DE3308515A1

DE3308515A1 - Vorrichtung zum laden von akkumulatoren

Info

Publication number: DE3308515A1
Application number: DE19833308515
Authority: DE
Inventors: Thomas 35248 Växjö Nordh; Thomas 35590 Växjö Svensson
Original assignee: SVENSKA TRANSDUKTOR AB
Current assignee: SVENSKA TRANSDUKTOR AB
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1983-03-10
Publication date: 1983-09-15
Also published as: SE8201536L; GB2120472A; SE430192B; GB8306563D0

Description

COHAUSZ & FLORACK

PATENTANWALTS BÜRO SCIlUMAN NKTK. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1

Melon inyil) (jtjxxifi Tolex 08586513 rope]

PATENTANWÄLTE
Dipr.-Ing. W. OOHAUSZ ■ Dipl.-Ing. R KNAUF - Dipl-In.j H. B. COHAUSZ ■ Dip!-Ing D H. WERNER

Verfahren und Einrichtung zum Laden von Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren bei Verwendung einer Ladestromquelle, deren Ladestrom mit steigender Akkumulatorspannung abnimmt, sowie eine Einrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens.

Beim Laden von Akkumulatoren ist es von höchster Wichtigkeit, daß das Laden im richtigen Zeitpunkt abgebrochen wird, nämlich, wenn der Akkumulator voll geladen ist, also er weder überladen, noch unterladen ist. Ein Unterladen muß vermieden werden, weil das zur Sulphatierung des Akkumulators führt.

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Ebenso wichtig ist es, ein übermäßiges oder länger andauerndes Überladen zu vermeiden, da das zu einer starken Gasentwicklung führt, die schließlich den Akkumulator schädigen kann.
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Akkumulatoren werden in sehr vielen Fällen von einer Ladestromquelle geladen, die eine sogenannte W-Charakteristik hat, d.h. eine fallende Strom-Spannungs-Charakteristik, die einen Ladestrom erzeugt, der mit ansteigender Akkumulator-Spannung abfällt. Eine solche Ladequelle ist einfach und billig und kann beispielsweise einen an ein WecheIstromnetz angeschlossenen Streuflußtransformator mit anschließendem Gleichrichter aufweisen. Ein ernster Nachteil einer solchen Stromquelle ist jedoch, daß der Ladestrom und die Ladespannung stark beeinflußt werden von Spannungsschwankungen in Netz.

Die einfachste Art des Ladens eines Akkumulators ist, das Laden für eine bestimmte Zeitdauer durchzuführen. Das gibt aber natürlich keinerlei Sicherheit, daß der Akkumulator nicht unter- oder überladen wird, da die Ladezeit lediglich gewählt wird entsprechend einer Annahme des Originalzustandes der Ladung des Akkumulators.

Infolgedessen benutzt man beim Laden große Akkumulatoren, wie sie z.B. für elektrisch betriebene Fahrzeuge benutzt werden, Ladeverfahren mit sogenannter WA-Charakteristik. Bei dieser Lademethode wird die Ladespannung, d.h. die am Akkumulator anliegende Spannung, gemessen und das Laden als sogenanntes Hauptladen durchgeführt, bis die Akkumulatorspannung einen vorbestimmten Wert erreicht hat, der in der Regel bei 2,4 V je Zelle liegt und als der Spannungswert angesehen wird, bei dem der Akkumulator zu gasen beginnt. Das Laden wird dann als sogenanntes zusätzliches Laden für eine vorbestimmte Zeitdauer weiter-

