DE3526045A1

DE3526045A1 - Verfahren zum laden von nc-akkumulatoren

Info

Publication number: DE3526045A1
Application number: DE19853526045
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Hohlfeld; Wolfgang Lange
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-07-20
Filing date: 1985-07-20
Publication date: 1987-01-22
Anticipated expiration: 2005-07-21
Also published as: DE3526045C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.

Es sind Verfahren zum Laden von NC(Nickel-Cadmium)-Akkumulatoren bekannt, bei denen ein elektronisches Steuerteil unter Verwendung von Halbleiterverstärkern den Ladestrom derart steuert, daß zunächst eine Schnelladung mit einem ver hältnismäßig hohen Ladestrom, anschließend eine Volladung mit einem geringeren Ladestrom und schließlich eine Erhaltungsladung mit einem sehr geringen Lade strom erfolgt. Die Realisierung der bekannten Verfahren setzt einen großen Schaltungsaufwand voraus. Darüber hinaus ist bei den meisten bekannten Ver fahren nicht sichergestellt, daß der aufzuladende Akkumulator nicht überladen und dadurch beschädigt wird. Schließlich sind die nach den bekannten Verfahren arbeitenden Ladegeräte in der Regel nur für einen Akkumulatortyp bestimmter Spannung und bestimmter Kapazität geeignet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Aufladung oder Nachladung verschiedener Akkumulatoren automatisch mit dem jeweils geeigneten Ladestrom erfolgt, ohne daß eine Überladung möglich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Ver fahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist ein Ladegerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, auf die ein durch das elektronische Steuerteil schaltbares Widerstandsnetz werk zum Einstellen der verschieden hohen Ladeströme folgt. Auf diese Weise kann ein aufzuladender Akkumulator mit einem konstanten Schnellladestrom geladen werden und anschließend eine Volladung und eine Erhaltungsladung mit verminderten Strömen erfolgen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Lade gerätes für NC-Akkumulatoren,

Fig. 2 drei Ladekurven für Akkumulatoren gleicher Kapazität und unterschiedlicher Zellenzahl und

Fig. 3 drei Ladekurven für Akkumulatoren unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlicher Zellenzahl.

Beschreibung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Ladegerät zum Laden von NC-Akkumulatoren weist gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1 eine mit einem Wechselstromnetz-Anschluß 10 ver bundene Konstantstromquelle 11 auf. Die Konstantstromquelle umfaßt vorzugs weise ein geregeltes Schaltnetzteil 11 a, das sich automatisch an die jeweilige Netzwechselspannung von zum Beispiel 100 V bis 270 V anpaßt. Auf die Konstant stromquelle folgt ein schaltbares Widerstandsnetzwerk 12 mit durch Schalter einschaltbaren Widerständen, von denen in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nur die Schalter 13 bis 16 und die Widerstände 17 bis 19 gezeigt sind, sowie mit einer durch einen Schalter 21 einschaltbaren Leitung 22. Das Widerstands netzwerk 12 steht über einen Notschalter 23 mit dem positiven Pol 25 eines Akkumulators 26 in Verbindung, dessen negativer Pol 27 auf dem Massepotential liegt.

Ein elektronisches Steuerteil 28 enthält eine Mikroprozessorschaltung 29 mit einem elektronischen Speicher 30. Das Steuerteil 28 weist mehrere Ausgänge 31, 32 und 33 sowie Eingänge 34, 35 und 36 auf. Die Ausgänge 31 stehen mit den Schaltern 13 bis 15 und 21 des Widerstandsnetzwerkes 12, die Ausgänge 32 mit einer digitalen Anzeigevorrichtung 38 und der Ausgang 33 mit dem Steuer eingang des Notschalters 23 in Verbindung, das ist vorzugsweise ein elek tronischer Schalter. Die Eingänge 34 sind mit den Ausgängen eines ersten Analog/Digital-Wandlers 39 verbunden, dessen Eingang 40 an den Pluspol 25 des Akkumulators 26 angeschlossen ist. Zwischen einem zusätzlichen An schluß 41 einer Sensorschaltung 42 des Akkumulators 26 und Eingängen 35 des Steuerteils 28 ist ein zweiter Analog/Digital-Wandler 43 und zwischen einem Temperatursensor 44 und Eingängen 36 des Steuerteils ein dritter Analog/Digital-Wandler 45 geschaltet.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung ist folgende.

