DE3441170A1

DE3441170A1 - Circuit arrangement for charging a rechargeable battery

Info

Publication number: DE3441170A1
Application number: DE19843441170
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: KUERTHY GOTTHART VON
Current assignee: KUERTHY GOTTHART VON
Priority date: 1984-11-10
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1986-08-14

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for charging a rechargeable battery, having a DC current which is regulated to be constant and, in particular, can also pulsate, and in the case of which the power actuating element is not overloaded even when individual cells in the battery to be charged are defective or the battery is deep-discharged or the output terminals are short-circuited.

Description

Wenn bei der Ladung einer Akkumulatoren-Batterie mit konstantem Strom (Bild 1) einzelne Zellen der Batterie /Teil 2 defekt sind oder die Batterie tief-entladen ist, also die EMK der Batterie /Teil 2 kleiner ist als die EMK der Stromquelle /Teil 1, dann muß die Differenz zwischen diesen beiden EMK vom Leistungsstellglied /Teil 3 übernommen werden, weil in der Gleichung E_ - E_ = J_v . χ (R_a,) nur dann R₀, = 0 ist, wenn E₀ = E_ ist. Da entsprechend der Definition der Schaltungsanordnung der Strom konstant ist, steigt also der Leistungsverlust am Stellglied /Teil 3 mit der EMK-Differenz, die Aufnahmeleistung der Schaltung bleibt aber konstant, weil die Quellen EMK un der Strom konstant bleiben, sodaß weder auf der Primärseite noch auf der Sekundärseite eine thermische Sicherung ansprechen kann. Im Extremfall, dem Klemmenkurzschluß auf der Sekundärseite des Ladegerätes mit Q_ = 0, muß also das Stellglied die gesamte Leistung aufnehmen und für diese maximal auftretende Verlustleistung ausgelegt werden. Dies vermeidet die in dieser Erfindung beschriebene Schaltung dadurch, daß sie entsprechend der Differenz der EMK zwischen der Leistungsquelle 1 und der EMK der Batterie 2 den vorher konstant geregelten Strom soweitIf, when charging an accumulator battery with constant current (Fig. 1), individual cells of the battery / part 2 are defective or the battery is deeply discharged, i.e. the emf of the battery / part 2 is smaller than the emf of the power source / part 1 , then the difference between these two EMF must be taken over by the power control element / part 3, because in the equation E_ - E_ = J _v . χ (R _a ,) R ₀ , = 0 only if E ₀ = E_. Since the current is constant according to the definition of the circuit arrangement, the power loss at the actuator / part 3 increases with the EMF difference, but the power consumption of the circuit remains constant because the sources EMF and the current remain constant, so that neither on the primary side nor on the primary side a thermal fuse can respond on the secondary side. In the extreme case, the terminal short-circuit on the secondary side of the charger with Q_ = 0, the actuator must absorb the entire power and be designed for this maximum power loss. The circuit described in this invention avoids this in that, in accordance with the difference in the EMF between the power source 1 and the EMF of the battery 2, it supplies the previously constant regulated current

vermindert, daß die zulässige Verlustleistung am Stellglied 3 aus Strom χ Differenzspannung nicht überschritten wird, und somit das Stellglied vor Überlastung schützt, ohne daß dieses für die sonst erforderliche hohe Leistung überdimensioniert werden muß. Die erfindungsgemäße Schaltung (Bild 2) vergleicht hierzu die EMK der Quelle /Teil 1 mit der EMK der Batterie /Teil 2 und erzeugt daraus ein Signal, welches auf den Steuerteil /Teil 4 der Regelung /Teil 3 zurück wirkt und den Konstantstrom entsprechend vermindert. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß wie in Bild 3 gezeigt, die Spannung der Quelle /Teil 1 mit der Spannung der Batterie /Teil 2 durch einen Vergleicher /Teil 5 verglichen wird und daraus ein Signal zur Beeinflussung des Steuerteiles /Teil 4 derart gebildet wird, daß bei einer Differenz der Spannungen der Sollwert des Stromes um die Differenz vermindert wird, sodaß J„ , -,xreduced so that the permissible power loss at the actuator 3 from current χ differential voltage is not exceeded is, and thus protects the actuator from overload, without this for the otherwise required high performance must be oversized. The circuit according to the invention (Fig. 2) compares the EMF of the source / part 1 for this purpose with the EMF of the battery / part 2 and generates a signal from this, which is sent to the control part / part 4 of the regulation / Part 3 acts back and reduces the constant current accordingly. This can be done, for example, by the fact that as in Figure 3 shows the voltage of the source / part 1 with the voltage of the battery / part 2 by a comparator / Part 5 is compared and a signal for influencing the control part / Part 4 is formed therefrom in such a way that that if there is a difference in the voltages, the nominal value of the current is reduced by the difference, so that J ", -, x