geführt. Es ist jedoch klar, daß dieses Verfahren ebenso wenig geeignet ist, eine ausreichende Sicherheit zu geben, daß der Akkumulator völlig geladen ist oder daß er nicht einem schädlichen überladen ausgesetzt worden ist, wenn das Laden beendet wird, wenn die vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Infolgedessen hat man, um in dieser Beziehung eine weitere Verbesserung zu erzielen, eine Ladevorrichtung entwickelt, in der das vorgenannte zusätzliche Laden des Akkumulators nicht beendet wird, bevor festgestellt ist, daß Ladespannung oder Ladestrom einen im wesentlichen konstanten Wert angenommen haben, bei dem der Akkumulator als voll geladen angesehen werden kann. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist jedoch im Betrieb unbefriedigend, da sowohl die Ladespannung als auch der Ladestrom während der Endphase des Akkumulator-Ladens sehr langsam schwanken und es daher schwierig ist, mit ausreichender Genauigkeit festzustellen, ob die Ladespannung oder der Ladestrom einen konstanten Wert erreicht hat oder nicht. Das gilt insbesondere, wenn eine Ladestromquelle der vorgenannten Art benutzt wird, da dabei der Ladestrom und die Ladespannung stark beeinflußt werden durch alle Schwankungen, die im Stromnetzt auftreten können. Um diesen Nachteil zu überwinden sind Ladevorrichtungen geschaffen worden zum automatischen Kompensieren von Schwankungen im Stromnetz, so daß die Ladespannung und der Ladestrom durch solche Schwankungen weniger beeinflußt werden. Das ist jedoch teuer und es ist im Betrieb schwierig, das mit ausreichender Genauigkeit zu erreichen.

In beiden vorgenannten Akkumulator-Lade-Verfahren mit WA-Charakteristik kann ein weiterer Schritt angewandt werden, nach dem die Ladestromquelle nach Ablauf der sogenannten Hauptladeperiode und vor der sogenannten zusätzlichen Ladeperiode auf einen niedrigeren Wert

umgeschaltet wird, eine sogenannte WOWA-Charakteristik. Dabei wird während des letzten Teils des Ladeverfahrens ein niedrigerer Ladestrom als sonst benutzt. Es gibt aber grundsätzlich keine zusätzliche Möglichkeit, den Ladevorgang im richtigen Augenblick mit ausreichender Genauigkeit zu unterbrechen, d. h. wenn der Akkumulator voll geladen, aber nicht überladen worden ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher,ein Verfahren zum "Ό Laden von Akkumulatoren zu schaffen, so daß der Akkumulator mit einem hohen Grad von Zuverlässigkeit und Genauigkeit voll geladen wird, ohne daß er unterladen oder überladen wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zum Ausüben eines solchen Verfahrens.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den typischen Verlauf des Ladestroms und der Ladespannung beim Laden eines Akkumulators zeigt, wenn die LadestromgueHe eine fallende Strom-Spannungscharakteristik hat,

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Einrichtung gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt ein typisches Beispiel der Änderung der Ladespannung V und des Ladestroms I als Funktion der Zeit t während des Ladens eines Akkumulators. Die Spannung V ist in Volt/Zelle gegeben, während der Strom in Ampere gegeben ist. Wie man sieht, ändern sich die Spannung V und der Strom I im letzten Teil des Ladevorganges, wenn der Akkumulator

-ΙΟΙ voll geladen ist, sehr langsam. Infolgedessen ist es äußerst schwierig zu bestimmen, wann das Laden abzubrechen ist, damit der Akkumulator weder unterladen noch überladen wird, wenn man versucht zu ermitteln, wann die Ladespannung oder der Ladestrom einen praktisch konstanten Wert angenommen haben. Das gilt insbesondere im Betrieb, da sowohl der Ladestrom als auch die Ladespannung erheblich schwanken können entsprechend Schwankungen in dem die Vorrichtung speisenden Netz, insbesondere, wenn als Stromquelle ein einfacher Streuflußtransformator mit nachfolgendem Gleichrichter benutzt wird, die nicht mit besonderen Mitteln versehen sind zum Kompensieren von Variationen im Netz. Daher bleibt dann, wenn eine ungefähr konstante Ladespannung oder ein ungefähr konstanter Ladestrom als Entscheidungskriterium für ein vollständiges Laden benutzt wird, eine erhebliche Unsicherheit, die dazu führen kann, daß der Akkumulator unter- oder überladen wird.

