DE3728645A1

DE3728645A1 - Circuit arrangement for rapid charging of secondary batteries (rechargeable batteries)

Info

Publication number: DE3728645A1
Application number: DE19873728645
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1987-08-27
Publication date: 1989-03-09

Abstract

A circuit arrangement is described for rapid charging and super-rapid charging of secondary batteries. The essence of the arrangement is a circuit having one or more voltage-dependent comparators which monitor, in a simple manner, the rise in the battery voltage during the charging process and cut off or significantly reduce the charging current precisely at the time when 100% charge is reached.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Schnelladung von Sekundärbatterien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for Fast charging of secondary batteries according to the generic term of claim 1.

Es ist bekannt, z. B. Nickel-Cadmium-Batterien im Schnelladeverfahren innerhalb kurzer Zeit (ca. 1 Stunde) aufzuladen. Die gängigen Ladeverfahren sind aber - aus Kostengründen - meistens nur geeignet, die Batterien im Schnelladeverfahren auf ca. 70% ihrer Nennkapazität aufzuladen, danach wird automatisch auf Dauerladung übergegangen.It is known e.g. B. Recharge nickel-cadmium batteries in a short time (approx. 1 hour). However, the usual charging methods are - for reasons of cost - mostly only suitable for charging the batteries to approx. 70% of their nominal capacity using the quick charging method, after which the system automatically switches to continuous charging.

Bekannt ist auch eine Ladeart (s. z. B. Matsushita Electric Works, Ltd.: Charging Circuit Module, S. 7: dV + timer control method), bei der die Batterie bis zu einem genau vorgegebenen Spannungswert aufgeladen wird. Im Zeitpunkt des Überschreitens des vorgegebenen Spannungs wertes wird ein Zeitgeber gestartet, der bewirkt, daß der Schnelladestrom die Batterie noch für eine bestimmte Zeit weiter auflädt; danach wird der Schnelladestrom abge schaltet. Die Zeitkonstante des Zeitgebers sollte nun so bemessen sein, daß die Batterie beim Abschalten exakt auf 100% ihrer Nennkapazität aufgeladen ist. Diese Forderung stößt in der Praxis auf Schwierigkeiten, denn auch bei der Verwendung eigens für diese Ladetechnik konstruierter integrierter Schaltkreise ist es kaum möglich, den definierten Spannungswert und die Zeitkonstante unter allen Betriebsbedingungen in die notwendige Korrelation zu bringen. Die Folge ist, daß die Batterie entweder nicht zu 100% aufgeladen oder überladen wird.A type of charging is also known (see e.g. Matsushita Electric Works, Ltd .: Charging Circuit Module, p. 7: dV + timer control method), in which the battery is up to one exactly predetermined voltage value is charged. in the Time of exceeding the specified voltage a timer is started which causes the Fast charging current the battery for a certain time continues charging; then the rapid charging current is cut off switches. The time constant of the timer should now be like this be dimensioned so that the battery turns on exactly when it is 100% of its nominal capacity is charged. This requirement encounters difficulties in practice, because also with use specially designed for this charging technology integrated circuits it is hardly possible to defined voltage value and the time constant under all operating conditions in the necessary correlation bring to. The result is that the battery either is not 100% charged or overcharged.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Schnelladung von Sekundär batterien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die Batterie im Zeitpunkt der Abschaltung des Schnelladestromes stets mit guter Nähe rung auf 100% ihrer Nennkapazität aufgeladen ist. Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.The invention is accordingly based on the object Circuit arrangement for rapid charging of the secondary batteries according to the preamble of claim 1 so train that the battery at the time of Switching off the fast charging current always with good proximity tion is charged to 100% of its nominal capacity. The The object is specified in claim 1.

Insbesondere geeignet ist dieses Verfahren für eine "Super"-Schnelladung innerhalb einer halben Stunde oder weniger. Bei entsprechend großem Ladestrom besitzt die Kurve der Batteriespannung über dem gesamten Bereich eine relativ große Steigung, also auch im Bereich B (Fig. 3).This method is particularly suitable for a "super" quick charge within half an hour or less. With a correspondingly large charging current, the curve of the battery voltage has a relatively large gradient over the entire area, that is to say also in area B ( FIG. 3).

Auf überraschend einfache Weise läßt sich so der Schnelladevorgang mit Hilfe des dynamischen Komparators überwachen. Dieser reagiert erst, wenn die Batteriespannung ihren Maximalpunkt erreicht hat, also nicht weiter ansteigt (Punkt B, Fig. 3).The rapid charging process can be monitored in a surprisingly simple manner with the aid of the dynamic comparator. This only reacts when the battery voltage has reached its maximum point, i.e. does not rise further (point B , Fig. 3).

