DE2927721A1

DE2927721A1 - Verfahren zum laden eines akkumulators und ladegeraet zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2927721A1
Application number: DE19792927721
Authority: DE
Inventors: Ernst-Volker Ing Grad Linde; Dieter Petz
Original assignee: Ortopedia GmbH
Current assignee: Ortopedia GmbH
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1979-07-09
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FR2464587B3; NL8001838A; NO802053L; FR2464587A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind komplizierte Verfahren zum Laden von Akkumulatoren bekannt, durch die die Ladespannung entsprechend dem Ladezustand der Batterie elektronisch nachgeregelt wird, was zwar äußerst zuverlässig, jedoch aufwendig und damit teuer herstellebare elektrische Ladegeräte bedingt.

Es sind ferner Verfahren laut Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, wie nac- der sogenannten W-Kennlinie der Batterie arbeitende, d.h. von dem sich während des Ladens ändernden Innenwiderstand der Batterie abhängige Ladeverfahren bekannt, durch die nach einer fest vorgegebenen Zeit das Laden der Batterie selbsttätig unterbrochen wird.

Dieses bekannte Verfahren weist den Machteil auf, daß eine nur wenig entladene Batterie zu lange und bis über die Oasungsspannunp· geladen wird, bis die automatische Abschaltung erfolgt. Außerdem ist bei tiefstentladenen Batterien die fest vorgegebene Abschaltzeit so kurz, daß die Batterie nicht voll geladen wird. Dieses bekannte Ladeverfahren, welches bezüglich der Abschaltzeit auf durchschnittlich entladene Batterien ausgelegt ist, ist sowohl bei tiefstenladenen Batterien als auch nur gering entladenen Batterien deren Lebensdauer und Funktionsweise abträglich und ^pührt zur» vorzeitigen Ausfall der Batterie.

Die nach diesem bekannten Verfahren arbeitenden Ladeo-er'ite müssen ferner zum Laden von tiefstentladenen Batterien für große Ströme während der Anfangsladung ausgelegt sein, was diese Oe-

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rate in hohem Maß verteuert. Ferner führt das Laden einer nur schwach entladenen Batterie während einer fest vor^efebenen Zeitdauer zu einem unwirtschaftlichen Einsatz und einer Uneffektivität des Ladegeräts, da dieses die Batterie nur noch geringfügig und ans ich unerwünscht oberhalb der Ga sunfis spannung und damit (z. B. bei Bleiakkumulatoren) bei ca. 80%igem Ladezustand der Batterie lädt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein nach diesem arbeitendes Ladegerät vorzuschlagen, mit dem ohne komplizierte elektronische Spannungsnachregelung und ohne Überladung der Batterie dennoch ein ausreichender Ladungszustand unabhängig vom Entladungszustand der Batterie erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens- und des Vorrichtungshauptanspruches gelöst.

Erfindungsgemäß wird also nur eine Anfangsladung bis zum Erreichen der Gasungsspannung durchgeführt. Anschließend erfolgt edhe Nachladung, die in jedem Falle einen fest vorgegebenen zweiten Zeitraum andauert, so daß auch nur schwach entladene Batterien einen bestimmten.Grad an Nachladung erfahren. Wenn die Batterie jedoch defekt ist, und während der Anfangsladung Jt- die Gasungsspannung einerseits nicht erreicht wird, andererseits die Nachladung zu lange dauert, wird das Laden zu Ende eines vierten Zeitraumes, bezogen auf den Beg-inn der Anfangsladung abgebrochen. An den zweiten Zeitraum der Nachladung schließt sich im Regelfalle jedoch ein dritter Zeitraum an, währenddem die Batterie nachgeladen wird. Dieser dritte Zeitraum ist so bemessen, daß er etwa 1/2 des ersten Zeitraums der Anfangsladung beträgt. Infolgedessen ist einerseits sichergestellt, daß nach Erreichung der Oasungsspannunfr überhaupt

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eine Nachladung erfolgt, andererseits daß in diese Nachladung mittelbar über den Wert des ersten Zeitraums +' der Anfangsladung der Entladezustand der Batterie eingeht.

Dieser Verfahrensablauf hat den Vorteil zur Folpe, daß eine Überladung einer nur schwach entladenen Batterie nicht mehr stattfindet, andererseits ein zu geringes Laden von tiefstentladenen Batterien praktisch nicht auftritt.