In einem Speicher 30 des Steuerteils 28 ist das zum Aufladen des Akkumu lators 26 vorgesehene Programm gespeichert, das mit einer Entladung des Akkumulators beginnt. Die Entladung erfolgt dabei über den im Ausgangs zustand geschlossenen Notschalter 23, den durch das Steuerteil 28 geschlos senen Schalter 15 und den mit Masse verbundenen Entladewiderstand 19. Der Akkumulator darf nur soweit entladen werden, daß eine Tiefentladung mit Sicherheit vermieden wird, die andernfalls zu einer Beschädigung des Akku mulators führen könnte. Der Augenblickswert der Akkumulatorspannung U wird über den ersten Analog/Digital-Wandler 39 dem Steuerteil 28 mitgeteilt. Beim Erreichen der vorgesehenen Entladungsspannung öffnet das Steuerteil 28 den Schalter 15 und unterbricht dadurch die weitere Entladung des Akkumulators. Anschließend wird der Akkumulator mit einem konstanten Schnelladestrom I _S geladen, der beispielsweise 500 mA beträgt und für alle Akkumulatortypen, die eine bestimmte Zellenzahl und eine bestimmte Kapazität nicht überschreiten, gleich ist. Der Schnelladestrom I _S fließt von der Konstantstromquelle 11 über die Leitung 22 und den dann durch das Steuerteil 28 geschlossenen Schalter 21 - die Schalter 13 bis 15 sind in dieser Phase geöffnet -, den geschlossenen Notschalter 23 und den Pluspol 25 des Akkumulators 26 zu dessen Minuspol 27. Weisen die aufzuladenden Akkumulatoren unterschiedliche Zellen zahlen, wie zum Beispiel vier, sechs oder acht Zellen, aber gleiche Kapazi täten auf, so tritt bei diesen Akkumulatoren, wie in Fig. 2 zu sehen, nach einer Ladezeit T 1, das heißt zu einem Zeitpunkt t ₁, ein Übergang der Lade kurven L 1, L 2, L 3 von einem Bereich großer Steigung ST in den Sättigungs bereich SG auf, in welchem das Verhältnis Δ U/Δ t einen bestimmten geringen Wert annimmt. Dieser Wert wird über den ersten Analog/Digital-Wandler 39 und das Steuerteil 28 ermittelt. Die augenblickliche Akkumulatorspannung wird mittels der digitalen Anzeigevorrichtung 38 angezeigt. In dem Speicher 30 können vor zugsweise die Bereiche Δ U ₁, Δ U ₂ und Δ U ₃ gespeichert sein, so daß das Steuer teil 28 feststellen kann, ob die zu dem Zeitpunkt t ₁ vorliegende Akkumula torspannung U innerhalb eines der drei Toleranzbereiche Δ U ₁, Δ U ₂, Δ U ₃ liegt. Ist dies nicht der Fall, so erscheint zum Beispiel auf der Anzeigevorrich tung 38 ein Symbol S, das auf eine Störung des Akkumulators 26 hinweist, zum Beispiel auf einen Ausfall einer Akkumulatorzelle. Gleichzeitig kann das Steuerteil 28 auch an seinem Ausgang 33 ein bestimmtes Signal abgeben, das den Notschalter 23 öffnet und damit den Ladevorgang unterbricht.

