DE3506261A1

DE3506261A1 - Verfahren zur ladesteuerung von akkumulatoren insbesondere nc- und blei- akkumulatoren und schaltung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3506261A1
Application number: DE19853506261
Authority: DE
Inventors: Bernd 2361 Bockhorn Grauel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1985-10-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladesteuerung von Akkumulatoren insbesondere NC- und Blei- Akkumulatoren und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahren.

Es sind bereits verschiedene gattungsgemäße Ladungsgeräte bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, daß bei Aufladung des Akkus aus einem unbekannten Ladezustand nur vorsichtig aufgeladen werden kann und daher die Ladezeit unter Umständen relativ groß wird. Darüberhinaus besteht die Gefahr der Ladung im Gasungsbereich insbesondere bei Batteriesätzen mit einer oder mehreren defekten Zellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, die es ermöglichen, Akkus aus jedem unbekannten Ladezustand in kürzester Zeit aufzuladen, wobei gleichzeitig eine Überladung, auch bei defekten Zellen und die zwangsläufige Zerstörung der noch intakten Zellen, vermieden wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Ladezyklus bei Erreichen einer Startspannung automatisch beginnt und bei Erreichen einer Gasungsspannung in die Nachladung umgeschaltet wird, welche erst beendet wird, wenn der Akku voll geladen ist und eine Sicherheitsschaltung eingreift. Die Ladung erfolgt nach Anschluß des Akkus nur wenn die Abschaltspannung noch nicht erreicht ist und bei Erreichen der Gasung die Nachladung bis zur völligen Aufladung betrieben wird. Der Ladevorgang wird wiederholt wenn die Akkuspannung unter die Einschaltspannung sinkt. Der zu ladende Akku kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht überladen werden. Ferner kann ein Akkumulator aus jedem beliebigen Lade- bzw. Endladezustand ohne Überladung vollgeladen werden. Darüberhinaus ist diese Verfahren bestens geeignet neue sogenannte "offene NC-Akkumulatoren" in Betrieb zu nehmen.

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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzanschlußteil über einen Ein/Ausschalter mit einer Schaltung für die Betriebsspannung verbunden ist, die mit einem Hauptladestromregler und einem Nachladestromregler in Wirkverbindung steht, die jeweils mit weiteren Steuergliedern in Wirkverbindung stehen.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Steuerschaltung einer Ladesteuereinrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Es zeigt

Fig. 1 den Schaltplan einer Steuerschaltung

Fig. 2 den Schaltplan einer weiteren Steuerschaltung

Bei der Steuerschaltung 1 der Ladesteuereinrichtung ist ein Netzanschluß 2 vorgesehen, der mittels eines Ein/Ausschalters 3 mit einem Gleichrichter 19 in Wirkverbindung bringbar ist. Der Gleichrichter 19 ist wahlweise über den Hauptladestromregler 5 oder den Nachladestromregler 6 mit dem Ladeausgang verbunden. Die mit dem Gleichrichter 19 in Wirkverbindung stehende Schaltung 4. Für die Betriebsspannung stellt über die Versorgung der Ladesteuereinrichtung hinaus auch die erforderlichen Referenzspannungen für die Spannungskomperatoren 8, 9, 11 zur Verfügung. Die Schaltung 4 kann als monolithische Schaltung in MOS-Struktur (CMOS) ausgebildet sein. Der Hauptladestromregler 5 ist mit einer Flip-Flop-Schaltung 7 für den Hauptladestrom verbunden, die mit einer Flip-Flop-Schaltung 10 einer Zeitzählereinheit 13, einem Überspannungskomparator 11, einem Gasungsspannungskomparator 8 und einem Startspannungskomparator 9 in Wirkverbindung steht. Der Überspannungskomparator 11, der Gasungsspannungskom-

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parator 8 und der Startspannungskomparator 9 sind mit einem Pufferverstärker 12 verbunden. Dieser dient zur Entkopplung der einzelnen Verstärkerstufen und verhindert eine Einflußnahme von Belastungsänderungen auf die jeweils vorhergehenden Stufen. Die Flip-Flop-Schaltung für die Hauptladung und die Flip-Flop-Schaltung 10 für die Nachladung sind mit einer Zeitzählereinheit 13 verbunden, die aus einem Zeitzähler 14 und einem Oszillator 15 besteht. Der Oszillator 15 wirkt auf den Zeitzähler 14 ein, der über drei Zählmodule verfügt.