Um zu verhindern, daß sich die Batterie nach Abschluß der Nachladung wieder entlädt, wirrd zu Ende des dritten Zeitraums zweckmäßig eine Erhaltungsladung der Batterie mit konstanter Spannung solange durchgeführt, wie die Batterie an dem Ladegerät angeschlossen ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird eine tiefstentladene Batterie vor der Anfangsladung zunächst mit einem begrenzten Strom siange aufgeladen (Tiefstladung) bis eine vorgegebene Spannung/ Zelle der Batterie erreicht ist, was zur Folge hat, daß die Batterie nicht mit unerwünscht hohen Strömen anfangsgeladen wird. Andererseits ergibt sich hierdurch eine Vereinfachung des Aufbaus des Ladegeräts, da dieses nicht für allzu große Ströme ausgelgt werden muß, ganz abgesehen davon,daß gewisse Ladegeräte nach dem Stand der Technik solche hohen Ströme abzugeben nicht in der Lage sind. In diesen Fällen wird bei zu großer Leistungsaufnahme aus dem Netz die Ladegerätesicherung ansprechen und das Gerät abschalten.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeich-

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nung dargestellten und näher erläuterten bevorzugten Ausführungsform. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm des Ladestroms über der Zeit;

FiR. 2 ein Diagramm des über der Zeit aufgetragenen Inhalts eines" Zählers;

Fig. 3 ein Blockdiagramm des Ladegeräts gemäß der Erfindung«

In Fig. 1 ist der zeitliehe Verlauf des Ladestroms beim Laden einer tiefstentladenen Batterie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. In einem ersten Zeitraum t~ wird die tiefstentladene Batterie mittels einen begrenzten Stromes solange aufgeladen, bis eine feste Spannung bei Bleiakkumulatoren Ij6 V/Zelle erreicht ist. Dann wird während eines ersten Zeitraumes t- die Anfangsladung der Batterie entsprechend dem sich beim Laden ändernden Innenwiderstand der Batterie bis zur Gasungsspannung z. B. 2 j 4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren durchgeführt. Mach der Anfangsladung beginnt der zweite und dritte Zeitraum der Nachladung. Hierbei v?ird zunächst während des fest vorgegebenen Zeitraums t„ nachgeladen. Daran schließt ein zweiter Nachladezeitraum (tJ an j der ca. 1/2 des Zeitraums der vom jeweiligen Ladezustand der Batterie abhängigen, unterschiedlichen Anfangsladedauer beträgt.Danach schließt sich eine Erhaltungsladung mit einer konstanten Spannung von z. B. 2_S25 V/Zelle der Bleiakkumulatoren bei gleichzeitig begrenztem Maximalstrom von z. B. 5-10 mA/Ah bei Bleiakkus . für einen unbestimmten Zeitraum,d. h« solange, wie die Batterie an dem Ladegerät angeschlossen ist, an.

Die Tiefstladung während des Zeitraums t„ erfolgt jedoch nur vor der Anfangsladung dann, wenn eine Spannung von z. B. 1,6 V/ Zelle bei Bleiakkumulatoren bei der zu ladenden Batterie unterschritten wird.

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In jedem Falle wird nach einem vierten Zeitraum, gerechnet vom Beginn der Anfangsladung, das Laden der Batterie abgebrochen. Dies kann dann geschehen, wenn eine defekte (t_u) Batterie zu laden ist, die innerhalb des vierten Zeitraums eine feste Spannung (bei Bleiakkumulatoren ca. 2,') V/Zelle) nicht erreicht.

Zweckmäßig wird zur Steuerung des Verfahrensablaufs ein Zähler verwendet, der Impulse mit einer bestimmten Frequenz während des ersten Zeitraums t. zählt. Nach Erreichen der Gasungsspannung von z. B. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren wird der Zähler mit einer ca. zweifach häheren Frequenz rückwärts gezählt .bis der Speicherinhalt gleich Null ist. Während des Rückwärtszählens findet das Nachladen statt. Wenn der Speicherinhalt zu Null geworden ist, wird von der Nachladung auf die Erhaltungsladung umgeschaltet. Beispielsweise können die zu zählenden Impulse mit einerFrequenz von einem Impuls/Minute bzw. zwei Impulse/Minute abgegeben werden.

Wenn die Gasungsspannung von z. B. 2,h V/Zelle bei Bleiakkumulatoren nicht erreicht wird, zählt der Zähler nicht rückwärts, sondern so lange aufwärts, bis ein bestimmter Zählerinhalt erreicht ist, wonach der Ladevorgang abgeschaltet wird.

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Anhand von Fig. 3 wird nunmehr ein Ladegerät zur Durch-führung der beschriebenen Aufladung näher beschrieben.

