DE2907670A1

DE2907670A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufladen verschlossener nickel-kadmium-batterien

Info

Publication number: DE2907670A1
Application number: DE19792907670
Authority: DE
Inventors: Earnest Richard Taylor
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-27
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1979-09-06
Also published as: US4213081A; JPS54155434A

Description

FATS.NTANWALTE A. GRÜNECKER

D1R--ING.

H. KINKELDEY

> / y. W. STOCKMAlR

OR-ING · AaS (CAtTECM)

K. SCHUMANN

ORBEHMAT OFL-FHVS

P. H-. JAKOB

»H--INO.

P 15 586 G. BEZOLD

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8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen verschlossener Nickel-Kadmium-Batterien

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Speicher für

elektrische Energie, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum raschen Aufladen geschlossener Nickel-Kadmium-Batterien ohne Gefahr einer Beschädigung der Batterie.

In der Industrie und auch im privaten Bereich werden geschlossene Nickel-Kadmium-Batterien in großem Umfang als elektrische Energiequelle verwendet,, da diese Batterien wieder aufladbar sind und ansonsten keiner Wartung bedürfen. Die Ladegeschv/indiglceit einer Batterie wird normalerweise ausgedrückt durch ein Vielfaches ihrer Kapazität (C), bei-'spielsweise in Amperestunden. Anders ausgedrückt:. eine mit der C-Geschwindigkeit in Ampere aufgeladene -. . Zelle ist in einer Stunde vollständig aufgeladen.

Nickel-Kadmium-Batterien werden bei sehr stark voneinander abweichenden Geschwindigkeiten von 0,01 O bis 10 G und mehr aufgeladen. Eine Ladegeschwindigkeit zwischen 0,01 C und 0,04 C, als Standb'y-Aüfladung bezeichnet , wird dazu

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verwendet, den vollständig geladenen Zustand einerBatterie aufrecht zu erhalten, nachdem die Batterie mit höherer Geschwindigkeit aufgeladen wurde. Eine Ladegeschwindigkeit zwischen 0,05 C und 0,1 C (langsames Aufladen) wird dazu verwendet, eine entladene Batterie ohne Ladesteuerung aufzuladen, weil bei ^Jeder geschlossenen Nickel-Kadmium-. Batterie praktisch über unbegrenzte Zeit hinweg ein niedriger Ladestrom ohne Beschädigung der Batterie angelegt werden : kann, nachdem einmal ein vollständig geladener Zustand erreicht wurde* Unreine vollständig entladene Batterie aufzuladen, wird bei der langsamen Aufladung ein Zeitraum zwischen 10 und 20 Stunden benotigt. Eine Ladegeschwindigkeit zwischen 0,2 C und 0,3 0 (rasches Aufladen), wird dazu verwendet,um speziell hierfür ausgelegte geschlossene: Nickel-Kadmium-Batterien ohne Lagesteuerung aufzuladen; denn diese speziell konstruierten Batterien vertragen rasche Ladeströme im Überladungsbereich ohne übermäßigen Druckauf bau oder Temperaturanstieg. Die rasche Aufladung benötigt zwi*· y sehen 3 und 5 Stunden. Eine Ladegeschwindigkeit von melir als 0,3 0 bis hinauf zu 10 C und mehr (schnelles Laden) wird im allgemeinen dazu verwendet, geschlossene IJickel-Kadmium-Batterien nur mit einer Ladesteuerung aufzuladen; denn der sich durch den schnellen Ladestrom ergebende Druck aufbau und Temperaturanstieg würde die meisten Batterien innerhalb kurzer Zeit zerstören, wenn nicht der schnelle Ladestrom beendigt würde. Das schnelle Laden benötigt eine Stunde oder weniger. Speziell ausgebildete Nickel-Kadniiua-Batterien, die "rasch" oder in einigen Fällen "schnell¹¹ aufgeladen werden können, sind für viele Anwendungefälle * zu teuer· .