Durch die Steuerschaltung 1 ist eine automatisch an den Ladezustand angepaßte Haupt- und Nachladung sichergestellt. Eine Schnellschaltung ist vorgesehen. Bei Netzschwankungen wird der Strom stabilisiert. Ferner weist die Steuerschaltung einen umfangreichen automatischen Uberladeschutz auf. Für einen Netzausfall ist als Puffer der Akku vorgesehen. Eine Netzstromversorgung mit Pufferung durch den externen Akku ist möglich. Zur Betriebsanzeige können akustische oder optische Ladezustandsmeldungen angeschlossen werden. Bei der Steuerschaltung 1 sind fünf LED-Anzeigen vorgesehen, welche je nach der Erfordernissen bestückt werden können. Das Leuchten der LED 22 zeigt an, daß das Netz eingeschaltet ist. Wenn die LED 22 blinkt, liegt Netzausfall vor und die Akkupufferung läuft. Bei Leuchten der MED 23 läuft die Hauptladung, bei Leuchten der LED 24 die Nachladung. Das Aufladen der LED 25 zeigt an, daß mehr als 90 % in den Akku eingeladen sind, während da Aufleuchten der LED 26 100% Einladung anzeigt.

Ferner ist ein Kurzschlußschutz und ein Verpolungsschutz, sowie eine automatische Startvorrichtung vorgesehen.

Das Ladeprinzip mittels der Steuerschaltung besteht darin, daß eine Konstantstromladung mit an die Hauptladung angepaßter Nachladung durchgeführt wird. Die

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Hauptladung erfolgt bis zur Gasungsspannung mit dem Hauptladestrom. Danach erfolgt eine Nachladung mit dem Nachladestrom so lange, bis ca. 25% der bei der Hauptladung eingelagerten Energie erreicht wird. Durch einen Spannungskomparator wird die Eingangsspannung überwacht, so daß bei verpolter Batteriespannung das Gerät nicht einschaltet. Um eine lastfreie Herstellung der Steckerverbindungen zu gewährleisten, erfolgt die Ladung nach dem Anschluß eines Akkus verzögert. Es ist sichergestellt, daß der Akkuaus jedem Ladezustand im Schnelladeverfahren sicher auf 100% seiner tatsächlichen Kapazität ohne Überladung aufgeladen wird. Ladezeiten von 30 Minuten auf 90% der tatsächlichen Kapazität sind bei besteimmten NC-Akkumulatoren mit Sinntaelektroden ohne weiteres möglich.

Der Ladebetrieb ohne angeschlossenen Verbraucher beginnt mit der Hauptladung nur, wenn der Akku angeschlossen und die Zellenspannung unter einer Startspannung von z.B. 1, 35 V/Zelle liegt. Während der Hauptladung zählt der Zeitzähler zur Zeitmessung aufwärts mit. Bei Erreichen der Gasungsspannung wird die Hauptladung beendet und die Nachladung gestartet. Hierbei wird der Zeitzähler 14 auf Abwärtzählung umgeschaltet. Erreicht der Zeitzähler wieder den Stand 0 wird die Ladung beendet. Wenn die Zellenspannung unter einen vorgegebenen Wert von z.B. 1, 35 V/Zelle sinkt, beginnt der Ladevorgang erneut. Der Ladebetrieb beginnt nur automatisch wenn die Akkuspannung unter der Startspannung liegt. Ein Ladezyklus kann manuell gestartet werden, wenn das Netz aus-oder wieder eingeschaltet wird und die Sicherheitsspannung nicht überschritten ist. Während der Hauptladung wird die Zeit gemessen. Bei Nachladung wird die Hauptladezeit kopiert. Sinkt nach erfolgter Nachladung die Spannung auf die Startspannung ab, so wird ein erneuter Zyklus gestartet, der jedoch nun nurrioch der Ladeerhaltung

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dient und daher nurnoch einige Minuten dauert. Somit ist sichergestellt, daß der Akku dauernd 10056 Kapazität eingeladen hat.

In Dauerversuchen wurde ermittelt, daß diese Lademethode besonders für offene NC-Akkus optimal ist. So wurde ein Dauerversuch von 750 Lade- Entladezyklen gefahren. Nach 750 Zyklen hat der eine offene NC-Batterie 16 % mehr Kapazität als beim fünfzigsten Zyklus. Besonders günstig wirkt sich auch die Tatsache aus, daß die Alterung des Akkus keine nennenswerte Rolle spielt.

Von Vorteil ist auch, daß bei Erreichen der Gasungsspannung in dem Akku bereits ca. 75 bis 90 % der Kapazität eingeladen sein können, so daß bei dringendem Bedarf schon zu diesem Zeitpunkt der Akku im Einsatz verwendet werden kann.