(U_, - U_.) = konstant gehalten wird. \1 Ja(U_, - U_.) = Is kept constant. \ 1 yes

Es ist bekannt, daß mit Rücksicht auf die Temperatur der Batterie und die Aufnahmefähigkeit einer Überladung der Effekturwert des Ladestromes begrenzt werden muß, andererseits aber ein hoher Strom zur Formierung der Elektroden der Batterie erforderlich ist. Hierzu beschreiben verschiedene Urheber die Möglichkeit, die Batterie mit pulsierendem Strom zu laden (z.B. OS 24 44 980 und US-PS 4 281 279). Dies ändert zunächst an der erfindungsgemäßen Schaltung zur Verlustleistungsbegrenzung nichts, solange die Pulsfrequenz niedrig ist (z.B. Netzfrequenz) und die Pulshöhe begrenzt wird, wie z.B: in der US-PS 4 281 279 durch die Drossel /Teil 21, sodaß Anstieg und Abschalten des Pulses langsam vor sich gehen, und damit an der Batterie eine fast geglättete Spannung entsteht, die wiederum die Bildung der Differenz zwischen U_n und U_Q zuläßt.It is known that, with regard to the temperature of the battery and the capacity for overcharging, the effect value of the charging current must be limited, but on the other hand a high current is required to form the electrodes of the battery. Various authors describe the possibility of charging the battery with pulsating current (e.g. OS 24 44 980 and US Pat. No. 4,281,279). This initially does not change anything in the circuit according to the invention for limiting power loss as long as the pulse frequency is low (e.g. mains frequency) and the pulse height is limited, such as: in US Pat proceed slowly, and thus an almost smooth voltage is created on the battery, which in turn allows the difference between U _n and U _{Q to be formed} .