Es wird angenommen, daß das obere "Knie" in der Ladespannungskurve im wesentlichen dem Zeitpunkt entspricht, in dem der Wert des dem Akkumulator zugeführten Stroms, die Anzahl der Amperestunden, gleich dem Werte des Stroms ist, der dem Akkumulator entnommen werden soll. Es ist jedoch erwünscht, das Laden des Akkumulators über diesen Punkt hinaus fortzusetzen, um eine gleichmäßige Ladung in den verschiedenen Akkumulatorzellen zu erreichen.

Um die vorgenannten Nachteile, wie sie bei den bisher üblichen Lademethoden sind, zu vermeiden, wird bei Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung der Ladestrom I kontinuierlich gemessen und der erreichte Stromwert von Beginn des Ladevorgangs an integriert, so daß die Gesamt— anzahl der dem Akkumulator vom Ladebeginn an zugeführten Amperestunden zu jedem Zeitpunkt des Ladevorgangs bekannt

ist. Die Ladespannung V wird ebenfalls gemessen und ihr Änderungsbetrag wird bestimmt auf der Basis dieses Messens. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Werte der Ladespannung zu bestimmten auf- einanderfolgenden Zeitpunkten, beispielsweise in Intervallen von 10 oder 20 Minuten, gemessen werden. Auf diese Weise wird der Maximalwert der Änderung der Ladespannung V festgestellt, der an der steilsten Stelle der Spannungskurve V, etwa im Zeitpunkt T1 auftritt. IO

Wenn dieser Maximalwert der Änderung der Ladespannung V erreicht ist, wird das Messen der Ladespannung fortgesetzt und ihre Änderung bestimmt, bis der Wert der Änderung auf einen vorbestimmten Prozentsatz des vorher festgestellten Maximalwerts gefallen ist. Dieser Prozentsatz kann in der Größenordnung von etwa 25 bis 60%, vorzugsweise bei etwa 40 bis 50% liegen und wird aufgrund früherer Erfahrung so gewählt, daß er dem oberen "Knie" der Spannungskurve V entspricht. Dieser Zeitpunkt ist in Fig. 1 mit T2 bezeichnet. Diese Bestimmung des Maximums der Änderung der Ladespannung V und des Punktes, an dem der Wert der Ladespannung auf einen Prozentsatz von etwa 40 bis 60% des Maximalwerts abgefallen ist, kann verhältnismäßig genau erfolgen, da das Maß der Änderung der Ladespannung während dieses Teils des Ladevorganges noch verhältnismäßig hoch ist. Dadurch, daß man auf diese Weise den Zeitpunkt T2 bestimmt, hat man auch den Zeitpunkt bestimmt, an dem der Akkumulator als mit im wesentlichen der gleichen Strommenge geladen ist, d.h. derselben Anzahl von Amperestunden, die voraussichtlich der Batterie entnommen werden.

Gemäß der Erfindung wird dann das Laden des Akkumulators fortgesetzt, bis eine zusätzliche Anzahl von Amperestunden,

die einem vorbestimmten Prozentsatz der dem Akkumulator vom Beginn des Ladens bis zum Zeitpunkt T2 zugeführt wurden, nach Erreichen dieses Zeitpunkts T2 der Batterie zugeführt sind. Dieser Prozentsatz kann in der Größenordnung von 5 bis 20% liegen und liegt vorzugsweise bei etwa 10 bis 15%; er ist so gewählt, um eine gleichmäßige Ladung der verschiedenen Zellen des Akkumulators in gewünschter Weise zu erreichen. Der Zeitpunkt, an dem dem Akkumulator diese zusätzlichen Amperestunden zugeführt worden sind, ist in der Fig. 1 mit T3 bezeichnet; beispielsweise kann das Laden an diesem Zeitpunkt beendet werden.