Beim Einschalten des Gerätes bzw. beim An-schließen der Batterie wird die Batteriespannung mit einer internen Referenzspannung verglichen (Modul 5). Liegt dieser Wert unterhalb einer vorgegebenen Grenze (bei Bleiakkumulatoren z. B. < 1,6 V/Zelle), erkennt das Ladegerät die angeschlossene Batterie als tiefstentladen.

Die Batterie wird daher mit einem begrenzten Strom (Modul 3) so lange -geladen (Zeitraum t ) bis die Klemmenspannung den vorgegebenen Wert (z.B. bei Bleiakkumulatoren 1,6 V/Zelle) überschreitet.

Mit Erreichen dieses vorgegebenen Spannungswertes wird:

a) der Zählerinhalt eines Aufwärts-/AbwährtsZählers (Modul U) auf einen vorprogrammierten Wert gesetzt (feste Nachladezeit t„) und

b) ein Takt von z. B. 1 Impuls/Minute an den Aufwärts-/Abwä-rtszähler freigegeben (Modul 2),

c) die Zählrichtung "Aufwärts" eingeschaltet und

d) beim Zählerinhalt = 1 der Ladestrom eingeschaltet.

Solange der Zählerinhalt Φ 0 ist, wird die angeschlossene Batterie geladen.

Beim Erreichen eines oberen Spannungswertes i.d.R. der Gasungsa

spVinung z. B. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren, wird einerseits die Zährichtung "Abwärts" eingeschaltet (Modul 4-+ 5 ) und außerdem ein ca. zweimal schnellerer Takt an den Zähler geschaltet, so daß der Zählerinhalt in der halben Zeit ausgespeichert wird ( -ψ——).

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Mit Erreichen des Zählerstandes = 0 ist die Nachladephase (t2 + t3) beendet.

Bei defekten bzw. antimonvergifteten Batterien wird häufig der obere Spannungswert (z.B. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) nicht erreicht, so daß die Znhlrichtung "Aufwärts" eingeschaltet bleibt. Dies hat nach der Zeit t + η (t ) zur Folge, daß beim Erreichen eines vorgegebenen, maximalen Zählerstandes weitere Taktsignale an den Zähler gestoppt werden und andererseits der Ladevorgang zwangsweise abgebrochen wird.

Wurde der obere Spannungswert (z. B. 2,'f V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) erreicht und ist der Zählerinhalt = 0 (Machladephase t 2 + t 3 beendet), erkennt das Gerät die Batterie als geladen und die Erhaltungsladung (Konstantspannung aus Modul 3) ist an der Batterie wirksam.

Modul 1 besteht aus einem Netztrafo mit nachgeschaltetem Selengleic" richter in Brückenschaltung.

Modul 2 enthält eine Impuliiaufbereitung, in der die Netzfrequenz zu Rechteckimpulsen geformt wird.

Der nachgeschaltete Teiler teilt die Netzfreqienz, so daß an seinen Ausgängen drei verschiedene Takte zur Verfügung stehen, nämlich:

a) I Impuls/min.

b) 2 Impuls/min.

c) 6 0 Impuls/min.

Modul 3 enthält ein IC, in dem die Konstantspannung für die Erhaltunpsladung und, nach Stromverstärkung mit einem Leistungstransistor, der begrenzte Strom für die Tiefstladephase t_ erzeugt wird. Außerdem ist darin eine Erkennungsschaltung enthalten, mit deren Hilfe die Anzeige der Leuchtdioden bei nicht angeschlossener Batterie unterdrückt jwird.

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Modul 4 enthält einen AUfwärts-/Abwürtszähler, dessen jeweiliger Zählerinhalt sich proportional zur Ladezeit bzw. restlichen Machladezeit verhält. Der Zähler zählt aufwärts mit z. B. 1 Impuls/min, sobald ein unterer Spannungswert (z.B. 1,6 V/ZeIIe bei Bleiakkumulatoren) überschritten ist, und zählt abwärts mit ca. 2 Impuls/min, wenn ein oberer Spannungswert (z. B. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) erreicht wird.

Die feste Nachladezeit t„ wird beim Überschreiten des unteren Spannungswertes (z. B. 1,6 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) in den Zähler programmiert.

Bei Nichterreichen des oberen Spannungswertes (z. B. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) zählt der Zähler so lange aufwärts, bis ein festgelegter, maximaler Zählinhalt erreicht istund das Laden zwanr.s weise abbricht (Sicherheits—schaltung).