In Fig. 3 ist gezeigt, daß die Zeit T 1 für Akkumulatoren unterschiedlicher Zellenzahl, zum Beispiel vier, sechs, acht Zellen, und unterschiedlicher Kapazität, zum Beispiel 500 mAh, 800 mAh, 1200 mAh, verschieden groß ist; vgl. T 1 a, T 1 b, T 1 c. Liegt keine Störung vor, so kann die Mikroprozessor schaltung 29 des Steuerteils 28 das Produkt aus dem konstanten Schnellade strom I _S und der jeweiligen Schnelladezeit T 1 a, T 1 b, T 1 c bilden und mit Hilfe einer in dem Speicher 30 abgelegten Tabelle die volle Kapazität des aufzuladenden Akkumulators bestimmen. Ist die volle Kapazität bestimmt, so berechnet die Mikroprozessorschaltung 29 den zugehörigen Volladestrom I _V, der geringer als der Schnelladestrom I _S ist. Das Steuerteil 28 steuert dann einen Schalter, zum Beispiel 13, des Widerstandsnetzwerkes 12, durch den der Widerstand 17 eingechaltet wird. Mit dem Widerstand 17 wird der von der Konstantstromquelle gelieferte Ladestrom auf den Volladestrom I _V herab gesetzt. Mit Hilfe der Mikroprozessorschaltung 29 und des Speichers 30 wird außerdem die Volladezeit T 2 (vgl. Fig. 2 und 3) bestimmt. Die Volladezeit T 2 ist derart bemessen, daß eine Überladung des Akkumulators mit Sicherheit vermieden wird.

Ist die Volladezeit T 2 abgelaufen, so schließt das Steuerteil 28 den Schal ter 14, während die anderen Schalter 13, 15 und 21 geöffnet sind. Somit kommt der Widerstand 18 zur Wirkung, der den von der Konstantstromquelle 11 gelieferten Strom auf den Erhaltungsstrom I _H begrenzt. Der Erhaltungsstrom kompensiert nur den bei Nichtbenutzung des Akkumulators 26 auftretenden Kapazitätsverlust. Die augenblickliche Batteriespannung wird mittels der digitalen Anzeigevorrichtung 38 dauernd angezeigt.

Das Steuerteil 28 kann vorteilhafterweise gleichzeitig zur Berücksichtigung von Temperatureinflüssen bei dem Ladevorgang ausgenutzt werden. Beispiels weise wandelt der zweite Analog/Digital-Wandler 43 eine von einer akkumu latorinternen temperaturabhängigen Sensorschaltung 42, das ist zum Beispiel eine Brückenschaltung mit temperaturabhängigem Bauelement, gelieferte Spannung in einen entsprechenden Digitalwert um, der in dem Steuerteil 28 ausgewertet wird. Die Mikroprozessorschaltung 29 und der Speicher 30 des Steuerteils 28 veranlassen bei Temperaturabweichungen von der normalen Innentemperatur des Akkumulators durch Einschalten eines oder mehrerer Widerstände 17, 18, daß ein Ladestrom fließt, der die Temperaturänderung in einem kompensierenden Sinne berücksichtigt.

In analoger Weise können auch Temperaturabweichungen von der normalen Um gebungstemperatur des Ladegerätes, das heißt von der Raumtemperatur, beim Laden von Akkumulatoren berücksichtigt werden. In diesem Fall liefert der Temperatursensor 44 eine der jeweiligen Umgebungstemperatur entsprechende analoge Spannung, die der dritte Analog/Digital-Wandler 45 in einen ent sprechenden Digitalwert umwandelt. An Hand einer in dem Speicher 30 abge legten Tabelle gibt das Steuerteil 28 ein die Temperaturabweichung berück sichtigendes bestimmtes Signal an dem Ausgang 31 ab, das das Widerstands netzwerk 12 entsprechend umschaltet.

Das in Fig. 1 gezeigte Widerstandsnetzwerk 12 mit Widerständen und Schal tern kann auch durch aktive Halbleiterbauelemente, zum Beispiel in Form von Transistoren, realisiert werden.

An die Stelle der Schnelladung mit konstantem Ladestrom I _S kann gegebenen falls auch eine Ladung treten, die mit einem kleinen Ladestrom beginnt. Das Steuerteil 28 mißt dann in festen Zeitabständen den Anstieg der Ladekurve. Falls der Anstieg einen bestimmten, in dem Speicher 30 gespeicherten Wert unterschreitet, wird das Widerstandsnetzwerk 12 umgesteuert, so daß ein höherer Ladestrom fließt. Damit wird erreicht, daß die Akkumulatoren nicht mit einem unzulässig hohen Ladestrom geladen werden.