Mittels der Erfindung wird mit sehr viel größerer Sicherheit als bisher sichergestellt, daß der Akkumulator voll geladen wird, ohne daß ein Unter- oder überladen zu befürchten ist.

Vorzugsweise wird das Maß der Änderung der Ladespannung V erst bestimmt, wenn die Ladespannung einen Wert von etwa 2,3 bis 2,4 V/Zeile erreicht hat, da vorher die Schwankungen der Ladespannung extrem irregulär sind.

Wenn beim Ausüben der Erfindung gewünscht wird, die Größe des Ladestroms, wie es an sich bekannt ist, auf einen geringeren Wert abzusenken, nachdem der erste Abschnitt des Ladevorganges beendet ist, ist es zweckmäßig, das zur selben Zeit zu tun, als die Änderung der Ladespannung beispielsweise bei einer Ladespannung von 2,3 V/Zelle beginnt.

Wenn der Akkumulator in der vorgenannten Art geladen worden ist, kann er in bekannter Weise eine Kompensationsoder Puffer-Ladung erhalten, beispielsweise dadurch, daß die Ladestromquelle für eine kurze Zeit, beispielsweise

für zwei Minuten, nachdem die Akkumulatorspannung auf einen Wert von beispielsweise etwa 2,17 bis 2,20 V/gelle gefallen ist, wieder angeschlossen wird»

Die in Pig. 2 dargestellte Ladeeinrichtung besitzt Klemmen T zum Anschließen an ein Wechselstromnetz und Klemmen 2 zum Anschließen an den zu ladenden Akkumulator, Die Ladestromquelle umfaßt einenLeistungstransformator 3, beispielsweise einen Streuspannungstransforrriator _r an den ein Gleichrichter 3 angeschlossen ist und zwischen dem und dem Spannungsnetz ein automatischer Schalter 5 liegt. Die Ladeeinrichtung weist ferner einen Spannungsmesser 6 für die Netzspannung, einen Strommesser 7 für den Ladestrom und einen Spannungsmesser 8 für die Lade™ spannung oder die Akkumulatorspannung auf. Die Meßeinrichtungen 6, 7 und 8 sind im einzelnen mit Wechsel-· strom/Gleichstrom-ümformern 9, 10 und 11 verbunden,. die den Meßwerten entsprechende Digitalsignale an die Digital-Steuer- und Rechnereinheit 12 geben, die beispielsweise einen Mikroprozessor enthält.

Die Steuer- und Rechnereinheit 12 enthält einen Zeitmesser 13, der einen Rechner 14 und einen Rechner 15 steuert. Der Wert des Ladestroms wird von dem Strommesser 7 und dem Gleichrichter 10 dem Rechner 14 zugeführt, durch den dieser Wert so integriert wird, daß jederzeit die gesamten seit Beginn der Ladung zugeführten Amperestunden feststellbar sind. Der Wert der Ladespannung wird vom Spannungsmesser 8 und dem Gleichstrom/ Wechselstrom-Umformer 11 dem Rechner 15 zugeführt, der so ausgebildet ist, daß er die Änderung der Höhe der Ladespannung feststellt, wenn sie einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 2,5 V/Zelle, erreicht, z.B. durch Vergleichen des Wertes der Ladespannung in regelmäßigen Zeitintervallen. Auf diese Weise wird durch den Rechner