Eine Reihe von Batterieparametern, nämlich Klemmenspannung, Innendruck und Temperatur ändern sich als Funktion des Ladezustands einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie. V/enn '

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zum Aufladen einer geschlossenen Mckel-Kadmium-Satterie eine ladesteuerung für das schnelle Aufladen vorgesehen ist, werden ein oder mehrere dieser Parameter erfaßt, um zu bestimmen, wann die Batterie vollständig aufgeladen ist und der Ladestrom unterbrochen werden sollte. Bei. einem Ladesteuerverfahren, welches den sogenannten Spannungsabbruch (voltage cutuff VCO) umfaßt, bestimmt, wann sich die Batterie im Überladungsbereieb befindet, indem der plötz— liehe Anstieg der Klemmenspannung der Batterie erfaßt wird, wenn der volle Ladezustand der Batterie erreicht vord, V/enn die Steuerung lediglich auf der Grundlage eines einzigen Parameters stattfindet, ist ein sehr genaues Erfassen mit engen Toleranzgrenzen erforderlich. So ist es beispielsweise schwierig, die Klemmenspannung allein zu erfassen, weil die Spannungs-Ladungs-Kennlinie temperaturabhängig ist, insbesondere die Anstiegsgeschwindigkeit und der Spannungs-Maximalwert. Die exakteste bisher verwendete Technik zum Erfassen der Tatsache, daß sich die Batterie im Überladungsbereich befindet, basiert sowohl auf der Batterietemperatur als auch auf der Klemmenspannung, Man spricht hierbei von dem Spannungs-Temperatur-Abbruch (voltage temperature cutoff, VTCQ) . Viel Sorgfalt muß darauf verwendet werden, um di0 Widerstandswerte der in Reihe zu einer Batterie geschalteten Zellen abzustimmen· Sind die Zellen nicht richtig angepaßt, so können eine oder mehrere Zellen beschädigt werden, bevor die Ladesteuerung den Au.Clad.evorgang beendet. Die sich bei dem exakten Erfassen einer vollständig aufgeladenen Nickel-Kadraium-Batterie ergebenden Probleme haben die Kosten von Schnelladesystemen so weit erhöht, daß sich ihre Verwendung in vielen kommerziellen und industriellen Produkten verbietet.

Eine geschlossene Nickel-Kadmium-Batterie besitzt eine Spannungs-Ladungs-Kennlinie mit einem einzigen Klemmen-

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spannungs-Maximuni, das im Überladungsbereich liegt· Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß geschlossene Nickel-Kadmium-Batterien rasch oder schnell zu diesem Sparmungs-Maximumwert aufgeladen werden können» ohne daß die Batterie beschädigt wird. Eine Ladesteuerung ist vorgesehen, um festzustellen, wann die Batterie-* Klemmenspannung seinen Maximumwert erreicht.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufladen einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie, bei dem ein Ladestrom an die B_atterie angelegt wird, die Klemmenspannung der Batterie überwacht und der Ladestrom beendigt oder wesentlich reduziert wird, wenn die Klemmenspannung der Batterie zu fallen beginnt; letzteres ist unmittelbar dann der Fall, nachdem die Klemmenspannung den Maximumwert erreicht hat« Somit basiert die Ladesteuerung auf einer zwöifeisfreien Anzeige über den vollen Ladezustand der Batterie, so daß ein rascher oder schneller Ladestrom abgebrochen wenden kann, nachdem die Batterie vollständig aufgeladen ist, jedoch bevor die Batterie beschädigt wird; dies gesohieht ungeachtet der Schwankungen des Spannungsmaximunis oder anderer nicht eindeutiger oder abhängiger, für die Aufladung repräsentativer Parameter oder nicht angepaßter Zellen-WiderStändswerte·

Die Erfindung schafft weiterhin ein elektrisches Saergiespeichersystem mit einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie, einer Lade stromquelle, einer abtrennbaren Schal- *" tungsanordnung zum Anlegen eines hohen Ladestroms von der Quelle an die Batterie! einer Schaltung zum fortschreitenden Speichern des durch die Batterie-Klemmenspannung erreichten Maximalwertes, einer Schaltung zum Vergleichen des gespeicherten Maximalwertes mit dem augenblicklichen Wert der Klemmenspannung und einer Schaltung zum Abtrennen der Ladestrom-

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Schaltung, wenn der augenblickliche Wert der Klemmenspannung kleiner ist als der gespeicherte Maximumwert. Auf diese Weise kann der volle Ladezustand der Batterie relativ ein-

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fach und direkt erfaßt werden j die hierfür erforderliche ßchaltungseinrichtung ist billig und kann mit herkömmlichen Schaltungseiementen aufgebaut werden.