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß vor dem Ansprechen des dynamischen Komparators diesem ein statischer Komparator vorgeschaltet ist. Somit ist gewährleistet, daß - z.B. bei zu kleinem Ladestrom oder bei zwischenzeitlicher Belastung der Batterien - der dynamische Komparator nicht vorzeitig anspricht und die Schnelladung damit unterbricht. Auch kann somit der dynamische Komparator feinfühliger eingestellt werden.Further embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. It can be provided that a static comparator is connected upstream of the dynamic comparator before it responds. This ensures that - for example if the charging current is too low or the batteries are temporarily loaded - the dynamic comparator does not respond prematurely and thus interrupts rapid charging. The dynamic comparator can also be set more sensitively.

Eine weitere Verfeinerung der Wirkungsweise der Ladeschaltung auch unter thermischen Gesichtspunkten ist in Anspruch 3 beschrieben.A further refinement of how the Charging circuit is also from a thermal point of view described in claim 3.

Anspruch 4 nennt die Überwachung jeder einzelnen Zelle einer Batterie.Claim 4 calls the monitoring of each individual cell a battery.

Ein Ausführungsbeispiel nach dem Anspruch 1 der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.An embodiment according to claim 1 of the invention is shown in Fig. 1.

Ein Beispiel nach dem Unteranspruch 2 ist in Fig. 2 gezeigt.An example according to subclaim 2 is shown in FIG. 2.

Fig. 3 zeigt die zeitlichen Verläufe der Batteriespannung U und des Ladestroms I über der Zeitachse t und dazu sychron die Verläufe der Logikpegel bei einem Schaltungs aufbau nach Fig. 1. Fig. 3 shows the time profiles of the battery voltage U and the charging current I t over the time axis and to the curves of the logic level 1 in synchronism with a circuit construction of FIG..

Fig. 4 zeigt die entsprechenden Verläufe bei einem Schaltungsaufbau nach Fig. 2. FIG. 4 shows the corresponding courses in a circuit structure according to FIG. 2.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung und ihrer Wirkungsweise anhand der Zeichnungen. The following is an explanation of the invention and its Operation based on the drawings.

Der dynamische Spannungskomparator (K 1) in der Fig. 1 besteht zum Teil aus einem an sich bekannten Standardkomparator mit einem nichtinvertierenden (1) und einem invertierenden Eingang (2) sowie einem Ausgang (3). Der Eingang (1) ist über einen Spannungsteiler (R 1, R 2) stets mit der zu überwachenden Batterie verbunden. Der Spannungsteiler ist so hochohmig ausgelegt, daß er die Batterie auch über einen längeren Zeitraum praktisch nicht entlädt. Der Eingang (2) ist über einen ebenfalls hochohmigen Widerstand (R 3) mit dem Eingang (1) und über einen Kondensator (C 1) mit dem Bezugspotential verbunden. Der Ausgang des Komparators (K 1) steuert die Stromquelle (I) und schaltet in Abhängigkeit vom Verlauf der Batteriespannung (Ub) den Schnelladestrom ein oder aus. Die Wirkungsweise der Schaltung wird nun anhand der Fig. 3 erläutert.The dynamic voltage comparator ( K 1 ) in FIG. 1 partly consists of a known standard comparator with a non-inverting ( 1 ) and an inverting input ( 2 ) and an output ( 3 ). The input ( 1 ) is always connected to the battery to be monitored via a voltage divider ( R 1 , R 2 ). The voltage divider is designed so high that it practically does not discharge the battery over a long period of time. The input ( 2 ) is connected to the input ( 1 ) via a likewise high-resistance resistor ( R 3 ) and to the reference potential via a capacitor ( C 1 ). The output of the comparator ( K 1 ) controls the current source ( I ) and switches the fast charging current on or off depending on the course of the battery voltage (Ub) . The operation of the circuit will now be explained with reference to FIG. 3.