15 der Maximalwert der Änderung und auch die Zeit festgestellt, in der der Wert der Änderung der Ladespannung wieder auf einen vorbestimmten Prozentsatz, z.B. 40 bis 50% des Maximalwertes gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt, der in Fig. 1 mit T2 bezeichnet ist, liefert der Rechner 15 ein Signal an eine Schaltung 16, die ferner von dem Rechner 14 eine Information über die Gesamtzahl der seit Ladebeginn dem Akkumulator zugeführten Amperestunden erhält. Die Steuerschaltung 16 ist so ausgebildet, daß sie sicherstellt, daß der Akkumulator eine weitere Anzahl von Amperestunden erhält, nachdem im Zeitpunkt T2 das Signal des Rechners 15 eingegangen ist, wobei diese weitere Anzahl vom Amperestunden einen vorbestimmten Prozentsatz, beispielsweise etwa 10 bis 15% der Gesamtzahl der Amperestunden, betrifft, die zum Zeitpunkt T2 dem Akkumulator zugeführt worden sind. Sobald das stattgefunden hat, betätigt die Steuerschaltung 16 automatisch den automatischen Schalter 5, durch den der Spannungsanschluß des Transformators 3 unterbrochen und somit das Laden des Akkumulators beendet wird.

Der Spannungsmesser 6 und der Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer 9 beliefern auch den Spannungsrechner 15 mit Informationen über die Netzspannung, so daß dieser beim Berechnen des Wertes der Änderung der Ladespannung Änderungen der Netzspannung kompensieren kann. Dadurch kann der Wert der Änderung der Ladespannung mit einem hohen Maß von Genauigkeit berechnet werden. Die Steuer- und Rechnereinheit 12 besitzt Zähler 17, 18 und 19, die von dem Zeitmesser gesteuert werden und so ausgebildet sind, daß sie die Gesamtladezeit, die Hauptladezeit und die zusätzliche Ladezeit steuern können. Die Zähler und 19 werden ferner vom Rechner 16 so betätigt, daß

der Zähler 18 die sogenannte Hauptladezeit bis zu 35

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dem Zeitpunkt berechnet, an dem die Ladespannung einen Wert von beispielsweise 2,3 V/Zelle erreicht, während der Zähler 19 die nachfolgende sogenannte zusätzliche

Ladezeit berechnet. 5

Die Ladeeinrichtung weist ferner einen Bildschirm auf, dem Informationen von den Rechnern 14, 15 und Zählern 18, 19 zugeführt werden, so daß sie die Anzahl der zugeführten Amperestunden, den Wert der Ladespan- ^O nung, die Gesamtladezeit, die Hauptladezeit und die zusätzliche Ladezeit angibt. Selbstverständlich können auch noch andere Werte in dieserWeise angezeigt werden, z.B. die Größe des Ladestroms.

^ Die Ladeeinrichtung gemäß der Erfindung kann natürlich auch andere bekannte Komponenten und Funktionen aufweisen, beispielsweise Sicherungsvorrichtungen zum Unterbrechen des Ladevorganges, wenn beispielsweise an den

Akkumulatorzellen ein Kurzschluß entsteht. 20

Leerseite

Claims

PATENTANWALTS HÜ HO SCHUMANNSTR. 97 D-4000 DÜSSELDORF 1

Telefon (0? U) 6H 33 46 !«Im fllifiH f\b\3 cop d

PATENTANWÄLTE.
Dipi.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-Iny R KNAUF - Oipl Inq Il H r:OHAU&? Dipl.-Ing D H Wi RNI U

TO . Patentansprüche:

( iJVerfahren zum Laden eines Akkumulators bei Verwendung einer Ladestromquelle, deren Ladestrom mit steigernder Akkumulatorspannung sinkt, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Größe des Ladestroms von dem Zeitpunkt an, an dem das Laden beginnt, gemessen wird und der so erhaltene Wert so integriert wird, daß die Gesamtanzahl der während der jeweilig'verflossenen Ladeperiode gelieferten Amperestunden kontinuierlich bekannt ist,

- die Ladespannung gemessen und die Größe deren Änderung bestimmt wird,

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- der Maximalwert der Größe der Änderung der Spannung festgestellt wird,

- festgestellt wird, zu welchem Zeitpunkt die

Größe der Änderung der Ladespannung unter einen vorbestimmten Prozentsatz des genannten Maximalwerts fällt,

