DE3334851A1

DE3334851A1 - Verfahren und vorrichtung zum schnelladen von nicd-batterien

Info

Publication number: DE3334851A1
Application number: DE19833334851
Authority: DE
Inventors: August Dipl.-Ing. 1000 Berlin Erat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-09-27
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1985-04-11
Also published as: DE3334851C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schnelladen von NiCd-Batterien
Stand der Technik Die Erfindung geht von einem Verfahren nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung aus.
Es ist schon eine Ladeschaltung für Batterien, insbesondere NiCd-Batterien, bekannt (DE-OS 30 40 852), die das Abfallen der Batterieladekurve nach dem völligen Aufladen der Batterie zu Schaltzwecken ausnutzt, wobei während des Ladevorganges der jeweilige Wert der Ladespannung der Batterie gespeichert wird und der Speicher ein digitaler Speicher ist. Außerdem sind digitale Mittel vorhanden, die zum Annähern des im Speicher gespeicherten Wertes an die jeweilige Ladespannung der Batterie dienen, bis ein Maximum erreicht ist. Eine weiterhin vorgesehene Vergleichsanordnung vergleicht den Wert der augenblicklichen Ladespannung mit dem zuletzt im Speicher gespeicherten Wert. Eine derartige Schaltung hat den Nachteil, daß die Speicher- und Vergleichsmittel nur mit einem verhältnismäßig hohen Aufwand zu realisieren sind. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß die Abschaltung oder das Verringern des Ladestroms erst in dem abfallenden Bereich der Ladekurve stattfindet, das heißt in einem Bereich, in dem schon eine schädliche Oberladung der Batterie auftritt.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die NiCd-Batterien unabhängig vom jeweiligen Ladezustand der Batterie und unabhängig von der Batterietemperatur sowie von Exemplarstreuungen ohne die Gefahr einer Oberladung schnell geladen werden können.
In den Unteransprüchen sind Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 angegeben, die sich als vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen erwiesen haben. Besonders vorteilhaft läßt sich der Aufwand zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch vergleichsweise gering halten, daß der Gleichspannungs-Frequenz-Wandler ein spannungsgesteuerter Oszillator ist, dessen Eingang mit einem Pol der Batterie und dessen Ausgang mit einem Zähleingang eines elektronischen Vorwä.rts-Rückwärts-Zählers verbunden ist, daß eine elektronische Steuerschaltung mit einem Zeitkreis und einem Steuerkreis vorgesehen ist und daß die Steuerschaltung an einem ersten, mit einem zweiten Zählereingang verbundenen Ausgang ein Start-Stop-Signal und an einem mit einem dritten Zählereingang verbundenen Ausgang ein die Zählrichtung bestimmendes Signal und daß ein Ausgang des Zählers ein Schaltsignal für den Umschalter abgibt.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schnelladung von NiCd-Batterien, Fig. 2 eine Ladekurve mit einem für NiCd-Batterien charakteristischen Kurvenverlauf, Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Ladekurve im Bereich der Volladung der Batterie und Fig. 4 ein ausführlicheres Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Beschreibung der Erfindung Wie aus dem Kurvenverlauf nach Fig. 2 zu ersehen ist, nimmt die Batteriespannung UB beim Aufladen annähernd kontinuierlich zu, bis der Zustand der Volladung - vgl. Punkt V in Fig. 2 - erreicht ist. Im Idealfall sollte eine Vorrichtung zum Schnelladen von NiCd-Batterien den Schnelladestrom möglichst bei 100°Siger Ladung, das heißt im Punkte V, abschalten oder auf einen geringeren Ladestrom, das heißt einen Ladungserhaltungsstrom, umschalten. Gegebenenfalls kann die Abschaltung auch schon kurz vor der Volladung stattfinden, um zu verhindern, daß die Batterie überladen wird und damit Schaden durch Oberlastung erleidet.
Eine Vorrichtung, die diesen Anforderungen genügt, weist nach dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 eine Ladestromquelle 10 auf, die zum Beispiel aus dem Wechselstromnetz gespeist wird und einen konstanten Schnelladestrom IS sowie einen auerladestrom T (= Ladungserhaltungsstrom) abgibt. In Reihe zu der Ladestromquelle 10 liegt ein elektronischer Umschalter 11, dessen Kontakten a und b der Schnelladestrom IS und der Dauerladestrom 1D zugeführt werden.
Der Ausgang des Umschalters ist mit einem Pol, zum Beispiel mit dem positiven Pol, einer aufzuladenden Batterie 12 verbunden. Der andere Batteriepol liegt auf dem Massepotential. Mit dem einen Batteriepol ist der Eingang eines Spannungs-Frequenz-Wandlers 13 verbunden, das ist zum Beispiel ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO). Der Ausgang des Wandlers steht mit einem ersten Eingang 14 eines elektronischen Vorwarts-Rückwärts-Zählers 15 in Verbindung, der einen zweiten und dritten, mit einer elektronischen Steuervorrichtung 16 verbundenen Eingang 17 (START, STOP), 18 (VORWäRTS, ROCKWARTS) sowie einen Ausgang 19 aufweist. Der Ausgang 19 des Zählers 15 ist mit einem Steuereingang 20 des elektronischen Umschalters 11 verbunden. Die elektronische Steuervorrichtung 16 umfaßt einen Steuerkreis 21 und einen damit verbundenen Zeitkreis 22 mit einem Schwingquarz 23.
Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung ist folgende.
Soll eine zum Beispiel nur zu einem Teil entladene NiCd-Batterie 12 mit einer der Fig. 2 entsprechenden Ladekurve schnell auf 100 % aufgeladen werden, so muß der elektronische Umschalter 11 zunächst von seiner ersten Schalterstellung, in der der Dauerladestrom 1D die Batterie nachlädt, in seine zweite Schalterstellung umgeschaltet werden, so daß ein Schnelladestrom IS über die Batterie 12 nach Masse fließt. Die bei der Schnelladung ansteigende Batteriespannung UB wird mittels des vorzugsweise durch einen spannungsgesteuerten Oszillator gebildeten Spannungs-Frequenz-Wandlers 13 in eine Pulsspannung Up mit einer dem Momentanwert proportionalen Frequenz fp umgewandelt. Mit der Pulsspannung Up wird der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 15 angesteuert, der zu bestimmten Zeitpunkten tzi, tz2 (Fig. 3) von der elektronischen Steuervorrichtung 16 ein Startsignal an seinem zweiten Eingang 17 und ein Vorwärts-Signal an seinem dritten Eingang 18 erhält, so daß er in positiver Richtung zu zählen beginnt. Der Zählvorgang endet mit dem Ablauf einer ersten, durch den quarzgesteuerten Zeitkreis 22 bestimmten Meßzeit T1, die zu einem bestimmten ersten Zählergebnis führt.
Unmittelbar daran anschließend erhält der dritte Eingang 18 des Zählers ein Rückwärts-Signal von der Steuervorrichtung 16. Der Zähler subtrahiert nun die folgenden Impulse der Pulsspannung Up für eine zweite Meßzeit T2, die gleich T1 ist, von dem ersten Zählergebnis.
Ist das zweite Zählergebnis größer als das erste Zählergebnis, dann bedeutet dies, daß die Steigung der Ladekurve noch ansteigt und daß der Punkt V (= Volladung der Batterie 12) noch nicht erreicht ist.
Bei Erreichen des Punktes V (vgl. Zeitpunkt tz3 in Fig. 3) kann der Zähler feststellen, daß das erste und das zweite Zählergebnis gleich groß sind. In diesem Fall liefert der Zähler 15 an seinem Ausgang 19 ein bestimmtes Schaltsignal, durch das der Umschalter 11 den Schnellladestrom IS abschaltet und dafür den Dauerladestrom T an die Batterie 12 weiterleitet.
Durch eine gewisse, dem Fachmann an sich bekannte Voreinstellung des elektronischen Zählers 15 kann bewirkt werden, daß der Zähler nicht erst bei Gleichheit der beiden Zählergebnisse, sondern schon zu einem beliebig wählbaren früheren Ladezustand, zum Beispiel F in Fig. 2 (95%ige Batterieladung), ein Schaltsignal zum Umschalten des Schalters 11 abgibt.
In dem ausführlicheren Blockschaltbild nach Fig. 4 haben gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 die gleiche Bedeutung. Die Baueinheiten bestehen im wesentlichen aus handelsüblichen integrierten Schaltungen. Der elektronische Zähler ist dreistellig aufgebaut, wobei die erste von drei integrierten Schaltungen 41, 42, 43 mit Umschaltern 44 zum Voreinstellen des Zählers versehen ist.
Der Zeitkreis 22 ist ein quarzgesteuerter Asynchronzählermit zwei integrierten Zählstufen 45, 46.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Schnelladen von NiCd-Batterien, bei dem die Steigung der bis zur Volladung ansteigenden Ladungskennlinie mittels einer elektronischen Schaltung gemessen und ausgewertet wird und der Schnelladestrom bei einer bestimmten Steigung abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichspannungs-Frequenz-Wandler (13) die Batteriespannung (UB) zu bestimmten Zeitpunkten (tal ...) in eine Pulsspannung (Up) mit einer dem Meßwert proportionalen Frequenz (fp) umwandelt, daß die Pulse der Pulsspannung für eine erste Meßzeit (T1) in Vorwärtsrichtung und anschließend für eine zweite, gleich lange Meßzeit (T2) in Rückwärtsrichtung gezählt werden und daß bei einem Zählergebnis von Null oder einem voreinstellbaren Zählergebnis von annähernd Null der Schnelladestrom (ins) abgeschaltet oder auf einen Dauerladestrom (ID) umgeschaltet wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungs-Frequenz-Wandler (13) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist, dessen Eingang mit einem Pol der Batterie (12) und dessen Ausgang mit einem Zähleingang eines elektronischen Vorwärts-Rückwärts-Zählers (15) verbunden ist, daß eine elektronische Steuerschaltung (16) mit einem Zeitkreis (22) und einem Steuerkreis (21) vorgesehen ist und daß die Steuerschaltung an einem ersten, mit einem zweiten Zählereingang (17) verbundenen Ausgang ein Start-Stop-Signal und an einem mit einem dritten Zählereingang (18) verbundenen Ausgang ein die Zählrichtung bestimmendes Signal und daß ein Ausgang (19) des Zählers ein Schaltsignal für den Umschalter (11) abgibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitkreis (22) ein quarzgesteuerter Asynchronzähler ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Zählstufe (41) des elektronischen Zählers (15) mit Schaltern (44) zum Voreinstellen des Zählers versehen ist.