Nach einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird eine geschlossene Nickel-Kadmium-Batterie mit einerSpannungs-Ladunge-Kennlinie, die einen einzelnen, im Überladungsbereich liegenden ßpannungs-Kiaximumwert besitzt, durch Anlegen eines Ladestroms aufgeladen, während die Batterie-Klemmenspannung tiberwacht wird.; wenn die Klemmenspannung den Maximumwert erreicht, wird der Ladestrom gestoppt: ode?¹ we·* sentlich reduziert* Um zu bestimmen, wann die Klemmenspannung der Batterie den Maximumwert erreicht,/wird liis- ^ besondere der you der Klemmenspannung erreichte Maximumwert fortschreitend beim Anlegen des Ladestroms gespeichert, und der gespeicherte Maximumwert wird mit dem augenblicklichen i/ert der Batterie*-Klemmenspannung verglichen. Der Spitzen- oder Maximumwert wird angezeigt, wenn der gespeicherte Wert den augenblicklichen ;/ert überschreitet.

Im folgenden wird ein'Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.Es zeigen:

Pig· 1 den-Graphen einer typischen Spannungs-Ladungs-Keanlinie einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie beim schnellen Aufladen,

Fig. 2 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Ausführüngsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems und

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-frer

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Speichersystem.

Wie man aus der Spannungs-Ladungs-Kennlinie in Fig· 1 ersieht, steigt die Klemmenspannung einer Nickel-Kadmium-Zelle, die von einem vollständig entladenen Zustand ausgehend aufgeladen wird, zuerst steil vom entladenen Zustand auf ein gleichbleibendes Niveau, um anschließend während der übrigen Aufladezeit langsam anzusteigen, bis die Zelle in den Überladungsbereich übergeht. Dann steigt die Klemmenspannung aufs neue an, diesmal sehr steil, bis sie einen # Spitzen- oder Maximum-Spannungswert erreicht,der eindeutig im Überladungsbereich liegt. Nach Überschreiten des Maximumwertes fällt die. Klemmenspannung sofort wieder langsam ab, um einen etwas niedrigeren Gleichgewichtspegel einzunehmen. Im Überladungsbereich erhöhen sich Temperatur und Druck innerhalb derZelle. In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß geschlossene Nickel-Kadmium-Zellen rasch oder schnell auf den Maximua-Spannungswert im Überspannungs-. bereich aufgeladen werden können, ohne daß sich eine über- · · mäßige Innentemperatur oder ein übermäßiger Innendruck ergibt, d.h. ohne daß die Zelle beschädigt wird. Fig. 1 verdeutlicht, daß eine geschlossene Nickel-Kadmium-Batterie eine Spannungs-Ladungs-Kennlinie aufweist, die ein einzelnes, im überladurUjSbereich liegendes Spannungs-i-Iaximum besitzt. In den nachstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der an eine geschlossene Nickel- " Kadmium-Batterie gelegte Ladestrom beendigt oder wesentlich reduziert, wenn die Klemmenspannung der Batterie den Spitzen- oder Maximumwert der Spannungs-Ladungs-Kennlinie erreicht, und zwar ungeachtet irgendwelcher anderen Batterieparameter. Das Auftreten eines Maximumwertes schafft im Unterschied zum Betrag dieses Maximumwertes, dem Innendruck,

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der Temperatur oder der Ladezeit eine eindeutige zuverlässige Anzeige darüber, daß die Batterie ihren vollen Ladezustand erreicht hat, und zwar selbst dann, wenn die Batterie Zellen mit in hohem Maße fehlangepaßten Widerstandswerten umfaßt. Wenn das Auftreten des Spitzenwertes exakt erfaßt und danach der Ladestrom sofort beendigt oder reduziert wird, tritt keine Beschädigung der Batterie ein.

Eine in Fig. 2 gezeigte Ladestromquelle enthält einen NPN-Leistungstransistor 10. Der Kollektor des Transistors 10 ist an eine Spannungsversorgungsklemme 11 geschaltet, der Emitter des Transistors 10 ist an die. positive Klemme einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie 12 mit einer oder mehreren Zellen geschaltet. Die negative Klemme der Batterie 12 ist geerdet. Die positive Klemme einerGleichspannungsquellej wie beispielsweise einer Autobatterie oder eines Gleichrichters wird an die Klemme 11 gelegt, und die andere Klemme dieser Quelle wird geerdet. Die Spannungsquelle erzeugt eine ständige oder pulsierende Spannung, die größer ist als das Maximum, d.h. größer als die Klemmenspannung der vollständig aufgeladenen Batterie 12. Ein Widerstand 13 und eine Lampe 14 liegen in Reihe zwischen dem Kollektor des Transistors 10 und Masse, um anzuzeigen, wann Leistung an die Klemme 11 gegeben wird. Bei Leistungsabgabe ist die Lampe angeschaltet, sonst abgeschaltet.

