DE3832841C2 - Verfahren zum Laden von wiederaufladbaren Batterien - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem System nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Laden von wiederaufladbaren Batterien bekannt, bei denen der Ladevorgang nach vorgegebenen Kennlinien verläuft. So nimmt beispielsweise bei der Batterieladung nach einer W-Kennlinie der Ladestrom vom Beginn der Ladung kontinuierlich ab, während die Ladespannung der Batterie steigt, bis das Ende der Ladung erreicht ist.

Bei der Ladung von Batterien nach der IUI-Kennlinie wird der entladenen Batterie zunächst ein konstanter Strom eingeprägt. Die Ladespannung steigt dann an. Bei einem Wert der Ladespannung, bei dem Gasentwicklung einsetzt, wird das Ladegerät auf eine konstante Spannung umgeschaltet, wonach mit steigender Ladung der Batterie der Strom sinkt. Bei einem Strom, dessen Wert durch Größe und Bauart der Batterie als Richtwert festgelegt ist, wird wiederum auf einen Konstantstrom umgeschaltet bis die Ladung beendet ist.

Die bekannten Verfahren weisen verschiedene Nachteile auf. Entweder wird sehr viel Zeit zur Ladung der Batterie benötigt oder es besteht die Gefahr, die Batterie beim Laden zu beschädigen.

Zum Schutz der Batterie trotz hohen Ladestroms sind aus AT-PS 271 595 und DE 37 05 222 A1 Batterie-Ladegeräte bekanntgeworden, bei denen bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur oder eines vorgegebenen Temperaturgradienten der Batterie die Ladung beendet oder vermindert wird. Ferner ist es aus DE 34 29 673 A1 bekannt, bei Überschreiten von Spannungsgrenzwerten den Ladestrom zu vermindern. Bei diesen bekannten Ladegeräten ist jedoch der verminderte Ladestrom nicht so groß, wie es die Batterie aufgrund ihres jeweiligen Zustandes vertragen würde, wodurch auch bei diesen Ladegeräten, die Ladung länger als notwendig dauert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System zum Laden von wiederaufladbaren Batterien anzugeben, bei welchem die Batterien möglichst schnell und ohne die Gefahr einer Beschädigung bzw. Überbeanspruchung geladen werden. Außerdem soll der Ladevorgang ohne Überwachung durch Bedienungspersonal erfolgen.

Das erfindungsgemäße System mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine schnelle Ladung ohne eine Gefährdung der Batterie möglich ist. Außerdem läuft der gesamte Ladevorgang automatisch ab. Schließlich können mit dem erfindungsgemäßen System Batterien verschiedener Typen, also beispielsweise Pb-Batterien und NiCd-Batterien geladen werden. So ist es beispielsweise mit einem erfindungsgemäßen System möglich, eine NiCdSinterfolienbatterie mit einer Kapazität von 50 Ah mit einem Anfangsladestrom von 200 A in wenigen Minuten gefahrlos wiederaufzuladen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Systems möglich.

Das erfindungsgemäße System kann zur Ladung von Bat­ terien innerhalb der verschiedensten Anwendungsbe­ reiche benutzt werden. Eine bevorzugte Anwendung liegt jedoch in der Ladung von Traktions-Batterien in Fahrzeugen für den innerbetrieblichen automati­ sierten Transport. Bei diesen Systemen hat der Ein­ satz von Batterien unter strengen wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu erfolgen, was eine Ladung der Batterien unter den obengenannten Voraussetzungen erfordert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Ladekennlinie,

Fig. 2 eine weitere bekannte Ladekennlinie,

Fig. 3 das Kennfeld eines Ladevorganges mit dem er­ findungsgemäßen System und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems.

Die in Fig. 1 gezeigte W-Kennlinie stellt den Zusam­ menhang zwischen der Ladespannung U und dem Lade­ strom I dar bei der Ladung mit einem relativ ein­ fachen Ladegerät, bei welchem der Innenwiderstand im wesentlichen dazu beiträgt, daß mit fallender Diffe­ renz zwischen der Leerlaufspannung des Ladegerätes und der Ladespannung der Batterie der Ladestrom kontinuierlich fällt. Beim Punkt 1 wird die Ladung entlang der W-Kennlinie begonnen und beim Punkt 2 beendet.