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Um aber bei tiefentladener Batterie, oder für den Ausgleich des Leckstroines über längere Zeit, oder für ein Nachladen nach der Schnell-Ladung, bei der bedingt durch die höhere Temperatur der Batterie durch den hohen Sehne11-Ladestrom die Batterie nicht die volle Ladung aufnehmen kann, und somit beim Nachladen auch noch eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen muß, eine schonende, aber sinnvolle Ladung zu ermöglichen, soll bei der erfindungsgemäßen Schaltung ein möglichst niedriger Effektivwert erreichbar sein, der dann zur einwandfreien Formierung sehr hohe Spitzen (mehr als das Fünffache der Nennkapazität der Batterie, also z.B. über 6 A Spitze bei einer 1,2 Ah-Batterie) erreicht. Dies wird erfindungsgemäß z.B. in Bild 4 dadurch erreicht, daß keine Dämpfungselemente wie Drosseln im Sekundärkreis oder Ladewiderstände im Primärkreis vorgesehen sind, und der Steuerteil /Teil 4 eine hohe Frequenz vorgibt. Der Kondensator 6 ist ständig geladen aus dem Gleichrichter 7, gibt aber beim jeweiligen Einschalten des Leistungsstellgliedes 3 seine Ladung zusammen mit dem Gleichrichter 7 über die Schutzdiode 9 und den sehr niederohmigen Iststrom-Meßwiderstand 10 an die Batterie 2 ab, wobei beim Einschalten des Pulses die hohe Spitze entsteht, .und lädt sich in der Stromlücke wieder auf. Dabei ist durch die Parallelschaltung von Gleichrichter 7 und Kondensator 6 für die sehr kurze Dauer der Stromspitze des Strompulses eine annähernd konstante Spannung vor dem Leistungsstellglied 3 am Meßpunkt A gegeben. Dagegen ist die Spannung U_R der Batterie 2 wegen des Innenwiderstandes im Augenblick der hohen Stromspitze des Pulses am Meßpunkt B nicht mehr konstant und somit zum Vergleich mit der Spannung U_n vom Punkt A nicht mehr direkt geeignet. Es muß zunächst aus dieser pulsierenden Spannung wieder eine echte Gleichspannung hergestellt werden. Dabei ist aber zu beachten, daß weder die Stromimpulsspitze vermindert werden soll, noch der Spannungsimpuls soweit verändert werden darf, daß erHowever, in order to compensate for a deeply discharged battery or to compensate for the leakage routine over a longer period of time, or for recharging after quick charging, in which the battery cannot accept the full charge due to the higher temperature of the battery due to the high Sehne11 charging current, and therefore cooling down to room temperature must also take place when recharging, to enable gentle but sensible charging, the lowest possible effective value should be achievable with the circuit according to the invention, which then leads to very high peaks (more than five times the nominal capacity of the Battery, e.g. over 6 A peak with a 1.2 Ah battery). This is achieved according to the invention, for example in Figure 4, in that no damping elements such as chokes in the secondary circuit or charging resistors are provided in the primary circuit, and the control part / part 4 specifies a high frequency. The capacitor 6 is constantly charged from the rectifier 7, but when the power control element 3 is switched on, it releases its charge together with the rectifier 7 via the protective diode 9 and the very low-impedance actual current measuring resistor 10 to the battery 2 high peak arises and recharges in the gap. The parallel connection of rectifier 7 and capacitor 6 gives an approximately constant voltage in front of power control element 3 at measuring point A for the very short duration of the current peak of the current pulse. In contrast, the voltage U _{R of} the battery 2 is no longer constant because of the internal resistance at the moment of the high current peak of the pulse at measuring point B and is therefore no longer directly suitable _{for comparison with the voltage U n at point A.} A real DC voltage must first be restored from this pulsating voltage. It should be noted, however, that neither the current pulse peak should be reduced, nor the voltage pulse may be changed to such an extent that it

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seine Funktion zur Pulserzeugung im Steuerteil 4 verliert. Es muß deshalb eine hochohmige Spannungsteilung vorgenommen werden, die den Stromimpuls und den Spannungsimpuls nicht beeinflußt, aber die erforderliche Glättung der zu messenden Spannung U_n zuläßt.loses its function for generating pulses in the control part 4. A high-resistance voltage division must therefore be carried out, which does not affect the current pulse and the voltage pulse, but allows the necessary smoothing of the voltage U _n to be measured.

rsrs

Dies geschieht erfindungsgemäß im U -Spannungsmeßteil 11. Da an dem Verleicher (Bild 4 Teil 5) die Spannungsdifferenz zwischen Quellenspannung und Batteriespannung ermittelt wird, läßt sich auch feststellen, wenn nach einer bestimmten Ladezeit diese Differenz größer ist als die zur Ladung benötigte Differenz für sämtliche Zellen der Batterie. Es ergibt sich also ein Signal, welches anzeigt, ob alle Zellen der Batterie in Ordnung sind, oder ob einzelne Zellen ausgefallen sind. Dies wird erfindungsgemäß ausgenützt, um mit einer Anzeige Teil 12 in Bild 4 ausgefallene Zellen zu signalisieren.According to the invention, this takes place in the U voltage measuring part 11. Since the voltage difference between the source voltage and the battery voltage is determined on the comparator (Figure 4, Part 5), it can also be determined if, after a certain charging time, this difference is greater than that required for charging Difference for all cells in the battery. So there is a signal that shows whether all cells of the battery are OK or whether individual cells have failed. According to the invention, this is used to provide a display Part 12 in Figure 4 to signal failed cells.