Die Ladesteuerung erfolgt durch einen EET-Operationsver- stärker 19 zusammen mit dem Transistor 10. Der Operationsverstärker 15, dessen binäres Ausgangssignal davon abhängt, welcher seiner Eingänge das höhere Potential führt, dient als ¥ergleicher. Der Verstärker 15 ist mit.seinem Ausgang über einen Widerstand 16 an die Basis des Transistors 10 geschaltet .Der V/iderstandswert des ./iderstandes 16 bestimmt die Ladegeschwindigkeit der Batterie 12. Je größer die gewünschte Ladegeschwindigkeit, desto kleiner ist der V/_ert des

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Widerstandes 16. Vorzugsweise erfolgt das Aufladen mit schneller Ladegeschwindigkeit, um die Aufladezeit möglichst · gering zu halten· Der Operationsverstärker 15 wird über eine Leitung 17 von der Quelle 11 mit Energie versorgt. Eine aus einer Diode 18, einem' Widerstand 19 und einem Kondensator 20 bestehende Serienschaltung liegt parallel zu den Klemmen der Batterie 12. V/ie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Diode 18 so gepolt, daß sie den Batteriestrom zu dem Kondensator 20 leitet. Ein Rücksetzschalter 21, bei dem es sich um einen Druckknopfschalter handeln kann, liegt parallel zu dem Kondensator 20. Der Verbindungspunkt des Widerstandes 19 und des Kondensators 20 ist an einen ersten Eingang des Operationsverstärkers 15 geschaltet. Die Endklemmen eines Potentiometers 22 liegen parallel zu den Batterieklemmen. Der Schleiferarm des Potentiometers 22 ist mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 15 verbunden. Diese Verbindung ist nicht kapazitiv in dem Sinne, daß vernachlässigbare Kapazitäten, Streukapazitäten od.dgl. parallel bezüglich des zweiten Eingangs des Verstärkers 15 liegen. Hierdurch kann der Verstärker kleinen augenblicklichen Änderungen der Klemmenspannung der Batterie folgen. Das Potentiometer 22 wird derart eingestellt, daß die dem zweiten Eingang des Operationsverstärker 15 zugeführte Spannung etwas größer ist als die dem ersten Eingang des Operationsverstärkers 15 zugeführte Spannung, d.h., typischerweise 10 mV/Zelle, während die Klemmenspannung der Batterie.12 konstant ist oder ansteigt. Hierdurch wird im Prinzip die Rauschgrenze der Ladesteuerschaltung eingestellt und zusätzlich eine Kompensation des an der Diode 18 auftretenden Spannungsabfalls sowie einer inneren Offset-Spannurig des Operationsverstärkers 15 erreicht. In diesem Fall erscheint eine positive Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 15» um den Transistor 10 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen , wodurch ein Ladestrom von der Klemme 11 zu der positiven Klemme der Batterie "" fließt.

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Nachdem die Klemme 11 mit Energie versorgt ist, wird beim Betrieb der Schalter 21 zuerst geschlossen, um den Kondensator 20 zu entladen. Danach wird durch den Verstärker 15 der Transistor 10 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um die Batterie 12 aufzuladen. Der Kondensator lädt schnell auf den Wert der Klemmenspannung der Batterie 12 auf, und die Spannung am Kondensator 20 folgt der Klemmenspannung der Batterie 12_f wenn diese während des Aufladens anwächst. Wenn die Klemmenspannung der Batterie 12 zu fallen beginnt, nachdem der Maximumwert im Überladungsbereich erreicht ist, wird die Spannung am ersten Eingang des Verstärkers 15 größer als die Spannung am zweiten Eingang, weil die Diode 18 ein Entladen des Kondensators 20 blockiert, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 15 fällt auf Erd— potential ab. (Es sei bemerkt, daß das Entladen des Kon- ■ densators 20 durch den ersten Eingang des Operationsverstärkers 15 durch die extrem hohe Eingangsimpedanz eines EET-Operationsverstärkers verhindert wird ). Da der Ausgang des Verstärkers 15 auf Erdpotential geht, schaltet der Transistor 10 ab und beendigt dadurch den zu der Batterie 12 fließenden Ladestrom. Zwischen-dem Ausgang des Operations-' Verstärkers 15 und Erde liegt eine aus einem Widerstand 23 und einer Lampe 24 bestehende Serienschaltung, um anzuzeigen, wann die Batterie 12 aufgeladen ist. Beim Verlöschen der Lampe ist der Ladevorgang beendet.