Zunächst wird angenommen, die Batterie sei entladen (Fig. 3, Bereich A, Ub(4C)). Die Eingänge (1) und (2) des dynamischen Spannungskomparators befinden sich auf gleichem Potential, durch eine geringe (interne) Vorspannung am Eingang (2) befindet sich der Ausgang (3) auf L-Potential (Fig. 3). In diesem Zustand ist der Ladestrom stets abgeschaltet. Die Stromquelle sei beispielsweise in der Lage, einen Ladestrom entsprechend 4 C zu liefern, dies entspricht der 4-fachen Nennkapazität der Batterie. Wird nun der Steuereingang (4) der Stromquelle (I) kurz mit einem H-Pegel beaufschlagt, so liefert die Stromquelle den vollen Schnelladestrom (Io(4C)) an die Batterie. Demzufolge steigt die Batterie spannung (Ub(4C)) sprunghaft an. Gleichzeitig steigt auch das Potential am Eingang (1) des Komparators (K 1). Das Potential am Eingang (2) folgt wegen des Vorhandenseins des aus dem Widerstand (R 3) und dem Kondensator (C 1) gebildeten Zeitgliedes nur langsam dem Potential am Eingang (1), sodaß der Komparator an seinem Ausgang (3) auf H-Potential springt. Der somit eingeleitete Schnelladevorgang wird nun mit Hilfe des dynamischen Spannungskomparators solange aufrechterhalten, wie ein für den Erhalt einer Differenzspannung zwischen den Eingängen des Komparators ausreichender Anstieg der Batteriespannung anhält. Erst im Maximum der Spannungskurve (Ub(4C)) wird die Differenzspannung - mit der durch den Widerstand (R 3) und den Kondensator (C 1) vorgegebenen Zeitkonstante - zu Null, und der Ausgang (3) des Komparators springt auf L-Potential. Das daran anschließende Absinken der Batteriespannung auf einen niedrigeren Wert begünstigt die sichere Funktion der Schaltungsanordnung.First, it is assumed that the battery is discharged ( FIG. 3, area A, Ub (4 C)) . The inputs ( 1 ) and ( 2 ) of the dynamic voltage comparator are at the same potential; due to a low (internal) bias at the input ( 2 ), the output ( 3 ) is at L potential ( Fig. 3). In this state, the charging current is always switched off. The current source is, for example, able to deliver a charging current corresponding to 4 C , which corresponds to 4 times the nominal capacity of the battery. If the control input ( 4 ) of the current source ( I ) is briefly supplied with an H level, the current source supplies the full fast charging current (Io (4 C)) to the battery. As a result, the battery voltage (Ub (4 C)) rises suddenly . At the same time, the potential at the input ( 1 ) of the comparator ( K 1 ) also increases. The potential at the input (2) follows because of the presence of (1 C) the timing element formed from the resistor (R3) and the capacitor slow the potential at the input (1), the comparator so that at its output (3) to H- Potential jumps. The rapid charging process thus initiated is now maintained with the aid of the dynamic voltage comparator as long as an increase in the battery voltage sufficient to obtain a differential voltage between the inputs of the comparator continues. Only at the maximum of the voltage curve (Ub (4 C)) does the differential voltage - with the time constant given by the resistor ( R 3 ) and the capacitor ( C 1 ) - become zero, and the output ( 3 ) of the comparator jumps to L- Potential. The subsequent drop in the battery voltage to a lower value favors the safe functioning of the circuit arrangement.

Da der Schnelladevorgang stets neu initiiert werden muß (dies kann beispielsweise automatisch beim Verbinden der Stromquelle mit der übrigen Schaltungsanordnung erfolgen), sind ohne weiteres auch Nachladevorgänge auf 100% der Batteriekapazität möglich, ohne daß dadurch die Batterie überladen wird. Die eben beschriebene, sehr einfache Art der Schnelladung von Sekundärbatterien eignet sich besonders dann, wenn es auf extrem kurze Ladezeiten ankommt; denn dann ist der Ladestrom so groß, daß während der gesamten Ladezeit der Anstieg der Batteriespannung (Ub(4C)) nahezu konstant ist. Dies ist z.B. beim Laden von NiCd-Batterien mit kleineren Ladeströmen häufig nicht der Fall (Fig. 4, Bereich B, U(1C)). Vielmehr ergibt sich nach dem Anladen (Bereich A) zunächst ein sehr flacher (Bereich B) und danach ein relativ steiler, positiver (Bereich C) Verlauf der Batteriespannung, bevor diese dann ab dem Zeitpunkt der vollen Aufladung der Batterie (Punkt B) einen negativen Verlauf nimmt.Since the rapid charging process must always be re-initiated (this can be done automatically when the power source is connected to the rest of the circuit arrangement, for example), recharging processes to 100% of the battery capacity are also possible without overcharging the battery. The very simple type of rapid charging of secondary batteries just described is particularly suitable when extremely short charging times are important; because then the charging current is so great that the increase in battery voltage (Ub (4 C)) is almost constant during the entire charging time. This is often not the case, for example, when charging NiCd batteries with smaller charging currents ( FIG. 4, area B, U (1 C)) . Rather, after charging (area A ) there is initially a very flat (area B ) and then a relatively steep, positive (area C ) curve of the battery voltage, before it then becomes negative from the time the battery is fully charged (point B ) Course takes.