Claims

1. Verfahren zum Laden von NC-Akkumulatoren unter Verwendung eines elektronischen Steuerteils zum Einstellen der Ladeströme für die Schnelladung, Volladung und Erhaltungsladung, dadurch gekenn zeichnet, daß das eine Mikroprozessorschaltung (29) und einen elektronischen Speicher (30) aufweisende Steuerteil (28) die Ladeströme (I _S, I _V, ITH) und die Ladezeiten (T 1, T 2) derart steu ert, daß der aufzuladende Akkumulator (26) zunächst entladen und anschließend mit einem konstanten Schnelladestrom (I _S) geladen wird, bis die Ladekurve (L 3) zu einem Zeitpunkt (t ₁) in den Sätti gungsbereich (SG) übergeht, daß das Steuerteil das Produkt aus dem Schnelladestrom und der Schnelladezeit (T 1) errechnet und an Hand des Produktes die volle Kapazität des Akkumulators bestimmt, daß die Mikroprozessorschaltung aus der Kapazität den Wert des Voll ladestroms (I _V) und die Volladezeit (T 2) für die zum Zeitpunkt (t ₁) einsetzende Volladung sowie am Ende der Volladezeit einen Erhal tungsstrom (I _H < I _V « I _S) errechnet und auf Erhaltungsladung umschaltet.

2. Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromquelle (11) vorgesehen ist, auf die ein durch das elektronische Steuerteil (28) schaltbares Widerstandsnetzwerk (12) zum Einstellen der verschieden hohen Lade ströme (I _S, I _V, I _H) folgt.

3. Ladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer teil (28) das Widerstandsnetzwerk (12) derart ansteuert, daß die Entladung des Akkumulators (26) bis auf einen eine Tiefentladung vermeidenden Spannungswert erfolgt.

4. Ladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstant stromquelle (11) eingangsseitig eine Regelschaltung (11 a) aufweist, die sich automatisch an verschieden hohe Netzwechselspannungen anpaßt.

5. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Widerstandsnetzwerkes (12) und einem Pol (25) des Akkumulators 826) ein im Ruhezustand geschlossener Not schalter (23) vorgesehen ist, der durch das Steuerteil (28) geöffnet wird, wenn die Akkumulatorspannung am Ende der Schnelladung einen Wert aufweist, der außerhalb des von der Zellenzahl abhängigen Toleranz bereiches (Δ U ₁, Δ U ₂, Δ U ₃) der Akkumulatorspannung liegt.

6. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (26) eine durch die Innentemperatur des Akkumu lators beeinflußte Sensorschaltung (42) enthält, deren Anschluß (41) über einen weiteren Analog/Digital-Wandler (43) mit dem Steuerteil (28) verbunden ist.

7. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (44) für die Umgebungstemperatur des Lade gerätes vorgesehen ist, der über einen Analog/Digital-Wandler (45) mit dem Steuerteil (28) verbunden ist.

8. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steuerteil (28) eine digitale Anzeigevorrichtung (38) verbunden ist, die den Augenblickswert der Akkumulatorspannung (U) anzeigt.

9. Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige vorrichtung (38) bei betätigtem Notschalter (23) ein entsprechendes Störsignal (S) anzeigt.

10. Ladegerät nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (12) durch das Steuerteil (28) einschaltbare Widerstände (17, 18) aufweist.

11. Ladegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das elektronische Steuerteil (28) einschaltbaren Widerstände (17, 18) aktive Halbleiterbauelemente sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Schnelladung mit konstantem Schnelladestrom (I _S) eine Ladung mit kleinem Ladestrom beginnt, daß das Steuerteil (28) den Anstieg der Ladekurve in festen Zeitabständen prüft und daß es im Falle eines geringeren Anstiegs der Ladekurve den Ladestrom erhöht.