Modul 5 beinhaltet zwei Spannungskomaratoren, mit deren Hilfe das Überschreiten des unteren bzw. oberen Spannungswertes der Batterie erfaßt wird.

Modul R enthält eine Anzeigelogik und Leuchtdioden mit folgender Bedeutung: ^

rot, 1 Hz Bling ^ Tiefstladung bzw. tu überschritten

rot, Dauerlicht ^ Laden (ti)

gelb, Dauerlicht ^ Nachladen (t2 + t3)

grün, Dauerlicht z"=* Erhaltungsladung

ο keine Anzeige "=* Netz nicht angeschlossen bzw. ^D Batterie nicht angeschlossen

^ Ein Modul 7 dient dazu, bei falscher Polung der Batterie mit ^D Hilfe einer Leistungsdiode einen Sekundär-Sicherun^sautomat J auszulösen.

Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder j τι Kombination ,gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

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BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Laden eines Akkumulators, p;ep;ebenenfalls mit mehreren ZeIlen,_ insbesondere für Rollstühle, wobei eine Anfangsbatterieladunp; durchgeführt wird, bei der sich der Strom in Abhängigkeit von dem sich während der Ladung ändernden Innenwiderstand der Batterie ändert und das Laden selbsttätig unterbrochen wird, dadurch ρ e k e η η zeichnet, daß die Anfanrsladung während eines ersten Zeitraums (t...) bis zum Erreichen der Hasunpsspannun^ (ca. 2,4 V Zelle bei Bleiakkumulator) durchgeführt wird und daß anschließe eine Nachladung der Batterie erfolgt, die wenigstens einen

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fest vorgegebenen zweiten Zeitraum (t_o), höchstens jedoch bis zu Ende eines vierten Zeitraums (t_u) andauert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritten Zeitraum (t„ + t_) unter Berücksichtigung von t so bemessen wird, daß eine ca. <30%ige Aufladung der Batterie erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Zeitrum ca. 0,5 h beträft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch g e k e η η-zeichnet , daß nach dem zweitenf"Tt„) die Batterie während eines dritten Zeitraums (t~) proportional - z. B. im Verhältnis 2:1 - zur Anfane:sladung t., nachgeladen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch g e k e η η-zeichnet , daß zu Ende des dritten Zeitraums eine Erhaltungsladung mit konstanter Spannung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erhaltungsladung der maximale Ladungsstrom begrenzt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch g e k e η nze ichnet, daß bei tiefstentladener Batterie diese vor der Anfangsladung zunächst mit einem begrenzten Strom solange (t_Q) aufgeladen wird (Tiefstladung), bis eine vorgegebene Spannung/Zelle erreicht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefstladung nur unterhalb einer festen Spannung (bei Bleiakkumulatoren z.B. 1,6 V/Zelle ) erfolgt.

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9. Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8, ge k e η η ζ ei c h rv-e-t d u r c h

a) einen Aufwärrs-/Abwärtszähler (Modul 4), dessen jeweiliger Zählerinhalt sich proportional zur Ladezeit bzw. restlichen Nachladezeit verhält, wobei der Zähler nach Überschreitung eines unteren Spannungswertes(ζ.B. 1,6 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) bis zum Erreichen eines oberen Spannungswertes, z.B. der Gasungsspannung (ca. 2,4 V/Zelle bei Bleiakkumulatoren) der Batterie aufwärts zählt, um dann wieder abwärts zu zählen mit einer Frequenz, die abhängig ist von der Zählzeit bzw. der Anzahl von Impulsen bis zum Erreichen der Gasungsspannung und

b) zwei Spannungskomparatoren (Modul 5) mit deren Hilf-e das Überschreiten des unteren Spannungswertes und das Erreichen des oberen Spannungswertes bzw. der Gas-ungsspannung der Batterie erfaßbar sind.
10. Ladegerät nach Anspruch 9, dadurch ?. e k e η η ζ e i c h-

n et, daß eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen ist, die bei Nichterreichen der Gasungsspannung bzw. des oberen Spannungswertes, d. h. bei Aufwärtszählung des Zählers bis zu einem festgelegten, maximalen Zählinhalt des Zählers das Laden unterbricht .
11. Ladegerät nach Anspruch 9 öder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (Modul 3) zur Lieferung einer konstanten Spannung für die Erhaltungsladung vorgesehen is^J
12. Ladegerät nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Frequenz bzw. der Zähltakt beim Abwärtszählen doppelt so groß ist wie beim Aufwärtszählen, so daß der Zählerinhalt in der halben Zeit ausspeicherbar ist.

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