Diese Eigenschaften von NiCd-Batterien werden in einer Schnelladevorrichtung nach Fig. 2 vorteilhaft genutzt. Außer dem dynamischen Spannungskomparator (K 1) enthält die Schaltungsanordnung einen statischen Spannungskomparator (K 2). Die an seinem Eingang (7) anliegende Referenzspan nung (Uref) ist so eingestellt, daß sie dem Punkt (A) der Spannungskurve (Ub(1C)), Fig. 4) entspricht, der etwa in der Mitte des Bereiches C liegt. Dabei sind Verschiebungen des Punktes A entlang der Spannungskurve von ca. ± 25% der Breite des Bereichs C unkritisch. Dennoch ist es sinnvoll, die Referenzspannung (Uref) zumindest grob dem Temperaturgang der Batterie anzupassen. Aus dem Logikdiagramm (Fig. 4) ergibt sich, daß der dynamische Komparator (K 1) nur wirksam sein kann, wenn gleichzeitig auch der statische Komparator (K 2) wirksam ist, d.h. wenn beide Ausgänge (3, 5) auf L-Potential liegen.These properties of NiCd batteries are advantageously used in a quick charging device according to FIG. 2. In addition to the dynamic voltage comparator ( K 1 ), the circuit arrangement contains a static voltage comparator ( K 2 ). The reference voltage (Uref) present at its input ( 7 ) is set so that it corresponds to the point ( A ) of the voltage curve (Ub (1 C)) , Fig . 4), which is approximately in the middle of area C. Here, displacements of point A along the voltage curve of approximately ± 25% of the width of area C are not critical. Nevertheless, it makes sense to at least roughly adapt the reference voltage (Uref) to the temperature response of the battery. The logic diagram ( FIG. 4) shows that the dynamic comparator ( K 1 ) can only be effective if the static comparator ( K 2 ) is also active at the same time, ie if both outputs ( 3 , 5 ) are at L potential lie.

Somit ist sichergestellt, daß der Komparator (K 1) nicht bereits im Bereich B (Fig. 4) das Abschalten der Schnellaufladung bewirkt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Zeitkonstante des Zeitgliedes (R 3, C 1) exakt auf den Anstieg der Batteriespannung im Bereich C eingestellt werden kann, wodurch sich die Präzision im Abschaltzeitpunkt B erhöht.This ensures that the comparator ( K 1 ) does not already switch off the rapid charging in region B ( FIG. 4). Another advantage is that the time constant of the timing element ( R 3 , C 1 ) can be set exactly to the increase in the battery voltage in the area C , which increases the precision at the switch-off time B.

Durch die eben beschriebene Schnelladevorrichtung ist es möglich, Sekundärbatterien schnell, schonend und präzise 100%ig aufzuladen.It is through the quick charging device just described possible, secondary batteries quickly, gently and precisely 100% recharge.

Dieses Ladeprinzip ist praktisch unumgänglich, wenn es auf eine zusätzliche Erfassung und Anzeige der jeweils noch verfügbaren Restladung einer aufgeladenen Batterie ankommt, denn erst durch das exakte Abschalten im Zeitpunkt der 100%-Aufladung ist auch das exakte Erfassen der Restkapazität möglich.This charging principle is practically inevitable when it is on an additional recording and display of each remaining charge of a charged battery arrives, because only by switching off exactly in The time of 100% charging is also the exact recording the remaining capacity possible.

Claims

1. Circuit arrangement for fast charging of secondary batteries, in particular nickel-cadmium cells, with a controllable current source for charging the batteries and a semiconductor circuit for detecting the state of charge of the batteries, characterized in that the semiconductor circuit contains a self-adjusting dynamic voltage comparator and that the dynamic voltage comparator causes the charging current to be switched off or switched to a significantly lower value if the rise in the battery voltage increases significantly over time.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor circuit a contains static voltage comparator and the dynamic Voltage comparator only together with the static one Voltage comparator is effective.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the static voltage comparator has a temperature response adapted to the battery and is thermally coupled to the battery.

4. Circuit arrangement according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that the Voltage curve of each individual cell of a battery a dynamic voltage comparator is monitored and the first is the reduction in the temporal increase of the Dynamic comparator registering the voltage of a cell Switching off the fast charging current, if necessary together with the static voltage comparator.