Zusammengefaßt? Der Kondensator 20 speichert den Maximalwert der Klemmenspannung der Batterie fortschreitend. Der Momentanwert der Klemmenspannung wird an den zweiten Eingang des Verstärkers 15 gelegt, wo er mit dem gespeicherten Maximumwert, der am ersten Eingang anliegt, verglichen wird. Fällt der augenblickliche. Wert unter den gespeicherten Maximalwert, beendigt der Verstärker 15 das Auf laden der Batterie durch den Transistor 10.

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Der Transistor 10 hat zwei Funktionen: er dient einmal als Schalter zum Beendigen 'des Aufladens der Batterie 12, _ wenn ein voll geladener Zustand erfaßt wird; andererseits dient er als Ladestromquelle für die Batterie 12, indem die Spannungsquelle an die Klemme 11 geschaltet ist. In der letztgenannten Funktion steuert der Transistor 10 den Ladestrom in vorteilhafter V/eise« Für den größten Teil des Ladeintervalls (Fig. 1), die anfängliche Periode steilen Anstiegs und der konstante Teil, bei dem die Klemmenspannung der Batterie langsam ansteigt, dient der Transistor 10 dazu, der Batterie 12 einen annähernd konstanten Strom zuzuführen. Am Ende des Ladeintervails, " (Fig. 1)der Periode steilen Anstiegs der Klemmenspannung vor dem Erreichen des Maximumwertes, fällt der von dem Transistor 10 der Batterie 12 zugefüiirte Strom aufgrund des Anstiegs der Klemmenspannung der Batterie etwas ab, beispielsweise von 1,2 A' auf 0,9 A, in. Vorwegnahme der Beendigung des Ladevorgrangs. Dieser Stromabfall vermindert weiterhin die Wahrscheinlichkeit, daß die Batterie aufgrund von Überladung beschädigt wird.

Um nach dem Erreichen des vollen Ladezustandes der Batterie eine kleine Erhaltungsladung für die Batterie 12 aufrechtzuerhalten, würde ein V/iderstand zwischen die Klemme 11 und die Basis des Transistors 10 geschaltet v/erden, um die Basis auf ein positives Potential anzuheben, nachdem der Ausgang des Verstärkers 15 auf Erde gelegt ist.

Typische Bauteilewerte und -arten für die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung sind: Transistor 10 - Typ 2N3055; Operationsverstärker 15 - National Semiconductor LM0022H; Diode 18 - Typ 1M001; Kondensator 20 - 1000 uF; Widerstand 15 - 2000 Ohm; V/iderstand 16 - 1000 Ohm; iiderstand 19 10 Kilo-Ohm; Widerstand 23 - 2 Kiloohm und Potentiometer 22-500 Kilo-Ohm. "

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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Zustand einer voll aufgeladenen Batterie auf digitale Weise .Weise erfaßt. Der Ausgang einer Ladestromquelle 29 ist über einen normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 30 und einen kleinen Widerstand 31 an eine aufzuladende. Batterie 33 geschaltet. Die Klemmenspannung der Batterie wird einem ersten Eingang eines Vergleichers 34 und eines Vergleichers 35 zugeführt. Der Ausgang des Vergleichers ist an eine Schaltersteuerung, wie beispielsweise eine Relaisspule, geschaltet, um den Schalterkontakt 32 zu öffnen und einen·Schalterkontakt 30 zu schließen. Letztere? ist über einen kleinen Widerstand 31 an die Batterie 33 gekoppelt. Der Ausgang des Vergleichers 34 ist an den Steuereingang eines geprüften Oszillators 38 gekoppelt. Der Oszillator 38 treibt einen Binärzähler 39· Ein Digital/Analag-Wandler (DAC) 40 wandelt den in dem Zähler 39 vorhandenen binären Zählerstand in ein analoges Signal um, welches, an einen zweiten Eingang der Vergleicher 34- und 35 gelegt wird. Der Ausgang eines periodischen Impulsgenerators 41 ,der pro Minute ein oder zwei Impulse erzeugt, wird an einen Rücksetzeingang des Zählers 39 geführt. Wenn der erste Eingang des Vergleichers 34 um einen bestimmten Betrag größer ist als sein zweiter Eingang» beispielsweise um 10 mV/Zelle der Batterie, so wird sein Ausgang aktiviert. ^:./enn der erste Eingang des Vergleichers 34 nicht um diesen genannten Betrag größer ist als der zv/eite Eingang, so wird der Ausgang nicht aktiviert. Der Oszillator 38 erzeugt nur ■ dann Schwingungen, \ienn sein Steuereingang durch den Ausgang des Vergleichers 34 erregt ist. Der Zähler 39 zählt die S_clwingungen des Oszillators 38. Wenn" der erste Eingang des Vergleichers 35 größer ist als sein zweiter Eingang," wird der Ausgang aktiviert. Wenn sein zweiter Eingang größer ist als der erste Eingang, wird der Ausgang nicht erregt.

