Spannung einige Volt über der Spannung der zu ladenden Batterie liegt. Ferner muß sie wenigstens die von der zu ladenden Batterie aufzunehmende Ladung abzugeben in der Lage sein. Dies bedeutet z. B., daß auch eine große Batterie als Spannungsquelle in Frage kommt.
-
Die Schaltung gemäß Fig. 3 kann durch eine geeignete bekannte Einrichtung, z. B. einen integrierten Schaltkreis, ergänzt werden, um eine konstante Spannung bei einem gewünschten Pegel einzuhalten.
-
Vorliegende Erfindung beruht demgemäß auf dem Gedanken, daß eine Batterie nach ihrer vollständigen Entladung mit einem Strom geladen werden soll, der zu Beginn des Ladevorgangs eine Größe hat, die ein Mehrfaches der Nennamperezahl der Batterie beträgt. Hierauf soll der Strom mit der Zeit exponentiell entlang einer Kurve absinken, die nach oben konkav ist und sich aus der Entladung eines Kondensators ergibt. Die Erfindung schließt auch ein, daß der Ladevorgang so gesteuert werden kann, daß der Strom am Ende des Ladevorgangs entweder so niedrig ist, daß die Batterie nicht durch Überladen beschädigt werden kann oder bei einem vorbestimmten höheren Wert unterbrochen wird, worauf die Ladung automatisch mit einem ausreichend niedrigen Strom fortgesetzt wird.
-
Die dem Gerät gemäß Fig. 1 zugeführte Spannung kann bis zu 30 Volt betragen, soll jedoch höher als die Spannung der zu ladenden Batterie sein. Eine Anpassung des erfindungsgemäßen Gerätes an eine gewählte Versorgungsspannung geschieht vorzugsweise in bekannter Weise durch Wahl eines geeigneten Relais (R e ) und geeigneter Zenerdioden.
-
Bei Spannungen oberhalb 30 Volt müssen auch andere Bestandteile angepaßt sein oder die Spannung muß am Eingang (V+, V&sub0;) des Gerätes geregelt sein.
-
Zum Laden von Batterien kann der Eingang des Gerätes auch in geeigneter Weise an Fahrzeugbatterien angeschlossen werden. Eine besondere Anwendung dieser Art ist das Laden von Batterien für militärische Einrichtungen, indem Kraftfahrzeugbatterien als Spannungsquelle genommen werden. Das Gerät gemäß vorliegender Erfindung ist für diesen Zweck geeignet, da es sich leicht unterschiedlichen Batterien anpassen läßt, eine rasche Ladung erlaubt und klein und robust gebaut ist.