Bei der in Fig. 2 gezeigten I/U-Kennlinie wird begin­ nend mit dem Anfangspunkt 3 ein konstanter Ladestrom der Batterie zugeführt. Dabei steigt die Ladespan­ nung allmählich an. Vor Erreichen der Ladeschlußspan­ nung wird das Ladegerät auf eine konstante Spannung, welche etwas unterhalb der Ladeschlußspannung liegt, umgeschaltet. Mit fortschreitender Ladung erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie, so daß der Ladestrom I kleiner wird. Hat der Ladestrom I einen für den Ladeschluß charakteristischen Wert erreicht, wird wieder auf einen konstanten Strom umgeschaltet, worauf nach einem weiteren Spannungsanstieg beim Punkt 4 das Ende der Ladung erreicht ist.

Ladegeräte mit I/U-Kennlinie sind im allgemeinen aufwendiger als Geräte mit W-Kennlinie, bewirken jedoch eine schnellere Ladung der Batterie, weshalb sie insbesondere zum Laden von Traktions-Batterien in Großanlagen verwendet werden. Sie sind jedoch praktisch nur zum Laden von Pb-Batterien anwendbar.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Ladespannung U und Ladestrom I bei der Ladung mit einem erfin­ dungsgemäßen System. Dabei wird die Ladung nicht nach einer vorgegebenen Kennlinie vorgenommen, son­ dern findet innerhalb des schraffierten dargestell­ ten Kennfeldes statt. Der Verlauf der Ladung im ein­ zelnen hängt dabei von verschiedenen Parametern ab, wie beispielsweise Art, Kapazität und Entladezustand der Batterie, und wird vom erfindungsgemäßen System an die jeweils vorhandenen Parameter angepaßt. Dem im folgenden beschriebenen Verlauf der Ladung liegt eine NiCd-Batterie zugrunde.

Beim Anfangspunkt 5 wird die entladene Batterie zu­ nächst mit einem konstanten Strom geladen. Ist dabei eine Spannung erreicht, die im Einzelfall höher sein kann als die Ladeschlußspannung, wird wie bei der I/U-Kennlinie auf eine konstante Spannung umgeschal­ tet, worauf der Strom sinkt. Bei der Festlegung dieser Spannung wird die eingeladene Strommenge berücksichtigt, welche durch Integration des Lade­ stroms von Beginn der Ladung an ermittelt wird.

Im Sinne einer möglichst schnellen Ladung wurden die Werte für den Strom und die Spannung derart gewählt, daß sich die Batterie merkbar erwärmt. Überschreitet diese Erwärmung einen kritischen Wert, so führt dieses bei NiCd-Batterien zu einem Stromanstieg und zu einer Zerstörung der Batterie. Der Beginn dieses instabilen Zustandes ist bei dem Diagramm nach Fig. 3 mit 7 bezeichnet. Das erfindungsgemäße System stellt nach einer gewissen Zeit einen Stromanstieg fest und begrenzt den Strom vom Kennlinienpunkt 8 an bis zum Punkt 9. Die Ladespannung U fällt dabei, so daß beim Punkt 9 wieder stabile Verhältnisse vorlie­ gen. Das erfindungsgemäße System schaltet wieder auf eine U-Kennlinie, allerdings bei niedrigerer Lade­ spannung.

Dieser Betriebszustand wird aufrechterhalten, bis der Ladestrom vom Punkt 10 einen deutlich kleineren Wert erreicht. Hier versucht das erfindungsgemäße System die Ladespannung wieder zu erhöhen, was zu einem Stromanstieg führt, den das System als Zeichen eines instabilen Zustands wertet und deshalb den Spannungsanstieg nicht fortsetzt. Daraufhin fällt der Strom wieder, beginnend bei 11.

Bei 12 setzt das erfindungsgemäße System probehalber die Ladespannung nochmals auf den Maximalwert herauf. Wegen des inzwischen erreichten niedrigen Ladestromes erfolgt keine unzulässig hohe Erwärmung. Während der Steigerung der Spannung zwischen den Punkten 12 und 13 erfolgt nur ein geringfügiger Stromanstieg, den das System als Vorliegen stabiler Verhältnisse deutet und daher die Spannung bis zur Obergrenze steigert.

Der Ladestrom fällt dann weiter, bis bei 14 ein vor­ gegebener Wert erreicht ist. Dieser Wert kann bei­ spielsweise durch Bilanzierung des Ladezustandes, also die Differenzbildung zwischen der beim Entladen entnommenen und beim Laden zugeführten Ladungsmenge, ermittelt werden. Danach wird die Ladespannung auf den Wert der Ladeschlußspannung gesenkt und nach deren Erreichen beim Punkt 15 nur noch ein geringer Strom der Batterie als sogenannte Schwebeladung der Batterie zugeführt. Beim Punkt 16 ist die Ladung beendet.