Weiter ist es üblich, bei einer sogenannten "Schnell-Ladung", also einer Ladung mit einem für eine Dauerladung zu hohem Strom, diese in der Zeit zu begrenzen, damit die Batterie nicht beschädigt wird. Dies kann geschehen: durch eine echte Zeitmessung (z.B. Teil 13 Bild 4) oder durch eine Messung der Batterietemperatur, die bei zu hohem Temperaturanstieg die Ladung beendet. Wenn aber, wie weiter oben beschrieben, die Batterie oder einzelne Zellen tiefentladen sind, so ist es mit dieser Schaltung erfindungsgemäß vorgesehen, daß zunächst mit vermindertem Strom geladen wird, bis die Zellen oder die ganze Batterie wieder ihren Grundzustand erreicht haben. Hierbei bietet der Vergleicher Teil 5 Bild 4 die Möglichkeit der Ableitung eines Signales, mit dem der Beginn der eigentlichen Ladung mit vollem Ladestrom ermittelt wird, und von dem ab erst die Zeitmessung für die Ladung erfolgt, sodaß die Ladezeit nicht durch die "Vorladung zur Regenerierung" der Batterie gekürzt wird.It is also common for a so-called "quick charge", So a charge with a current that is too high for a continuous charge, to limit this in the time so that the battery will not be damaged. This can be done: by a real time measurement (e.g. Part 13, Fig. 4) or by a measurement the battery temperature, which ends charging if the temperature rises too high. But if, as described above, the battery or individual cells are deeply discharged, it is provided with this circuit according to the invention that initially is charged with reduced current until the cells or the entire battery has returned to its basic state to have. Here, the comparator part 5 Figure 4 offers the possibility of deriving a signal with which the start the actual charge is determined with full charging current, and from which the time measurement for the charge takes place, so that the charging time is not shortened by the "pre-charging for regeneration" of the battery.

Es ist oft erwünscht, daß die Ladung durch eine Anzeige Teil 14 Bild 4 kontrolliert werden kann. Auch hierzu ist das Signal dem Vergleicher Teil 5 Bild 4 zu entnehmen/ sodaß wirklich nur die echte Ladezeit vom Beginn der wirklichen Ladung angezeigt wird, wobei noch eine Verknüpfung mit dem Iststrom-Signal aus dem Strommeßelement Teil 10 Bild 4 möglich ist, sodaß auch kontrolliert wird, ob tatsächlich der Ladestrom fließt.It is often desirable that the charge can be checked by a display part 14 fig. This too is the signal can be seen in the comparator part 5 Fig. 4 / so that really only the real loading time from the beginning of the real Charge is displayed, with a link with the actual current signal from the current measuring element part 10 Figure 4 is possible, so that it is also checked whether the charging current is actually flowing.

Da nach Beendigung einer "Schnell-Ladung" die Batterie eine hohe Temperatur erreicht hat, ist es bekannt, daß die Batterie noch nicht voll geladen ist, sondern bei niedrigerer Batterie-Temperatur nachgeladen werden muß. Hierzu erscheint es sinnvoll, nach der "Schnell-Ladung" den Ladestrom nicht vollständig abzuschalten, sondern auf einen niedrigeren Strom zu vermindern, der dauernd von der Batterie thermisch aufgenommen werden kann, oder der, falls dies aus wirtschaftlichen Gründen günstiger ist, dem "Leckstrom", also dem Strom, der zur Erhaltung des Ladezustandes erforderlich ist, gleich ist. Es ergibt sich nun ein wesentlich geringerer Schaltungsaufwand, wenn der Vergleicher Teil 5 Bild 4 nicht als kontinuierliches Bauelement, sondern als Schwellwertelement ausgeführt wird und dann der Steuerteil Teil 4 Bild 4 nicht kontinuierlich den Sollstrom auf eine konstante Verlustleistung am P.egelteil 3 Bild 4 einstellt, sondern bei Überschreitung einer vorgegebenen Verlustleistung den Strom sprungartig vermindert, wobei der verminderte Strom dem "Nachlade-" oder "Leckstrom" entsprechen kann, da diese Stromgröße mit einfacheren Elementen zu erreichen ist bzw. bereits in der Schaltung vorgegeben wurde.Since the battery has reached a high temperature after completion of a "quick charge", it is known that the battery is not yet fully charged, but has to be recharged when the battery temperature is lower. This is what it appears for It makes sense not to switch off the charging current completely after the "quick charge", but to switch to a lower current that can be permanently thermally absorbed by the battery, or that, if this is for economic reasons It is more favorable for reasons that the "leakage current", ie the current that is required to maintain the state of charge, is the same. There is now a much lower circuit complexity if the comparator part 5, Figure 4 is not as continuous Component, but rather as a threshold value element and then the control part part 4 image 4 is not continuous sets the target current to a constant power loss at level part 3, Figure 4, but when it is exceeded a predetermined power loss, the current is suddenly reduced, the reduced current being the "reload" or "Leakage current" can correspond, since this current quantity can be achieved with simpler elements or already in the circuit was specified.

