DE3334851C2

DE3334851C2 -

Info

Publication number: DE3334851C2
Application number: DE3334851A
Authority: DE
Inventors: August Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Erat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-09-27
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1992-07-23
Also published as: DE3334851A1

Description

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 je weilige 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 Vergleichs anordnung vergleicht den Wert der augenblicklichen Ladespannung mit dem zuletzt im Speicher gespeicherten Wert. Eine derartige Schaltung hat den Nachteil, daß die Speicher- und Vergleichs mittel 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 ab fallenden Bereich der Ladekurve stattfindet, das heißt in einem Bereich, in dem schon eine schädliche Überladung der Batterie auf tritt.

Eine ähnliche Ladeschaltung geht aus der DE-OS 29 07 670 hervor, bei der das Abschalten bzw. Reduzieren des Ladestroms erst nach dem Über schreiten des Spannungsmaximums erfolgt. Weiterhin wird in der DE-OS 27 59 160 ein Spannungsdetektor erwähnt, mit dem die Steigung der Ladungskennlinie gemessen wird. Bei der Steigung Null soll dann die Abschaltung bzw. das Reduzieren des Ladestroms vorgenommen werden. Über die Ausbildung des Spannungsdetektors sagt die DE-OS 27 59 160 jedoch nichts aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß es mit besonders einfachen technischen Mitteln realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die NiCd-Batterien unabhängig vom jeweiligen Ladezustand der Batterie und unabhängig von der Batterie temperatur sowie von Exemplarstreuungen ohne die Gefahr einer Überladung 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 erfin dungsgemäßen Verfahrens dadurch vergleichsweise gering halten, daß der Gleichspannungs-Frequenz-Wandler ein spannungsgesteuer ter Oszillator ist, dessen Eingang mit einem Pol der Batterie und dessen Ausgang mit einem Zähleingang eines elektronischen Vorwärts-Rückwärts-Zählers verbunden ist, daß eine elektronische Steuerschaltung mit einem Zeitkreis und einem Steuerkreis vorge sehen 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Be schreibung 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 erfindungs gemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Wie aus dem Kurvenverlauf nach Fig. 2 zu ersehen ist, nimmt die Batteriespannung U_B 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%iger Ladung, das heißt im Punkte V, abschalten oder auf einen geringeren Lade strom, das heißt einen Ladungserhaltungsstrom, umschalten. Gegebe nenfalls kann die Abschaltung auch schon kurz vor der Volladung stattfinden, um zu verhindern, daß die Batterie überladen wird und damit Schaden durch Überlastung 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 konstan ten Schnelladestrom I_S sowie einen Dauerladestrom I_D (= Ladungs erhaltungsstrom) abgibt. In Reihe zu der Ladestromquelle 10 liegt ein elektronischer Umschalter 11, dessen Kontakten a und b der Schnelladestrom I_S und der Dauerladestrom I_D 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 Oszilla tor (VCO). Der Ausgang des Wandlers steht mit einem ersten Ein gang 14 eines elektronischen Vorwärts-Rückwärts-Zählers 15 in Ver bindung, der einen zweiten und dritten, mit einer elektronischen Steuervorrichtung 16 verbundenen Eingang 17 (START, STOP), 18 (VORWÄRTS, RÜCKWÄRTS) sowie einen Ausgang 19 aufweist. Der Aus gang 19 des Zählers 15 ist mit einem Steuereingang 20 des elektro nischen Umschalters 11 verbunden. Die elektronische Steuervorrich tung 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% auf geladen werden, so muß der elektronische Umschalter 11 zunächst von seiner ersten Schalterstellung, in der der Dauerladestrom I_D die Batterie nachlädt, in seine zweite Schalterstellung umgeschaltet werden, so daß ein Schnelladestrom I_S über die Batterie 12 nach Masse fließt. Die bei der Schnelladung ansteigende Batteriespannung U_B wird mittels des vorzugsweise durch einen spannungsgesteuerten Oszillator gebildeten Spannungs-Frequenz-Wandlers 13 in eine Pulsspannung U_P mit einer dem Momentanwert proportionalen Frequenz f_P umgewandelt. Mit der Pulsspannung U_P wird der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 15 angesteuert, der zu bestimmten Zeitpunkten t_Z1, t_Z2 (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 bestimm ten Meßzeit T₁, die zu einem bestimmten ersten Zählergebnis führt. Unmittelbar daran anschließend erhält der dritte Eingang 18 des Zäh lers ein Rückwärts-Signal von der Steuervorrichtung 16. Der Zähler sub trahiert nun die folgenden Impulse der Pulsspannung U_P 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 t_Z3 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 Schnell ladestrom I_S abschaltet und dafür den Dauerladestrom I_D 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 Schal tungen. Der elektronische Zähler ist dreistellig aufgebaut, wobei die erste von drei integrierten Schaltungen 41, 42, 43 mit Umschal tern 44 zum Voreinstellen des Zählers versehen ist.

Der Zeitkreis 22 ist ein quarzgesteuerter Asynchronzähler mit zwei integrierten Zählstufen 45, 46.

Claims

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 die Batteriespannung (U_B) zu bestimmten Zeitpunkten (t_Z1...) in eine Pulsspannung (U_P) mit einer dem Meßwert proportionalen Frequenz (f_P) 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 vorein stellbaren, der ansteigenden Ladungskennlinie entsprechenden Zähler ergebnis von annähernd Null der Schnelladestrom (I_S) abgeschaltet oder auf einen Dauerladestrom (I_D) 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 Zähler eingang (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 Zeit kreis (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.