- das Laden von diesem Zeitpunkt an fortgesetzt wird, bis der Akkumulator mit einer weiteren Anzahl von Amperestunden geladen worden ist, die einen vorbestimmten Prozentsatz der Gesamtzahl der Amperestunden beträgt, die dem Akkumulator vor diesem Zeitpunkt zugeführt worden sind und dann das Laden des

Akkumulators unterbrochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der genannte vorbestimmte Prozentsatz des Maximalwerts der Änderung der Ladespannung in der Größenordnung von bis 60%, vorzugsweise bei 40 bis 50% liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte

Prozentsatz der Gesamtzahl der dem Akkumulator vor dem genannten Zeitpunkt zugeführten Amperestunden in der Größenordnung von 5 bis 20%, vorzugsweisebei 10 bis 15% liegt. 30
4. Verfahren nach einem der Ansprüche T bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Änderung der Größe der .Ladespannung erst beginnt, nachdem die Ladespannung einen Wert von etwa 2,3 bis 2,4 Volt je Zelle erreicht hat.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennz e i chnet, daß der Ladestrom auf einen niedrigeren Wert gesenkt wird, bevor mit der Bestimmung der Änderung der Größe der Ladespannung begonnen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d adurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung der Ladestromquelle gemessen und beim Bestimmen der Änderung des Wertes der Ladespannung jeder Effekt kompensiert wird, den Änderungen der Netzspannung haben können.
7. Einrichtung zum Laden von Akkumulatoren mit ei- ^5 ner Ladestromquelle, deren Ladestrom mit steigender Akkumulatorspannung absinkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Strommesser (7) für den Ladestrom, einen Spannungsmesser (8) für die Ladespannung und eine Steuer- und Rechnereinheit (12) aufweist, die von dem Strommesser (7) und dem Spannungsmesser (8) Meßwerte für den Ladestrom und die Ladespannung erhält, wobei die Steuer-

und Rechnereinheit (12) folgende Teile umfaßt: 25

einen Zeitmesser (13) für die Zeit, die vom Beginn des Ladevorganges vergeht,

einen Rechner (14), dem der gemessene Stromwert zugeführt wird und der von dem Zeitmesser (13) gesteuert wird, wobei der Rechner (14) die vom Beginn des Ladevorganges an den Akkumulator gelieferten Amperestunden insgesamt berechnet,

einen weiteren Rechner (15), dem der gemessene

-A-

Spannungswert zugeführt und der von dem Zeitmesser (13) gesteuert wird, wobei dieser Rechner (15) den Grad der Änderung der Ladespannung berechnet und deren Maximum sowie den Zeitpunkt feststellt, bei

·> dem der Grad der änderung der Ladespannung wieder auf einen vorgegebenen Prozentsatz des festgestellten Maximums abgefallen ist,

sowie eine Steuerschaltung (16) , die von den bei- *Ό den Rechnern (14, 15) angesteuert wird und die den Ladevorgang unterbricht, wenn die Amperestunden insgesamt, die an den Akkumulator nach dem vorgenannten, von dem Rechner (15) für den Spannungswert bestimmten Zeitpunkt geliefert werden, die vor dem genannten Zeitpunkt gelieferten Amperestunden um einen bestimmten Prozentsatz überschreiten.
8. Ladeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, daß der Rechner (15) für den Spannungswert die Berechnung der Änderung des Wertes der Ladespannung erst beginnt, wenn die Ladespannung einen vorgegebenen Wert erreicht

hat.
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9. Ladeeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a durch gekennzeichnet, daß der Rechner (15) für den Spannungswert die Änderung des Wertes der Ladespannung in aufeinanderfolgen-

■^ den regelmäßigen Intervallen vornimmt.
10. Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch einen Spannungsmesser für die Netzspannung, dessen Meßwert dem ^ weiteren Rechner (15) zugeführt wird, der zur

Kompensation von Änderungen in der Netzspannung bei der Berechnung der Änderungen des Lade-Spannungswertes eingerichtet ist.