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Wie vorseitig beschrieben ist auch bei dieser Ladung mit vermindertem Effektivstrom wesentlich, daß die hohen Stronipulsspitzen erzeugt werden und damit geladen wird.As described above, it is also essential for this charge with a reduced effective current that the high Stroni pulse peaks are generated and thus charged.

Da hierzu, bei der verminderten Pulsbreite, der Steuerteil 4 Bild 4 nicht ausreichen kann, wird in der erfindungsgemäßen Schaltung ein zusätzlicher Pulsgenerator Teil 15 eingesetzt, damit auch unter extremsten Bedingungen geladen werden kann.Since the control part 4 image 4 cannot be sufficient for this with the reduced pulse width, the inventive Circuit an additional pulse generator part 15 is used, so even under the most extreme conditions can be loaded.

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Claims

Expectations:

1.)! Circuit for a device for charging accumulators ^ - 'batteries with several cells connected in series with constant current characterized in that with partially defective or deeply discharged batteries or '' In the case of terminal short-circuit, the constant effective current from the circuit by comparing the charger source voltage with the accumulator rms value actual voltage of the pulsating charging current is reduced to such an extent that the power loss from differential voltage χ The effective current does not exceed the permissible loss value of the power control element, whereby individual parts the circuit can be constructed either analog or digital and in the case of a digital construction also a computer can perform the functions.

2.) Circuit according to claim 1, characterized in that 'that the constant charging current does not pulsate and the current is reduced continuously according to the difference in the voltages.

3.) Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the switching of the constant current to a threshold value the voltage difference between the source voltage and the battery voltage is adjusted so that the charge in the event of failure of a predetermined number of cells of the accumulator still takes place with full charging current, for whose losses the power actuator is designed.

4.) Circuit for a charger for charging an accumulator battery with constant current, which preferably pulsates and which delivers a high current for "fast charging", thereby characterized in that after the end of the quick charge, charging is continued with a low current, which is preferably the same pulse height as the fast charging current, but a different duty cycle and / or a different frequency and which preferably corresponds to the thermally permissible charging current or the "leakage current".

5.) Circuit according to claim 1, 2 or 3, characterized in that when the differential voltage is too high the constant current is fed back to a current as described in claim 4.

6.) Circuit according to claim 1, 3, 4 or 5, characterized in that that the effective value of the pulsating actual voltage at the accumulator battery at a high resistance Voltage divider is removed so that the peak has only an insignificant effect on the actual voltage will.

7.) Circuit according to claim 6, characterized in that the battery voltage comparison value as a mean value the high-resistance voltage divider is obtained with a sieve chain.

8.) Circuit according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized in that a signal from the voltage comparison is determined for display, with which it is indicated that individual cells of the accumulator battery are defective are.

9.) Circuit according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8, characterized in that from the voltage comparison a signal is detected for display, with which it is indicated that the circuit has switched to "quick charge" Has.

10.) Circuit according to claim 9, characterized in that a current measurement is linked to the voltage comparison so that the signal indicates that the "fast charging current" flows.

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11.) Circuit for charging an accumulator battery with constant effective value of the current characterized in that by charging a capacitor the voltage source in the current gap of the pulsating charging current without charging resistor and parallel switch the capacitor to the current source during the current pulse, as well as the absence of current-limiting switching elements, such as chokes in the secondary circuit and a high pulse frequency at least a multiple of the Mains frequency, as well as bounce-free switching of the pulses, particularly high switching peaks of the pulses (the multiple Size of the effective value of the current) for forming the accumulator battery.

12.) Circuit as described in claim 11, characterized characterized in that the pulse peaks are at the same level, but with a reduced effective value for regeneration deeply discharged batteries according to claim 1 can be used.

13.) Circuit according to claim 1, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11 or 12 characterized in that in support of the Pulse behavior of the control element with reduced effective current the pulse peaks by a pulse generator be strengthened again.