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Die obenerläuterte Anordnung arbeitet wie folgt: Wenn die Batterie-33 an die in Fig. 3 dargestellte Lade- und Ladesteuerschaltung angeschlossen wird, wird der Ausgang des Vergleichers 35 erregt, und es wird ein rascher oder schneller Ladestrom von der Quelle 29 über den Schaltkontakt 30 an die Batterie 33 gelegt. Die Stärke des Ladestroms bestimmt sich durch den Wert des Widerstandes 31. Der Ausgang des Vergleichers 34 bleibt erregt, und der Oszillator 38 treibt den Zähler 39, bis der Ausgang des Wandlers 40 gleich ist der Klemmenspannung der Batterie 33» abzüglich eines vorgegebenen Wertes. Wenn somit die Batterie 33 aufgeladen wird und ihre Klemmenspannung ansteigt, folgt der in dem Zähler 39 ermittelte Zählerstand der Klemmenspannung der Batterie 33» Fällt die Klemmenspannung der Batterie. 33 um mehr als den vorgegebenen Betrag nach Erreichen des Maximumwertes, so wird, der Ausgang des Vergleichers 35 inaktiviert, um die Schaltersteuerung 36 freizugeben, wodurch der Schalterkontakt 32 geschlossen wird. Dies hat zur Folge, daß ein kleiner Lade-Erhaltungsstrom an die Batterie 33 gelangt. Die Stromstärke bestimmt sich durch den Wert des Wider Standes 37· Der impulsgenerator 4-1 setzt den Zähler 39 ein oder zweimal pro Minute zurück, um zu verhindern, daß der Zähler 39 möglicherweise infolge von Rauschen einen Zählerstand erhält, der größer ist als der Maximumwert der Batterie 33, wodurch eine Beendigung des raschen oder schnellen Ausladens bei Erreichen des vollen Ladezustandes verhindert würde.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dienen der Vergleicher 34, der Oszillator 38, der Zähler 39, der Wandler 40 und der Impulsgenerator 4-1 zum Speichern des Spannungs-Maximums der Batterie 33 entsprechend wie der Kondensator 20 bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2. Dar Vergleicher 35 erfüllt die Funktion des Operations-

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Verstärkers 15 am Ausführungsbeispiel in Fig. 2. Die Schaltkontakte 32 und 50 erfüllen zusammen mit der Schalterstellung 36 die Lade-Beendigungsfunktion des Transistors 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.

Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele zeigen lediglich bevorzugte, beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts. Es sind jedoch im Rahmen der Erfindung zahlreiche Modifikationen möglich. So beispielsweise könnte der Spitzenspannungswert der Batterie durch ein Differenzierglied und einen Nulldurcligangsdetektor erfaßt werden^ oder aber die Erfindung könnte mit einem Mikroprozessor realisiert werden. Das erfindungsgemäße Erfassen der Spitzen- oder Maximumspannung könnte mit dem Erfassen oder Fühlen anderer für das Aufladen maßgeblicher Parameter kombiniert werden, um den Aufladevorgang zu beendigen; es wurde jedoch gefunden, daß dies nicht notwendig ist, um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden. V/eiterhin kann die Erfindung bei Ladevorgängen mit beliebiger Geschwindigkeit, langsam oder schnell, angewendet werden, obschon sich die Vorteile der Erfindung am besten beim raschen oder schnellen Aufladen zeigen. Es vjurde eine Vielzahl von Nickel-Kadmium-Batterien mit einfacher G-Geschwindigkeit unter Verwendung der Erfindung aufgeladen, ohne daß Beschädigungen auftreten. V/eiterhin wurden einige Batterien mit zweifacher oder dreifacher C— Geschwindigkeit unter Verwendung der Erfindung aufgeladenj bei dieser höheren Geschwindigkeit wurde ebenfalls keine Beschädigung einer Batterie festgestellt. Es wird angenommen, daß wesentlich höhere Aufladegeschv/indigkeiten, beispielsweise bis zur zehnfachen (/-Geschwindigkeit oder mehr möglich sind, ohne daß eine Beschädigung einer Batterie eintritt .