Als Erhaltungsladung kann dann beispielsweise bei NiCd-Batterien ein kontinuierlicher geringer Strom zugeführt werden oder bei Pb-Batterien eine pulsie­ rende Ladung zwischen den Punkten 16 und 17 des Kennfeldes vorgenommen werden.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems ist in Reihe mit einer wiederaufladbaren Batterie 21 ein Strommeßwiderstand 22 geschaltet. Zur Ladung der Batterie 21 dient ein Ladesteller 22, der an ein nicht dargestelltes Spei­ segerät angeschlossen ist. Der Ladesteller 22 wird bei Gleichstromspeisung zweckmäßigerweise als soge­ nannter Schaltregler ausgeführt, bei Wechselstrom­ speisung als gesteuerter Gleichrichter oder als ungesteuerter Gleichrichter mit nachgeschaltetem Schaltregler.

Ausgangsklemmen des Ladestellers 22 sind mit der Reihenschaltung aus Batterie 21 und Strommeßwider­ stand 26 verbunden. Außerdem werden dem Ladesteller 22 die Soll-Werte für den Ladestrom und die Ladespan­ nung von einem Steuergerät 23 zugeführt. Stellver­ tretend für verschiedene Verbraucher ist ein Motor 64 dargestellt. Zur Steuerung des Ladevorganges werden über die Schaltungspunkte 27, 28 und 29 die jeweilige Spannung der Batterie und eine dem End­ lade- bzw. Ladestrom proportionale Spannung abgegrif­ fen. Außerdem werden aus der Batteriespannung Ver­ sorgungsspannungen für das erfindungsgemäße System sowie eine Referenzspannung mit Hilfe der Schaltung 24 erzeugt. Geeignete Schaltungen zur Erzeugung einer konstanten Referenzspannung sowie zur Gleich­ spannungswandlung sind an sich bekannt und brauchen im Rahmen dieser Erfindung nicht näher erläutert zu werden.

Die am Schaltungspunkt 27 anliegende Batteriespan­ nung wird über einen Spannungsteiler 31 dem nichtin­ vertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 32 zugeführt. Dem invertierenden Eingang des Differenz­ verstärkers 32 wird über einen Widerstand 33 die Referenzspannung zugeführt. Außerdem ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Dif­ ferenzverstärkers 32 ein Gegenkopplungswiderstand 34 vorgesehen. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände wird die Verstärkung und der Arbeits­ punkt des Differenzverstärkers 32 derart festgelegt, daß an seinem Ausgang eine Spannung ansteht, welche analog zur Differenz zwischen der Batteriespannung und der Referenzspannung ist, wobei der Aussteuer­ bereich mindestens die Höhe des in Fig. 3 dargestell­ ten Kennfeldes umfaßt.

Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 32 und die Referenzspannung werden einem Mikrocomputer 35 zugeführt, welcher unter anderem in an sich bekann­ ter Weise einen Analog-Digital-Wandler umfaßt, dem die analogen Größen über einen Multiplexer zugeführt werden. Die Referenzspannung wird dem Analog-Digital- Wandler des Mikrocomputers 35 direkt zugeführt. Der Mikrocomputer 35 arbeitet nach einem Programm, das im wesentlichen die im Zusammenhang mit Fig. 3 erläu­ terten Schritte umfaßt.

Die an den Anschlüssen 28 und 29 des Strommeßwider­ standes 26 anstehende Spannungen werden den Eingän­ gen eines Differenzverstärkers 38 über Widerstände 36 und 37 zugeführt, während der nichtinvertierende Eingang über einen Widerstand 41 mit Masse verbunden ist, ist der invertierende Eingang über einen Gegen­ kopplungswiderstand 44 mit dem Ausgang des Differenz­ verstärkers 38 verbunden.

Der Analog-Digital-Wandler des Mikrocomputers 35 ist nur für Spannungen einer vorgegebenen Polarität geeignet. Da jedoch für eine Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen System eine Messung des Entladestroms zusätzlich zur Messung des Ladestroms erforderlich ist, ist ein weiterer Differenzverstärker 43 mit den Widerständen 38, 39, 42 und 45 als Invertierverstär­ ker geschaltet und mit einem weiteren Eingang des Mikrocomputers 35 verbunden.