Wenn während der Ladung das Netz ausfällt, wird die Zeitmessung unterbrochen und der Zeitwert bleibt durch die Pufferung gespeichert. Bei Netzwiederkehr wird der Ladezyklus weitergeladen. Ein Ladebetrieb ohne Pufferung ist durch Entfernen einer Diode möglich. In diesem Fall kann durch Netz aus-und wieder einschalten ein manueller Start erzwungen werden. Das Starten eines Ladezyklusses ist auch durch die Verwendung einer Starttaste bei gepufferter wie ungepufferter Ladesteuerrung möglich.

Es ist mittels der Steuerschaltung 1 auch eine Ladung mit angeschlossenem Verbraucher möglich. Hierdurch wird lediglich die Ladezeit verlängert. Sofern die Hauptladezeit eine vorgegebene bestimmte Zeitdauer von z.B. fünf Stunden überschreitet, wird die Ladung abgebrochen, um einen Uberladungsschutz sicherzustellen. Wenn die Zellenspannung nur langsam durch Entladung oder Selbstentladung unter die Startspannung von z.B. 1,35 V/Zelle sinkt, wird wieder ein Ladevorgang gestartet. Wenn während der Ladung das Netz ausfällt, wird der Zeit-

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zähler 14 gestopt. Die elektronische Einrichtung der Steuerschaltung 1 wird dann über den Akku gepuffert, wenn dessen Spannung mindestens 6 V beträgt. Der Pufferstrom kann z.B. ca. 10 mA betragen. Wenn die Netzspannung wieder anliegt, kann die Ladung vom Stand des Ladeabbruchs fortgesetzt werden. Eine Überladung ist somit nicht möglich. Wenn der Akku während der Ladung vom Ladegerät gelöst wird, fällt die Ladeelektronik der Steuerschaltung 1 auf die Ausgangsstellung zurück, so daß bei einem erneuten Anschluß eines Akkus die Ladung völlig neu beginnt.

Um eine Überladung zu verhindern, sind drei Sicherheiten eingebaut. Bei Erreichen der Gasungsspannung wird der Ladestrom reduziert. Bei erreichen der Sicherheitspannung wird die Ladung beendet. Bei zeitlicher Überschreitung der maximalen Hauptladezeit von mehr als 20 % wir die Ladung beendet. Letzteres kann auch dann der Fall sein, wenn ein Zellenschluß vorliegt und ein Schutz der intakten Zellen sichergestellt werden soll. Eine Überladung ist auch bei einer oder mehrenen defekten Zellen in keinem Fall möglich. Wird während der Ladung durch einen angeschlossenen Verbraucher ständig mehr als z.B 20% des Hauptladestroms verbraucht, schaltet die Steuerschaltung 1 nach Ablauf einer Zeit von z.B. 5 Stunden ebenfalls ab. Erst wenn die Zellenspannung danach wieder unter z.B. 1,35 V sinkt, beginnt die Ladung von neuem. Wenn allerdings ein angeschlossener Verbraucher einen so großen Strom entnimmt, daß trotz Hauptladung die Zellenspannung unter 1,35 V bleibt, wird die Hauptladung dauernd eingeschaltet gehalten. Eine Unterbrechung der Ladung ist ebenfalls möglich, sofern die Zellenspannung einen bestimmten Sollwert von z.B. 1,65 V überschreitet.

Die Steuerschaltung 1a nach Fig. 2 weist ebenfalls die wesentlichen Elemente auf, wie sie bereits zur Steuerschaltung 1 beschrieben wurden. Allerdings ist nur ein

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Zeitzähler 1'l vorgesehen. Ferner ist ein Verpolungsspannungskomparator 21 integriert. Parallel zum Netzteil 20 mit Gleichrichter 19 ist eine Rellypufferung 28 angeordnet. Der Stromregler 27 besteht aus einem Hauptladestromregler 5 und einem Nachladestromregler 6. Die Schaltung k steht mit dem Hauptlade- Flip-Flop 7, dem Nachlade- Flip-Flop 10, sowie dem Zeitzähler 14 in Wirkverbindung.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ladesteuerung von Akkumulatoren, insbesondere NC- und Blei- Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladezyklus bei Erreichen einer Startspannung automatisch beginnt und bei Erreichen einer Gasungsspannung in die Nachladung umgeschaltet wird, welche erst beendet wird, wenn der Akku voll geladen ist oder eine Sicherheitsschaltung eingreift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptladung nach Anschluß des Akkus nur beginnt, wenn die Zellenspannung unter der Startspannung liegt und bei Erreichen der Gasungsspannung der Zellen beendet wird, dann die Nachladung eingeschaltet und erst beendet wird, wenn die volle Kapazität des Akkus erreicht ist und dieser Ladevorgang dann wiederholt wird, wenn die Zellenspannung unter die Startspannung sinkt.