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Es ist bekannt, daß Nickel-Kadmium-Batterien einen Speicher- oder Gedächtniseffekt zeigen, wenn sie unter gleichen Bedingungen wiederholt aufgeladen und entladenwerden. Die Erfindung macht sozusagen jeden Gedächtniseffekt, der sich in einer Nickel-Kadmium-Batterie ausbilden kann, zunichte. Hierdurch ist es möglich, daß Batterien, die als"verbraucht" abgelegt wurden, aufgefrischt werden und ihre ursprüngliche Ladekapazität wieder erhalten.

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Leerseite

Claims

DdHERNAT-OPU-PHYS.

P. H. JAKOB

OPL-ING

Earnest Richard Taylor 8 München

MAXIMIUANSTRASSE 4.3

2790 Sycamore Rosamond California 93560, USA

Patentansprüche

26. Febr. 1979 57/Hä

( 1 y/Verfahren zum Aufladen einer geschlossenen Hickelitadmium-Batterie, deren Spannungs-Ladungs-Kennlinie in Überladungsbereich ein einzelnes Spannungsmaxi:.ium aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte;

Anlegen eines Ladestroms an die Batterie, während die-Klemmenspannung der Batterie erfaßt wird, und

Beendigen oder wesentlich Reduzieren des Ladestroms 5 wenn die Klemmenspannung der Batterie das Spannungsmaximum erreicht, und zwar ungeachtet anderer Bat t e r i ep ar ame t e r.

2«. Verfahren zum Aufladen einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie 5 gekennzeichnet durch die Schritte;

Anlegen eines Ladestroms an die Batterie, Überwachen der Klemmenspannung der Batterie und Beendigen oder wesentlich Reduzieren des Ladestroms, wenn die Klemmenspannung der Batterie zu fallen beginnt»

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3- Verfahren zum Aufladen einer geschlossenen Nickel-Kadmium-Batterie, deren Spannungs-Ladungs-Kennlinie im Überladungsbereich ein einzelnes Spannungsmaximum aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:

Anlegen eines raschen oder schnellen Ladestroms an die Batterie,

Überwachen der Klemmenspannung der Batterie, Erfassen eines Abfalls der überwachten Klemmenspannung bezogen auf den Maximalwert der überwachten Klemmenspannung während des Zuführens des Ladestroms und

Beendigen oder wesentlich Reduzieren des Ladestroms, xtfenn der Abfall der überwachten Klemmenspannung erfaßt wird.

4·. Elektrisches Energie-Speichersystem, gekennzeichnet durch

eine geschlossene Mckel-Kadmium-Batterie (12) mit einer Klemmenspannung,
■ eine Ladestromquelle (11),

eine abtrennbare Einrichtung (10; JO,32) zum Anlegen eines hohen Ladestroms von der Quelle an die Batterie,

eine Einrichtung zum fortlaufenden Speichern des erreichten Maximumwertes der Klemmenspannung,

einen Vergleicher (15; 34·, 35) zum Vergleichen eines gespeicherten Maximumwertes mit dem Momentanwert der Klemmenspannung und

eine auf den Vergleicher ansprechende Einrichtung zum Abtrennen der Einrichtung zum Anlegen des Ladestroms, wenn der Momentamtfert der Klemmenspannung kleiner ist als der gespeicherte Maximalwert der Klemmenspannung.

5. System nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anschalteinrichtung (16;37) vorgesehen ist, um der Batterie von der Quelle einen kleinen Erhaltungs-Ladestrom zuzuführen, und daß eine auf den

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Vergleichen? ■ ansprechende Einrichtung vorgesehen ist, um die Einrichtung zum Zuführen eines "kleinen Stroms anzuschalten, wenn die Einrichtung zum Zuführen des hohen Stroms abgetrennt wird.-

6* System nach Anspruch 4, dadurch ge kenn zeichnet, daß die Speichereinrichtung eine zu der Batterie (12) parallelgeschaltete, aus einer Diode (18) und einem Kondensator (20) bestehende Serienschaltung umfaßt, wobei die Diode derart gepolt ist, daß sie den Batteriestrom zu dem Kondensator leitet, und daß 'der Vergleicher ein Komparatorelement (15) aufweist, mit einem ersten Eingang, welcher an den Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator geschaltet ist und dessen zweiter Eingang an eine Klemme der Batterie geschaltet ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein normalerweise geöffneter, von Hand betätigbarer Entladeschalter (21) dem Kondensator (20) parallelgeschaltet ist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang des Komparators höher eingestellt ist als der erste Eingang des Komparators.