Außer der Messung der Batteriespannung und des Bat­ teriestromes kann eine Messung der Batterietempera­ tur erforderlich sein. Es kann deshalb eine von einem geeigneten Sensor 30 abgegebene temperaturab­ hängige Spannung als weitere Analoggröße dem Mikro­ computer 35 zugeführt werden.

Zur Stabilisierung der Taktfrequenz des Mikroprozes­ sors 35 ist ein Quarz 51 angeordnet. Eine Schalter­ reihe 50 dient zur Einstellung verschiedener Be­ triebsarten des erfindungsgemäßen Systems.

Drei Ausgänge des Mikrocomputers sind über je einen Optokoppler 52, 53, 54 mit Anschlüssen verbunden, welche Sollwerte für die Ladespannung, den Ladestrom und ein Schaltsignal F an den Ladesteller 22 ausge­ ben. Eine weitere Ausgabeschnittstelle 25 umfaßt drei Anschlüsse 55, 56, 57, welche über jeweils einen Optokoppler 58, 59, 60 an weitere Ausgänge des Mikrocomputers angeschlossen sind. Außer dem bereits erwähnten Schaltsignal F kann der Ausgabeschnitt­ stelle 25 ein weiteres Schaltsignal ELS, welches den Entladeschluß der Batterie kennzeichnet, entnommen werden. Schließlich liegt am Anschluß 56 ein Analog­ signal, welches den Wert der entnehmbaren Kapazität wiedergibt, an. Diese Daten können mit Hilfe einer nicht dargestellten Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

Über einen weiteren Optokoppler 61 und einen An­ schluß 62 werden laufend verschiedene Daten ausgege­ ben. Diese Daten können über ein Datenübertragungs­ system einem übergeordnetem Rechner zugeleitet wer­ den.

Insbesondere beim Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in innerbetrieblichen Transportfahrzeugen kann somit ein Datenaustausch mit übergeordneten Leitsystemen erfolgen. So kann beispielsweise von dem übergeordneten Leitsystem ein Fahrzeug, dessen Batterie relativ weit entladen ist, länger an den Aufladestellen angehalten werden oder möglicherweise vorübergehend aus dem Verkehr gezogen werden. Schließlich ist an den Mikrocomputer 35 noch ein nichtflüchtiger Speicher 63 angeschlossen, in wel­ chem langfristig Daten gespeichert werden, welche für einen wirtschaftlichen Einsatz derartiger Trans­ portsysteme benötigt werden, wie beispielsweise die gesamte Betriebszeit einer Batterie, Anzahl der Lade/Entladezyklen oder der insgesamt aufgenommenen bzw. abgegebenen Amperestunden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Laden von wiederaufladbaren Batterien mit einer steuerbaren Strom-/Spannungsquelle, einer Steuereinrichtung und Einrichtungen zur Messung der Ladespannung und des Ladestroms der Batterie, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Schritte:

• a) zu Beginn der Ladung wird der Batterie ein Anfangsladestrom vorgegebener Stärke zugeführt,
• b) dabei wird unter Berücksichtigung der eingeladenen Strommenge der Batterie die zulässige Spannung für die weitere Ladung gewählt und danach die Batterie mit dieser Spannung geladen,
• c) von der Steuereinrichtung wird während des Ladevorganges geprüft, ob die Ladung der Batterie dann innerhalb von Grenzen der zulässigen Betriebsbedingungen erfolgt,
• d) die Energiezufuhr wird vermindert, wenn die Prüfung nach
• e) ergibt, daß die Grenzen erreicht wurden, und mit einer unterhalb der zulässigen Spannung liegenden Ladespannung fortgesetzt,
• f) nach einer vorgegebenen Zeit wird versuchsweise die Energiezufuhr durch Erhöhung der Ladespannung gesteigert, wobei die Erhöhung vorübergehend unterbrochen wird, wenn die Grenzen erreicht werden, und jeweils nach einer vorgegebenen Zeit fortgesetzt wird bis zum Ladeschluß, was durch Sinken des Ladestroms auf einen vorgegebenen Wert festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner beim Schritt b) die Temperatur der Batterie gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zulässige Betriebsgrößen aus einer Tabelle, die in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt ist, ausgelesen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Tabelle, die Wertetripel für die Spannung, den Strom und die Temperatur der Batterie enthält, eine dieser Betriebsgrößen in Abhängigkeit von den beiden anderen ausgelesen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Anstieg des Stroms, der größer als ein für den jeweiligen Spannungsanstieg vorgegebener Stromanstieg ist, auf Erreichen der Grenzen der zulässigen Betriebsbedingungen geschlossen wird.