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TELEFON CO893 65 SO 91 V TELEFAX G3/G2 CO893 651 62 06 *

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall des Netzstroms die elektronische Ladesteuereinrichtung über den zu ladenden Akku oder einen eingebauten Akku gepuffert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferung bei einer Mindestspannung des Akkus von z.B. 6 V erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ende des Netzstromausfalls die Ladung des Akkus in dem Stand beim Ladungsabbruch fortgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trennung des Akkus vom Ladegerät die elektronische Ladesteuereinrichtung auf die Ladeausgangsstellung zurückgesetzt wird und bei einem erneuten Anschluß des Akkus dessen Ladung von der Ausgangsstellung neu durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trennung der Netzstromversorgung vom Ladegerät oder durch Ausschalten des Ladegeräts die elektronische Ladesteuereinrichtung auf die Ladeausgangsstellung zurückgesetzt wird und bei einem erneuten Anschluß eines Akkus dessen Ladung von der Ausgangsstellung aus neu durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptladezeit gemessen und bei Überschreiten einer vorbestimmten Zeit die Ladung abgebrochen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Ladevorgang erforderliche Zeit gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachladezeit der Hauptladezeit entspricht .

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hauptladezeit zur Nachladezeit konstant ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Hauptladung der Zeitzähler aufwärts zählt und bei der Nachladung auf Abwärtszählung umgeschaltet wird, wobei die Nachladung dann beendet wird, wenn der Zählerstand wieder den Nullwert erreicht hat.

13· Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ladung des Akkus mit an dem Akku angeschlossenen Verbraucher der Ladevorgang dann unterbrochen wird, wenn der Verbraucher während der Ladung über eine vorbestimmte Zeitdauer ständig mehr als einen vorbestimmten Anteil des Hauptladestroms verbraucht, wobei dann die Ladung von neuem beginnt, wenn die Zellenspannung unter die Startspannung sinkt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptladung ständig eingeschaltet bleibt, wenn ein angeschlossener Verbraucher die Akkuspannung ständig unter der Startspannung hält.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachladung bei Überschreiten der zulässigen Zellenspannung abgebrochen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Gasungspannung der Akku durch die Hauptladung auf ca. 75 bis 100 % seiner Kapazität aufgeladen wurde.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Gasungsspannung der Akku durch die Hauptladung auf ca. 90 bis 100 % seiner Kapazität aufgeladen wurde.

18. Verfahren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachladung mit gegenüber der Hauptladung verminderter Stromstärke durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachladung gegenüber der Hauptladung mit gleicher Stromstärke und verminderter Zeit durchgeführt wird.

20. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzanschlußglied (2) über einen Ein/Ausschalter (3) mit einer Schaltung (4) für die Betriebsspannung verbunden ist, die mit einem Hauptladestromregler (5) und einem Nachladestromregler (6) in Wirkverbindung steht.

21. Schaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (4) für die Betriebsspannung als monolithische Schaltung in MOS-Struktur (CMOS) ausgebildet ist.

22. Schaltung nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptladestromregler (5) mit einer Flip-Flop-Schaltung (7) für die Hauptladungssteuerung verbunden ist, die mit einem Gasungsspannungskomparator (8) und einem Startspannungskomparator (9) in Wirkverbindung steht.

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23· Schaltung nach Anspruch 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachladestromregler (6) mit einer Flip-Flop-Schaltung (10) für die Nachladungssteuerung verbunden ist.

24. Schaltung nach Anspruch 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flip- Flop- Schaltung (7) zur Hauptladungssteuerung und die Flip- Flop- Schaltung (10) für die Nachladungssteuerung mit einem Leerlauf komparator (11) verbunden ist.

25. Schaltung nach Anspruch 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerlaufkomparator, der Gasungsspannungskomparator (8) und der Startspannungskomparator (9) mit einem Pufferverstärker (12) verbunden sind.

26. Schaltung nach Anspruch 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Flip- Flop- Schaltung (7) für die Hauptladungssteuerung und die Flip- Flop-Schaltung (10) für die Nachladungssteuerung mit einer Zeitzählereinheit verbunden sind.

27. Schaltung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitzählereinheit (13) aus einem mit einem Zeitzähler (14) verbundenen Oszillator (15) besteht.

28. Schaltung nach Anspruch 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitzähler (14) und der Pufferverstärker (12) mit einer Zählersperrschaltung (16) verbunden sind.

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