9« System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung einen gepulsten Oszillator (38) aufweist, sowie eine Einrichtung (39) zum Zählen der von dem Oszillator (38) abgegebenen Schwingungen, daß ein Wandler (40) vorgesehen ist zum Umwandeln der gezählten Schwingungen in ein Analogsignal, und daß eine Einrichtung (34) vorgesehen ist, den Oszillator solange zu betreiben, %rile das Analogsignal kleiner ist als die Klemmenspannung der Batterie, damit die gezählten Schwingungen dem Maximumwert der Klemmenspannung der Batterie folgen,

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und daß der Vergleicher eine Komparatoreinrichtung (35) umfaßt, deren erstem Eingang das Analogsignal zugeführt wird und deren zweitem Eingang die Klemmenspannung der Batterie zugeführt wird.

10. System nach Anspruch 9» dadurch gekenn ze ich net, daß der Zähler einen rücksetzbaren Binärzähler (39) umfaßt, und daß das System zusätzlich eine Einrichtung (4-1) zum periodischen Rücksetzen des Zählers (39) aufweist.

11. Ladevorrichtung für geschlossene Nicke I-Kadmium-Batte?· rien mit einer- Klemmenspannung, gekennzeichnet durch

eine Ladestromquelle,

eine abtrennbare Einrichtung zum Anlegen eines hohen Ladestroms von der Quelle an die Batterie,

eine Einrichtung zum fortlaufenden Speichern des erreichten Maximumwertes der Klemmenspannung,

einen Vergleicher zum Vergleichen des gespeicherten Maximalwertes mit dem Momentanwert der Klemmenspannung und .

eine auf den "Vergleicher ansprechende Einrichtung zum Abtrennen der Einrichtung zum Anlegen des Ladestroms, ■ wenn der Momentanwert der Klemmenspannung kleiner ist als der gespeicherte Maximumwert der Klemmenspannung.

12. Ladevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Speichereinrichtung eine zu der Batterie· (12) parallel geschaltete, aus einer Diode und einem Kondensator bestehende Serienschaltung umfaßt, wobei die Diode derart gepolt ist, daß sie Batteriestrom zu dem Kondensator leitet, und daß der Vergleicher eine Komparatoreinrichtung aufweist, deren erster Eingang an die Verbindungsstelle zwischen Diode und Kondensator geschaltet ist, während der zweite Eingang mit einer Klemme der Batterie verbunden ist. g_ö983₆,_07g3 .

13· Ladevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Speichereinrichtung einen gepulsten Oszillator aufweist, sowie eine Einrichtung zum Zählen der Schwingungen des Oszillators, daß ein Wandler zum Umwandeln der gezählten Schwingungen in ein Analogsignal vorgesehen ist, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Oszillator solange zu betreiben, wie das Analogsignal kleiner ist als die Klemmenspannung der Batterie, damit die gezählten Schwingungen dem Maximumwert der Klemmenspannung folgen können, und daß der Vergleicher ein Komparator©lernent aufweist, dessen erster Eingang das Analogsignal empfängt und dessen zweiter Eingang die Klemmenspannung der Batterie empfängt.

14·. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge "kennzeichnet , daß ein Ladestrom von annähernd dem einfachen C-Betrag angelegt wird.

15· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g.e k e η η zeichnet , daß ein Ladestrom nit einer Ladegeschwindigkeit von mehr als dem einfachen G-Betrag angelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ladestrom, mit einem Betrag zwischen dem einfachen C-Betrag usd der: dreifachen G-Betrag angelegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ladestrom von etwa dem einfachen C-Betrag angelegt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet·, daß ein Ladestrom mit einer Ladegeschwindigkeit von mehr als dem einfachen C-Betrag angelegt wird.

19· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η .-zeichnet , daß ein Ladestrom mit einer Geschwindigkeit zwischen einem einfachen und dem dreifachen C-Betrag angelegt wird.

S09B3S/07S3